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球面線段選取


球面線段選取是指選擇點對,這些點對對應於線段的頂點,線段的端點位於球面上。可以使用 Wolfram 語言中的函式在單位球面上選取 n 個隨機線段RandomPoint[Sphere[], {n, 2}].

在單位球面上隨機選取兩個點。第一個點可以放置在北極,即座標為 (0, 0, 1),不失一般性。然後使用球面點選取隨機選擇第二個點,因此可以分配座標

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)。然後,第一個點和第二個點之間的距離 l

 l=sqrt(x^2+y^2+(z-1)^2)=sqrt(2-2u),
(4)

解出 u 得到

 u=1/2(2-l^2).
(5)

現在,距離的機率函式 P_l 由下式給出

 P_ldl=P_u|(partialu)/(partiall)|dl=1/2ldl
(6)

(Solomon 1978, p. 163),因為 P_u=1/2du/dl=-l。這裡,l in [0,2]

SphereLines

因此,有點令人驚訝的是,與大多數人的直覺相反,大距離是最常見的。上面顯示了 15 條隨機線的圖。 原始矩為

 mu_n^'=<l^n>=int_0^2l^nP_ldl=(2^(n+1))/(2+n),
(7)

給出前幾個為

mu_1^'=4/3
(8)
mu_2^'=2
(9)
mu_3^'=(16)/5
(10)
mu_4^'=(16)/3
(11)

(OEIS A084623A000265)。 mu_n^' 為整數的 n 值因此為 n=0, 2, 6, 14, 30, 62, 126, 254, 510, 1022, ... (OEIS A000918),它們正是 n=2^k-2 的值。

中心矩為

mu=4/3
(12)
mu_2=2/9
(13)
mu_3=-8/(135)
(14)
mu_4=(16)/(135),
(15)

因此,方差、偏度和峰度超額為

sigma^2=2/9
(16)
gamma_1=4/5sqrt(2)
(17)
gamma_2=-5/3
(18)

(Solomon 1978, p. 163)。


另請參閱

球體線段選取, 圓線段選取, 直線線段選取, 球面點選取, 球面四面體選取

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參考文獻

Sloane, N. J. A. 整數序列線上百科全書中的序列 A000265/M2222、A000918/M1599 和 A084623Solomon, H. 幾何機率。 Philadelphia, PA: SIAM, 1978。

在 上引用

球面線段選取

引用為

Weisstein, Eric W. “球面線段選取”。 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/SphereLinePicking.html

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