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圆内随机弦的概率分布

圆内随机弦

原问题是圆内随机取一条弦,其长度不小于圆内接正三角形的边长的概率是多少。在该问题下不同的随机方式会得到不同的结果,这里简单推导一下。

随机两点

在圆内随机两点,可以先固定一点,然后考虑另一个点的位置。设圆为 \(O\),固定一个点为 \(A\),动点 \(B\),那么 \(AB\) 即为弦长,那么过点 \(A\) 做圆内接正三角形,交于点 \(C\)\(D\),那么只有 \(B\) 落到弧 \(\overset{\LARGE{\frown}}{CD}\) 上,\(AB\) 才能大于 \(AC\),而 B 落入 \(\overset{\LARGE{\frown}}{CD}\) 的概率很好求,就是 \(\overset{\LARGE{\frown}}{CD}\) 长度除以圆周长,即 \(\frac{1}{3}\)

\(A\) 本身就是随机选择的,点 \(A\) 的选择和点 \(B\) 的选择是独立的,所以总概率就是 \(\frac{1}{3}\)

随机直径

这里先随机直径 \(D_{1}D_{2}\),然后分别过 \(D_1\)\(D_2\) 做圆内接正三角形 \(C_1D_1E_1\)\(C_2D_2E_2\),可以看到除了 \(D_1\) 外,三角形 \(C_1D_1E_1\) 与直径还有一个交点,记为 \(F_1\),另一边同理,记为 \(F_2\)。那么中点在这根直径上的所有弦一定垂直于直径 \(D_1D_2\),设为 \(AB\),同时交直径于点 \(P\)。通过图,显然可以得知,只有当 \(P\) 点位于 \(F_1F_2\) 上时,其长度才能大于 \(E_2C_2\),即圆内接正三角形的面积,即概率为:

\[ P=\dfrac{|F_1F_2|}{|D_1D_2|} \]

设半径为 \(1\),那么就有

\[ P=\dfrac{|F_1F_2|}{|D_1D_2|}=\dfrac{2|F_1D_1|-|D_1D_2|}{|D_1D_2|}=\dfrac{2\times \frac{3}{2} - 2}{2}=\dfrac{1}{2} \]

由于选直径不影响后续选择,即独立,所以总概率为 \(1\over 2\)

随机中点

由于弦中点可以唯一确定一个弦,所以可以直接在圆内随机弦中点。如图所示,此时需要满足 \(|OP|\le|OQ|\),即 \(P\) 点在以 \(O\) 为圆心,\(OQ\) 为半径的圆 \(O'\) 内,根据几何概型,可以得到概率为(设圆半径为 \(1\)):

\[ P=\dfrac{S_{\odot O'}}{S_{\odot O}}=\dfrac{|OQ|^2}{|OF|^2}=\dfrac{\left(\frac{3}{2}-1\right)^2}{1^2}=\dfrac{1}{4} \]

概率密度函数