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圆盘三角形选取


Disk triangle picking

在一个单位圆盘 K(即,单位圆的内部)中独立且均匀地选取三个点 P=(x_1,y_1)Q=(x_2,y_2)R=(x_3,y_3)。那么由这些点确定的三角形的平均面积是

 A^_=(intint_(P in K)intint_(Q in K)intint_(R in K)1/2|x_1 y_1 1; x_2 y_2 1; x_3 y_3 1|dy_3dy_2dy_1dx_3dx_2dx_1)/(intint_(P in K)intint_(Q in K)intint_(R in K)dy_3dy_2dy_1dx_3dx_2dx_1).
(1)

使用圆盘点选取,这可以写成:

 A^_=1/(2pi^3)int_0^1int_0^1int_0^1int_0^piint_0^(2pi)|A|dtheta_3dtheta_2du_1du_2du_3,
(2)

其中

 A=1/2(sqrt(u_1u_2)sintheta_2-sqrt(u_2u_3)costheta_3sintheta_2-sqrt(u_1u_3)sintheta_3+sqrt(u_2u_3)costheta_2sintheta_3).
(3)

然后可以使用三角代换来消除三角函数,并将积分拆分为:

 A^_=1/(4pi^3)int_0^1int_0^1int_0^1int_(-1)^1int_(-1)^1(|I_1|+|I_2|)×(dw_2dw_3du_1du_2du_3)/(sqrt((1-w_2^2)(1-w_3^2))),
(4)

其中

I_1=sqrt(u_1u_2(1-w_2^2))-w_3sqrt(u_2u_3(1-w_2^2))-sqrt(u_1u_3(1-w_3^2))+w_2sqrt(u_2u_3(1-w_3^2))
(5)
I_2=sqrt(u_1u_2(1-w_2^2))-w_3sqrt(u_2u_3(1-w_2^2))+sqrt(u_1u_3(1-w_3^2))-w_2sqrt(u_2u_3(1-w_3^2)).
(6)

然而,评估积分最简单的方法是使用克罗夫顿公式极坐标,从而得到平均三角形面积

 A^_=(35)/(48pi)=0.232100...
(7)

对于单位半径圆盘(OEIS A189511),或

 A^__(A=1)=(35)/(48pi^2)=0.073880...
(8)

对于单位面积圆盘(OEIS A093587;Woolhouse 1867;Solomon 1978;Pfiefer 1989;Zinani 2003)。这个问题与西尔维斯特四点问题密切相关,并且可以作为一般多边形三角形选取问题的极限(当 n->infty 时)推导出来。

DiskTrianglePickingDistribution

如上所示的面积分布,显然尚不精确已知。

圆盘中三个随机点形成锐角三角形的概率 P_2 是:

 P_2=4/(pi^2)-1/8=0.280284...
(9)

(OEIS A093588;Woolhouse 1886)。Hall(1982)将该问题推广到 n球体三角形选取,Buchta(1986)给出了 Hall 积分的闭合形式评估。


另请参阅

球体三角形选取, 圆周三角形选取, 圆盘直线选取, 高斯三角形选取, 海尔布朗三角形问题, 六边形三角形选取, 钝角三角形, 单纯形单纯形选取, 正方形三角形选取, 西尔维斯特四点问题, 三角形三角形选取

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参考文献

Buchta, C. "Zufallspolygone in konvexen Vielecken。" J. reine angew. Math. 347, 212-220, 1984。Buchta, C. "关于四面体中随机多面体体积的注释。" Ill. J. Math. 30, 653-659, 1986。Guy, R. K. "钝角三角形的数量是锐角三角形的三倍。" Math. Mag. 66, 175-178, 1993。Hall, G. R. "n-球体中的锐角三角形。" J. Appl. Prob. 19, 712-715, 1982。Pfiefer, R. E. "J. J. 西尔维斯特四点问题的历史发展。" Math. Mag. 62, 309-317, 1989。Sloane, N. J. A. 整数序列在线百科全书中的序列 A093587A093588A189511 。"Solomon, H. 几何概率。 Philadelphia, PA: SIAM, 1978。Woolhouse, W. S. B. "问题 1350 的解答。" 来自教育时报的数学问题及其解答,第 1 卷。 London: F. Hodgson and Son, pp. 22-23, 7 月. 1863-6 月. 1864。Woolhouse, W. S. B. "关于四点问题的一些补充观察。" 来自教育时报的数学问题及其解答,第 7 卷。 London: F. Hodgson and Son, p. 81, 1867。Zinani, A. "顶点在立方体内部随机选择的四面体的期望体积。" Monatshefte Math. 139, 341-348, 2003。

在 中被引用

圆盘三角形选取

请引用为

Weisstein, Eric W. "圆盘三角形选取。" 来自 Web 资源。 https://mathworld.net.cn/DiskTrianglePicking.html

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