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圓盤三角形選取


Disk triangle picking

在一個單位圓盤 K(即,單位圓的內部)中獨立且均勻地選取三個點 P=(x_1,y_1)Q=(x_2,y_2)R=(x_3,y_3)。那麼由這些點確定的三角形的平均面積是

 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)

使用圓盤點選取,這可以寫成:

 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)

然後可以使用三角代換來消除三角函式,並將積分拆分為:

 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,評估積分最簡單的方法是使用克羅夫頓公式極座標,從而得到平均三角形面積

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

對於單位半徑圓盤(OEIS A189511),或

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

對於單位面積圓盤(OEIS A093587;Woolhouse 1867;Solomon 1978;Pfiefer 1989;Zinani 2003)。這個問題與西爾維斯特四點問題密切相關,並且可以作為一般多邊形三角形選取問題的極限(當 n->infty 時)推匯出來。

DiskTrianglePickingDistribution

如上所示的面積分布,顯然尚不精確已知。

圓盤中三個隨機點形成銳角三角形的機率 P_2 是:

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

(OEIS A093588;Woolhouse 1886)。Hall(1982)將該問題推廣到 n球體三角形選取,Buchta(1986)給出了 Hall 積分的閉合形式評估。


另請參閱

球體三角形選取, 圓周三角形選取, 圓盤直線選取, 高斯三角形選取, 海爾布朗三角形問題, 六邊形三角形選取, 鈍角三角形, 單純形單純形選取, 正方形三角形選取, 西爾維斯特四點問題, 三角形三角形選取

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參考文獻

Buchta, C. "Zufallspolygone in konvexen Vielecken。" J. reine angew. Math. 347, 212-220, 1984。Buchta, C. "關於四面體中隨機多面體體積的註釋。" Ill. J. Math. 30, 653-659, 1986。Guy, R. K. "鈍角三角形的數量是銳角三角形的三倍。" Math. Mag. 66, 175-178, 1993。Hall, G. R. "n-球體中的銳角三角形。" J. Appl. Prob. 19, 712-715, 1982。Pfiefer, R. E. "J. J. 西爾維斯特四點問題的歷史發展。" Math. Mag. 62, 309-317, 1989。Sloane, N. J. A. 整數序列線上百科全書中的序列 A093587A093588A189511 。"Solomon, H. 幾何機率。 Philadelphia, PA: SIAM, 1978。Woolhouse, W. S. B. "問題 1350 的解答。" 來自教育時報的數學問題及其解答,第 1 卷。 London: F. Hodgson and Son, pp. 22-23, 7 月. 1863-6 月. 1864。Woolhouse, W. S. B. "關於四點問題的一些補充觀察。" 來自教育時報的數學問題及其解答,第 7 卷。 London: F. Hodgson and Son, p. 81, 1867。Zinani, A. "頂點在立方體內部隨機選擇的四面體的期望體積。" Monatshefte Math. 139, 341-348, 2003。

在 中被引用

圓盤三角形選取

請引用為

Weisstein, Eric W. "圓盤三角形選取。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/DiskTrianglePicking.html

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