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球体四面体选取


球体四面体选取是指选择四点组,这些点组对应于顶点位于球体表面的四面体的顶点。n 个随机四面体可以使用 Wolfram 语言中的以下函数在单位球面上选取RandomPoint[Sphere[], {n, 4}].

在球面上选取四个点。以这些点为多面体顶点四面体包含球中心的概率是多少?在一维情况下,第二个点位于 1/2 的另一侧的概率是 1/2。在二维情况下,选取两个点。为了使第三个点形成包含中心三角形,它必须位于由穿过的中心和两点平分线的线段平分的象限内。这发生在一个象限内,所以概率是 1/4。类似地,对于球体,概率是一个卦限,即 1/8。

使用以下方法在单位球面表面上随机选取四个点

x=sqrt(1-u^2)costheta
(1)
y=sqrt(1-u^2)sintheta
(2)
z=u
(3)

其中 u in [-1,1]theta in [0,2pi)。现在找到由这些点确定的(非正)四面体可能体积的分布。不失一般性,第一个点可以取为 u_1=1,或 (0,0,1),而第二个点可以取为 (0,u_2),或 (sqrt(1-u_2^2),0,u_2)。然后平均体积

V^_=(int_(-1)^1int_(-1)^1int_(-1)^1int_(-1)^1int_0^piint_0^(2pi)|V|du_2du_3du_4dtheta_3dtheta_4)/(int_(-1)^1int_(-1)^1int_(-1)^1int_(-1)^1int_0^piint_0^(2pi)du_2du_3du_4dtheta_3dtheta_4)
(4)
=1/(16pi^2)int_(-1)^1int_(-1)^1int_(-1)^1int_(-1)^1int_0^piint_0^(2pi)|V|du_2du_3du_4dtheta_3dtheta_4,
(5)

其中顶点位于 (x_i,y_i,z_i),其中 i=1, ..., 4,并且(有符号)体积行列式给出

 V=1/(3!)|x_1 y_1 z_1 1; x_2 y_2 z_2 1; x_3 y_3 z_3 1; x_4 y_4 z_4 1|.
(6)

解析结果难以计算,但四面体平均体积的精确结果由下式给出

 V^_=4/(105)pi
(7)

(Miles 1971, Heinrich et al. 1998, Finch 2011)。对于偶数 n原始矩可以更容易地计算出来,给出

mu_2^'=2/(81)
(8)
mu_4^'=4/(2025)
(9)
mu_6^'=(208)/(893025)
(10)
mu_8^'=(4352)/(130203045).
(11)

另请参阅

球体四面体选取, 立方体四面体选取, 几何概率, 点选取, 球体线选取, 球面码, 四面体

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参考文献

Buchta, C. "A Note on the Volume of a Random Polytope in a Tetrahedron." Ill. J. Math. 30, 653-659, 1986.Finch, S. "Random Triangles VI." http://algo.inria.fr/csolve/rtg6.pdf. Jan. 7, 2011.Heinrich, L.; Körner, R.; Mehlhorn, N.; and Muche, L. "Numerical and Analytical Computation of Some Second-Order Characteristics of Spatial Poisson-Voronoi Tessellations." Statistics 31, 235-259, 1998.Miles, R. E. "Isotropic Random Simplices." Adv. Appl. Prob. 3, 353-382, 1971.

在 Wolfram|Alpha 中被引用

球体四面体选取

请引用为

Weisstein, Eric W. "球体四面体选取。" 来自 MathWorld——Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/SphereTetrahedronPicking.html

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