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线段线段选取


LineLinePicking

给定单位线段 [0,1],在其上随机选取两个点。第一个点称为 x_1,第二个点称为 x_2。求点之间距离 d 的分布。概率密度函数 对于距离为 () d 的点(即,不考虑顺序)由下式给出

P(d)=(int_0^1int_0^1delta(d-|x_2-x_1|)dx_1dx_2)/(int_0^1int_0^1dx_1dx_2)
(1)
=2(1-d),
(2)

其中 delta(x)delta 函数分布函数 则由下式给出

 D(d)=d(2-d).
(3)

两者均在上方绘制。

原点矩 然后为

mu_m^'=int_0^1d^mP(d)dd
(4)
=2int_0^1d^m(1-d)dd
(5)
=2/((m+1)(m+2))
(6)
={1/((n+1)(2n+1)) for m=2n; 1/((n+1)(2n+3)) for m=2n+1
(7)

(Uspensky 1937, p. 257),给出原点矩

mu_1^'=1/3
(8)
mu_2^'=1/6
(9)
mu_3^'=1/(10)
(10)
mu_4^'=1/(15)
(11)

(OEIS A000217),这仅仅是 三角形数 的倒数。

原点矩 也可以在没有分布的显式知识的情况下直接计算

mu_1^'=(int_0^1int_0^1|x_2-x_1|dx_1dx_2)/(int_0^1int_0^1dx_1dx_2)
(12)
=int_0^1int_0^1|x_2-x_1|dx_1dx_2
(13)
=int_0^1int_0^1; x_2-x_1>0(x_2-x_1)dx_1dx_2+int_0^1int_0^1; x_2-x_1<0(x_1-x_2)dx_1dx_2
(14)
=int_0^1int_(x_1)^1(x_2-x_1)dx_1dx_2+int_0^1int_0^(x_1)(x_2-x_1)dx_1dx_2
(15)
=int_0^1[1/2x_2^2-x_1x_2]_(x_1)^1dx_1+int_0^1[x_1x_2-1/2x_2^2]_0^(x_1)dx_1
(16)
=int_0^1[(1/2-x_1)-(1/2x_1^2-x_1^2)]dx_1+int_0^1[(x_1^2-1/2x_1^2)-(0-0)]dx_1
(17)
=int_0^1(1/2-x_1+x_1^2)dx_1
(18)
=[1/2x_1-1/2x_1^2+1/3x_1^3]_0^1
(19)
=1/3
(20)
mu_2^'=int_0^1int_0^1(|x_2-x_1|)^2dx_2dx_1
(21)
=int_0^1int_0^1(x_2-x_1)^2dx_1dx_2
(22)
=int_0^1int_0^1(x_2^2-2x_1x_2+x_1^2)dx_1dx_2
(23)
=int_0^1[1/3x_2^3-x_1x_2^2+x_1^2x_2]_0^1dx_1
(24)
=int_0^1(1/3-x_1+x_1^2)dx_1
(25)
=[1/3x_1^3-1/2x_1^2+1/3x_1]_0^1
(26)
=1/6.
(27)

n中心矩 由下式给出

 mu_n=(3^(-(n+2))[2(-1)^n(3n+5)+2^(n+3)])/((n+1)(n+2)).
(28)

对于 n=2, 3, ... 的值然后由 1/18, 1/135, 1/135, 4/1701, 31/20412, ... 给出(OEIS A103307A103308)。

均值方差偏度超额峰度 因此为

mu=1/3
(29)
sigma^2=1/(18)
(30)
gamma_1=2/5sqrt(2)
(31)
gamma_2=-3/5.
(32)

线段上随机选取的两点之间距离的概率分布,与确定计算机硬盘驱动器的访问时间问题密切相关。事实上,硬盘驱动器的平均访问时间恰好是在 1/3 磁道上寻道所需的时间(Benedict 1995)。


另请参阅

几何概率, 点-点距离--二维, 点-点距离--三维, 点-二次距离, 球体点选取, 三角形线段选取

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参考文献

Arfken, G. Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed. Orlando, FL: Academic Press, pp. 930-931, 1985.Benedict, B. Using Norton Utilities for the Macintosh. Indianapolis, IN: Que, pp. B-8-B-9, 1995.Sloane, N. J. A. 序列 A000217/M2535, A103307, 和 A103308 在 "整数序列在线百科全书" 中。Uspensky, J. V. Introduction to Mathematical Probability. New York: McGraw-Hill, p. 257, 1937.

在 Wolfram|Alpha 上被引用

线段线段选取

引用方式为

Weisstein, Eric W. "线段线段选取。" 来源 MathWorld--Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/LineLinePicking.html

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