设ρ(半径)和φ(方位角)是两个随机变量，对应于圆内任意一点的极坐标。如果这些点是均匀分布的，那么ρ和φ的分布函数是什么?

对于任意r: 0 < r < r，半径坐标ρ小于r的概率为

P[ρ < r] = P[点在半径r的圆内]= S1 / S0 =(r/ r)2

其中S1和S0分别是半径为r和r的圆的面积。 因此，CDF可表示为:

          0          if r<=0
  CDF =   (r/R)**2   if 0 < r <= R
          1          if r > R

和PDF格式:

PDF = d/dr(CDF) = 2 * (r/R**2) (0 < r <= R).

请注意，对于R=1随机变量根号(X)，其中X在[0,1]上是一致的，有这个确切的CDF(因为P[根号(X) < y] = P[X < y**2] = y**2对于0 < y <= 1)。

φ在0 ~ 2*π范围内分布明显均匀。现在你可以创建随机极坐标，并使用三角方程将其转换为笛卡尔坐标:

x = ρ * cos(φ)
y = ρ * sin(φ)

忍不住要发布R=1的python代码。

from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np

rho = np.sqrt(np.random.uniform(0, 1, 5000))
phi = np.random.uniform(0, 2*np.pi, 5000)

x = rho * np.cos(phi)
y = rho * np.sin(phi)

plt.scatter(x, y, s = 4)

你会得到

注意点密度与半径的平方反比成正比，因此不是从[0,r_max]中选择r，而是从[0,r_max^2]中选择r，然后计算你的坐标:

x = sqrt(r) * cos(angle)
y = sqrt(r) * sin(angle)

这就得到了圆盘上均匀的点分布。

http://mathworld.wolfram.com/DiskPointPicking.html

让我们像阿基米德那样处理这个问题。

我们如何在三角形ABC中均匀地生成一个点，其中|AB|=|BC|?让我们把它扩展到平行四边形ABCD。在ABCD中很容易均匀地生成点。我们均匀地选择AB上的X点和BC上的Y点并选择Z使XBYZ是一个平行四边形。为了在原始三角形中得到一个均匀选择的点，我们只需将ADC中出现的任何点沿AC折叠回ABC。

现在考虑一个圆。在极限情况下，我们可以把它想象成无穷多个等腰三角形ABC, B在原点，A和C在周长上，彼此逐渐接近。我们可以从这些三角形中选择一个角。所以我们现在需要通过在ABC条上选择一点来生成到中心的距离。同样，延伸到ABCD, D现在是圆中心半径的两倍。

使用上述方法可以很容易地在ABCD中选择一个随机点。在AB上随机选一个点，在BC上随机选一个点。Ie。在[0,R]上取一对随机数字x和y，给出离中心的距离。三角形是一条细条AB和BC本质上是平行的。所以Z点到原点的距离是x+y。如果x+y >r我们向下折叠。

这是R=1的完整算法。我希望你同意这很简单。它使用三角函数，但您可以保证它需要多长时间，以及需要多少次random()调用，这与拒绝抽样不同。

t = 2*pi*random()
u = random()+random()
r = if u>1 then 2-u else u
[r*cos(t), r*sin(t)]

这里是Mathematica。

f[] := Block[{u, t, r},
  u = Random[] + Random[];
  t = Random[] 2 Pi;
  r = If[u > 1, 2 - u, u];
  {r Cos[t], r Sin[t]}
]

ListPlot[Table[f[], {10000}], AspectRatio -> Automatic]

我曾经用过这个方法: 这可能是完全未优化的(即它使用了一个点数组，所以它不能用于大圆圈)，但它提供了足够的随机分布。如果你愿意，你可以跳过矩阵的创建，直接绘制。方法是随机化矩形中落在圆内的所有点。

bool[,] getMatrix(System.Drawing.Rectangle r) {
    bool[,] matrix = new bool[r.Width, r.Height];
    return matrix;
}

void fillMatrix(ref bool[,] matrix, Vector center) {
    double radius = center.X;
    Random r = new Random();
    for (int y = 0; y < matrix.GetLength(0); y++) {
        for (int x = 0; x < matrix.GetLength(1); x++)
        {
            double distance = (center - new Vector(x, y)).Length;
            if (distance < radius) {
                matrix[x, y] = r.NextDouble() > 0.5;
            }
        }
    }

}

private void drawMatrix(Vector centerPoint, double radius, bool[,] matrix) {
    var g = this.CreateGraphics();

    Bitmap pixel = new Bitmap(1,1);
    pixel.SetPixel(0, 0, Color.Black);

    for (int y = 0; y < matrix.GetLength(0); y++)
    {
        for (int x = 0; x < matrix.GetLength(1); x++)
        {
            if (matrix[x, y]) {
                g.DrawImage(pixel, new PointF((float)(centerPoint.X - radius + x), (float)(centerPoint.Y - radius + y)));
            }
        }
    }

    g.Dispose();
}

private void button1_Click(object sender, EventArgs e)
{
    System.Drawing.Rectangle r = new System.Drawing.Rectangle(100,100,200,200);
    double radius = r.Width / 2;
    Vector center = new Vector(r.Left + radius, r.Top + radius);
    Vector normalizedCenter = new Vector(radius, radius);
    bool[,] matrix = getMatrix(r);
    fillMatrix(ref matrix, normalizedCenter);
    drawMatrix(center, radius, matrix);
}

朴素解不起作用的原因是它给了靠近圆中心的点更高的概率密度。换句话说，半径为r/2的圆被选中点的概率为r/2，但它的面积(点的数量)为*r^2/4。

因此，我们希望半径概率密度具有以下性质:

选择半径小于或等于给定r的概率必须与半径为r的圆的面积成正比(因为我们希望在点上有一个均匀的分布，面积越大意味着点越多)。

换句话说，我们希望在[0,r]之间选择半径的概率等于它在圆的总面积中所占的份额。圆的总面积是*R^2，半径为R的圆的面积是*R^2。因此，我们希望在[0,r]之间选择半径的概率为(pi*r^2)/(pi* r^2) = r^2/ r^2。

现在来算算:

The probability of choosing a radius between [0,r] is the integral of p(r) dr from 0 to r (that's just because we add all the probabilities of the smaller radii). Thus we want integral(p(r)dr) = r^2/R^2. We can clearly see that R^2 is a constant, so all we need to do is figure out which p(r), when integrated would give us something like r^2. The answer is clearly r * constant. integral(r * constant dr) = r^2/2 * constant. This has to be equal to r^2/R^2, therefore constant = 2/R^2. Thus you have the probability distribution p(r) = r * 2/R^2

Note: Another more intuitive way to think about the problem is to imagine that you are trying to give each circle of radius r a probability density equal to the proportion of the number of points it has on its circumference. Thus a circle which has radius r will have 2 * pi * r "points" on its circumference. The total number of points is pi * R^2. Thus you should give the circle r a probability equal to (2 * pi * r) / (pi * R^2) = 2 * r/R^2. This is much easier to understand and more intuitive, but it's not quite as mathematically sound.

我不知道这个问题是否还有新的答案，但我自己碰巧也遇到过同样的问题。我试着跟自己“讲道理”寻找解决办法，我找到了一个。这可能和一些人在这里提出的建议是一样的，但不管怎样，它是这样的:

in order for two elements of the circle's surface to be equal, assuming equal dr's, we must have dtheta1/dtheta2 = r2/r1. Writing expression of the probability for that element as P(r, theta) = P{ r1< r< r1 + dr, theta1< theta< theta + dtheta1} = f(r,theta)*dr*dtheta1, and setting the two probabilities (for r1 and r2) equal, we arrive to (assuming r and theta are independent) f(r1)/r1 = f(r2)/r2 = constant, which gives f(r) = c*r. And the rest, determining the constant c follows from the condition on f(r) being a PDF.