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

1)在-1和1之间随机选择一个X。

var X:Number = Math.random() * 2 - 1;

2)利用圆公式，在X和半径为1的情况下，计算Y的最大值和最小值:

var YMin:Number = -Math.sqrt(1 - X * X);
var YMax:Number = Math.sqrt(1 - X * X);

3)在这两个极端之间随机选择一个Y:

var Y:Number = Math.random() * (YMax - YMin) + YMin;

4)将您的位置和半径值合并到最终值中:

var finalX:Number = X * radius + pos.x;
var finalY:Number = Y * radois + pos.y;

我认为在这种情况下，使用极坐标是一种使问题复杂化的方法，如果你在一个边长为2R的正方形中随机选择点，然后选择点(x,y)使x^2+y^2<=R^2，这将会容易得多。

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);
}

这样想。如果你有一个矩形，其中一个轴是半径，一个是角，你取这个矩形内半径为0的点。它们都离原点很近(在圆上很近)然而，半径R附近的点，它们都落在圆的边缘附近(也就是说，彼此相距很远)。

这可能会让你知道为什么你会有这种行为。

在这个链接上导出的因子告诉你，矩形中有多少对应的区域需要调整，以便在映射到圆后不依赖于半径。

编辑:所以他在你分享的链接中写道，“通过计算累积分布的倒数，这很容易做到，我们得到r:”。

这里的基本前提是，通过将均匀分布映射为期望概率密度函数的累积分布函数的逆函数，可以从均匀分布创建一个具有期望分布的变量。为什么?现在把它当做理所当然，但这是事实。

这是我对数学的一些直观解释。密度函数f(r)关于r必须与r本身成比例。理解这个事实是任何微积分基础书的一部分。请参阅有关极区元素的部分。其他一些海报也提到了这一点。

我们记作f(r) = C*r;

这就是大部分的工作。现在，由于f(r)应该是一个概率密度，你可以很容易地看到，通过对f(r)在区间(0,r)上积分，你可以得到C = 2/ r ^2(这是给读者的练习)。

因此，f(r) = 2*r/ r ^2

好，这就是如何得到链接中的公式。

然后，最后一部分是从(0,1)中的均匀随机变量u你必须从这个期望密度f(r)映射到累积分布函数的逆函数。要理解为什么会这样，你可能需要找到像Papoulis这样的高级概率文本(或者自己推导)。

对f(r)积分得到f(r) = r^2/ r^2

为了求出它的反函数你设u = r^2/ r^2然后解出r，得到r = r *√(u)

直观上讲，u = 0映射到r = 0。同样，u = 1应该映射到r = r。同样，它通过平方根函数，这是有意义的，与链接匹配。

如何在半径为R的圆内随机生成一个点:

r = R * sqrt(random())
theta = random() * 2 * PI

(假设random()均匀地给出0到1之间的值)

如果你想把它转换成笛卡尔坐标，你可以做到

x = centerX + r * cos(theta)
y = centerY + r * sin(theta)

为什么sqrt(随机())?

让我们看看sqrt(random())之前的数学运算。为简单起见，假设我们是在单位圆上工作，即R = 1。

点与点之间的平均距离应该是相同的，不管我们看的距离中心有多远。这意味着，例如，观察一个周长为2的圆的周长，我们应该找到的点的数量是周长为1的圆周长上点的数量的两倍。

由于圆的周长(2πr)随r线性增长，因此随机点的数量应该随r线性增长。换句话说，期望的概率密度函数(PDF)线性增长。由于PDF的面积应该等于1，最大半径是1，我们有

所以我们知道随机值的理想密度应该是什么样的。 现在:当我们只有一个0到1之间的均匀随机值时，我们如何生成这样一个随机值?

我们用了一个叫做反变换采样的技巧

从PDF中创建累积分布函数(CDF) 沿着y = x镜像 将得到的函数应用于0到1之间的统一值。

听起来复杂吗?让我插入一段带有小侧轨的引语来传达直觉:

Suppose we want to generate a random point with the following distribution:                  That is 1/5 of the points uniformly between 1 and 2, and 4/5 of the points uniformly between 2 and 3. The CDF is, as the name suggests, the cumulative version of the PDF. Intuitively: While PDF(x) describes the number of random values at x, CDF(x) describes the number of random values less than x. In this case the CDF would look like:                  To see how this is useful, imagine that we shoot bullets from left to right at uniformly distributed heights. As the bullets hit the line, they drop down to the ground:                  See how the density of the bullets on the ground correspond to our desired distribution! We're almost there! The problem is that for this function, the y axis is the output and the x axis is the input. We can only "shoot bullets from the ground straight up"! We need the inverse function! This is why we mirror the whole thing; x becomes y and y becomes x:                  We call this CDF-1. To get values according to the desired distribution, we use CDF-1(random()).

所以，回到生成随机半径值，其中PDF等于2x。

步骤1:创建CDF: 由于我们处理的是实数，CDF表示为PDF的积分。

CDF（x） = ∫ 2x = x2

步骤2:沿y = x镜像CDF:

从数学上讲，这可以归结为交换x和y并求解y:

CDF: y = x2 交换:x = y2 解:y =√x CDF-1: y =√x

步骤3:将得到的函数应用于0到1之间的统一值

CDF-1(random()) =√random()

这就是我们要推导的:-)