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四面体线段选取


TetrahedronLinePickingDistribution

给定一个单位体积的正四面体,考虑连接在四面体内随机选取的点对的线段长度。长度的分布如上图所示,平均线段长度可以用闭合形式给出,如下所示:

l^__(V=1)=3^(1/3)((sqrt(2))/7-(37pi)/(315)+4/(15)tan^(-1)(sqrt(2))+(113ln3)/(210sqrt(2)))
(1)
=0.7294624...
(2)

(OEIS A366019; Beck 2023)。

这个优美的结果取代了 E. Weisstein 于 2005 年 2 月使用准蒙特卡洛数值积分估计的近似值 l^__(V=1)=0.7308+/-0.0002。(事实上,使用最大误差增量为 10^5 的全局自适应方法的数值积分给出了更精确的估计值 0.729462。)

要获得单位边长的正四面体(而不是单位体积)的平均线段长度,求解 Va^3=1(其中 V 是以边长表示的四面体体积)关于 a 的方程,得到 a=sqrt(2)3^(1/3),并取 l^__(V=1)/a,得到:

l^__(a=1)=1/7-(37pi)/(315sqrt(2))+(2sqrt(2))/(15)tan^(-1)(sqrt(2))+(113ln3)/(420)
(3)
=0.3576411....
(4)

此值在 Wolfram 语言中实现为:PolyhedronData["Tetrahedron", "MeanInteriorLineSegmentLength"].


另请参阅

平均线段长度, 正四面体, 四面体-四面体选取, 四面体-三角形选取

使用 Wolfram|Alpha 探索

参考文献

Beck, D. "Mean Distance in Polyhedra." 2023 年 9 月 22 日。 https://arxiv.org/abs/2309.13177.Sloane, N. J. A. 序列 A366019,收录于“整数序列在线百科全书”。

在 Wolfram|Alpha 中被引用

四面体线段选取

引用为

Weisstein, Eric W. “四面体线段选取”。来自 MathWorld——Wolfram Web 资源。 https://mathworld.net.cn/TetrahedronLinePicking.html

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