问题

球面如何均布49个点?

回答
在球面上均匀分布49个点,这可不是个随意的活儿,得有点讲究。你有没有想过,为啥要均匀分布?就像你在一张纸上画点,如果点都挤在一起,那可不太好看,信息也显得杂乱。在球面上也是一样,均匀分布能更好地展示球体的形状、测量地理特征,或者在各种科学研究中模拟数据。

那么,怎么才能把这49个点,乖乖地、公平地安放在一个球面上,让它们之间尽量不挤也不离太远呢?这背后其实有不少学问,但我们可以从一些比较直观和常用的方法说起。

方法一:经纬线网格法(但有个小瑕疵)

这可能是你脑海里最先出现的想法——就像地球仪上的经纬线一样,把球体切成一道道“纬度线”和“经度线”。

1. 纬度划分: 我们先考虑纬度。你想把球体从北极到南极,划成多少个“层”?假设我们想得到49个点,如果完全等间距划分纬度,例如,你可以沿着经度线(比如0度经线)走,从北极(+90度纬度)走到南极(90度纬度),每隔一段距离取一个点。
例如,你可以将90度范围(从北极到赤道)分成几份,再从赤道到南极分成几份。
一个简单的想法是,如果我们要N个点,可以考虑划分N2个纬度层(排除南北极),这样再加上南北极,一共就是N个点。
比如,为了得到49个点,我们可以考虑在北极和南极各放一个点,然后把中间的90度(从北极到赤道)和90度(从赤道到南极)各分成23份,这样加上南北极一共就是2 + 23 + 23 = 48个点。如果再稍微调整一下,就能凑够49个。
具体来说,你可以选取一些特定的纬度值,比如:
北极点:纬度90°
南极点:纬度90°
中间的47个点,可以在北纬和南纬之间,例如,从北纬80°到南纬80°,每隔大概 80 / (23.5) ≈ 3.4° 选取一个纬度,然后在每个纬度上,再根据经度来分布点。

2. 经度划分: 对于每个纬度圈(除了南北极),我们需要决定在上面放多少个点。为了“均布”,我们希望这些点在经度方向上也尽可能分散。
你可能会想,在每个纬度圈上,也等间距地划分经度。例如,如果一个纬度圈上有N个点,就把360度等分成N份,每隔360/N度取一个点。
但是! 这里有一个问题:纬度圈的大小是不一样的。赤道上的纬度圈最大,而靠近两极的纬度圈越来越小。如果你在所有纬度圈上都用相同的经度间隔,那么在小纬度圈上,点会显得很密集,而在大纬度圈上,点会显得很稀疏。这就不符合“均布”的要求了。

所以,纯粹的经纬线网格法,在“均匀”的定义上,会有些挑战。 除非你用非常复杂的计算来调整每个纬度圈上的经度间隔,否则很难做到真正意义上的均匀。

方法二:黄金分割螺旋(更接近“均匀”)

这种方法更高级一些,也更能体现“均匀”的感觉。你可以想象一个人在球面上行走,每走一步,就稍微偏转一点方向,然后往前走一个固定的距离。这样走下去,形成的轨迹螺旋线,如果步长和偏转角度选择得好,点分布就会相当均匀。

1. 核心思想: 这种方法利用了“黄金比例”或者类似的数学原理,来确定每一步的“前进方向”和“旋转角度”。简单来说,就是让新加入的点,既要离已经有点的点尽可能远,又要尽量填补已有点之间的空隙。
2. 具体操作(概念性描述):
首先,在球面的顶端(北极)放一个点。
然后,在球面上沿着一个特定方向(比如稍微偏离极点的某个方向)“滚”下去。
每“滚”一段距离,就选择一个新的点的位置。这个新点的位置,会根据之前已经有点的位置进行计算,确保它离最近的已有点的距离是最大的。
你可以想象一个“伪代码”:
`points = []`
`points.append(north_pole)`
`for i from 1 to 48:`
`find_best_position(points)` // 这是一个复杂的计算过程
`points.append(new_position)`
“伪代码”中的 `find_best_position` 才是关键。 它通常会尝试在球面上放置一个新点,然后计算这个新点到所有已有点的最小距离。它会不断尝试不同的位置,直到找到一个让这个“最小距离”最大的位置。
这种方法非常适合处理“点在球面上均布”的问题,也叫做“球形点分布”或者“球面采样”。

3. 实际实现: 这种方法往往需要借助一些算法和计算机程序来实现。比如,你可以搜索“Fibonacci spheres”或者“sphere point picking algorithms”,就能找到具体的实现方法和公式。这些公式会告诉你如何根据点的序号,计算出它在球体上的具体坐标(通常用球坐标或笛卡尔坐标表示)。

方法三:正二十面体细分法(更适合高密度均匀分布)

这种方法是几何学上的一种经典方法,它从一个规则的形状开始,然后不断地“细化”它。

1. 基础形状: 我们从一个正二十面体(Icosahedron)开始。正二十面体有20个面(都是等边三角形),12个顶点,30条边。
2. 顶点定位: 将正二十面体的12个顶点精确地放在球面上。由于正二十面体是对称的,这12个顶点本身就相对均匀地分布在球面上。
3. 面细分: 关键来了。我们不是简单地在每个面上再加点,而是将每个三角形的面“投影”到球面上,然后对这些球面的“三角形”进行细分。
想象一下,把球体想象成一个被正二十面体“包裹”住的笼子。
我们将正二十面体的每个三角形面的三个顶点都放在球面上。
然后,将每个三角形面的中心,以及每条边的中点,都计算出来。
将这些计算出来的点“投影”到球面上(让它们到球心的距离等于球的半径)。
更进一步地, 你可以将每个三角形面,进一步细分成更小的三角形。例如,将每条边分成N份,然后通过插值的方法,在面上生成更多的点。
每一次细分,都会产生更多的、更小的三角形,并在它们的顶点、边中点等位置生成新的点。

4. 最终调整: 经过多次细分后,你会得到大量的点。你需要根据你想要的总点数(49个),从这些细分点中挑选出最接近均布的点。或者,你可以在细分过程中控制生成的点数,直到达到49个。
5. 优点: 这种方法可以产生非常高质量的均匀分布,尤其是在需要大量点进行细致采样的场合。它也是一些图形学和科学计算中常用的球面网格生成方法。

回到49个点这个具体数字:

对于49个点,纯粹的经纬线网格法可能会让你觉得有点别扭,因为49不是一个容易被360整除的数,而且你也需要处理南北极的特殊情况。

黄金分割螺旋法 或者 基于正二十面体细分后筛选 的方法,会是更理想的选择,它们能更好地满足“均匀”的要求。

要如何“详细”描述,并且去掉AI痕迹?

与其给你一串冷冰冰的公式,不如我从“为什么”和“怎么想”的角度来给你讲。

想象一下,你要给一群朋友每人发一个球场上的座位,你希望大家坐得都挺舒服,离得不远也不至于互相打扰。

经纬线法就像是: 我给你一条条横线(纬度),再给你一条条竖线(经度)。在赤道上,大家可以离得远点;在北极附近,大家就只能挤在一块儿了。这感觉就像用一个固定大小的方格纸去画球面,总有点地方会被拉伸或压缩。要填满49个,你可能得想:北极一个,南极一个,然后中间这些纬度圈,每个圈上放几个呢?怎么放才能让它们在整个球面上看起来“平均”?这就有点费劲了。

黄金分割螺旋法就像是: 我知道一个神奇的“行走”规律。我让你从北极开始,不是直线往前走,而是稍微斜着点,每走一步,都尽量去到之前没人去过的、离大家最远的地方。这样一步一步,你绕着球体螺旋前进,最终落下的点,会非常自然的散开,看起来特别舒服。这就像你在一张白纸上画点,每画一个点,都检查一下它跟之前所有点的最短距离,然后尽量把下一个点放在能让这个最短距离最大化的位置。

正二十面体细分法就像是: 我先给你一个天然的“框架”——一个正二十面体。它的12个尖角(顶点)就已经比较均匀地分布在球上了。然后,我把球体想象成这个二十面体“撑开”的样子。我会沿着它的边和面,不断地“切分”球体,在切分出的每一个小区域里都加上点。随着切分次数的增加,点的数量也增加,而且它们也越来越均匀。最后,我从这些点里挑出49个,就像你在一个细密的渔网里,捞出你需要的数量的鱼一样。

总结来说,对于49个点,你可能需要:

1. 确定一个“目标”: 确保点与点之间的最小距离尽可能大。
2. 选择一个“工具”: 可能是算法(如黄金分割法),也可能是几何方法(如正二十面体细分)。
3. 进行计算: 根据选择的工具,计算出49个点的具体球坐标(经度、纬度,或者三维笛卡尔坐标)。

如果你需要实际生成这些点,我会建议你查找“球体均匀采样算法”或“Sphere Point Picking Algorithms”,然后找到相关的代码实现或者详细的算法描述。很多科学计算库(如Python的SciPy)也可能提供这样的功能。

希望这个解释能让你对如何在球面上“均布”49个点有一个更清晰、更形象的理解!

网友意见

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首先,如何定义这个题目中的“均布”,理解为“evenly distributed”,也就是尽可能尽可能减少跟“uniform distribution”的discrepancy。写得更加准确一点就是:

其中球面两点的夹角(等价于测地距离),是球面上以为中心,为最大夹角的圆覆盖区域,表示球面上某个区域的测度(面积)。

如何在球体上均匀分布点的问题由来已久,在数学、物理、化学和计算的许多领域都具有巨大的意义,包括但不仅限于数值分析、逼近论、晶体学、病毒形态、静电、编码理论和计算机图形学,所以从各种角度研究这个问题的方法都有。除了少数情况外(比如等价于正多面体顶点的情形),这个问题仍没有完全解决。因此,一般只能求得近似解决方案。

下面介绍两种方法:

最小势能法

其中一种方法是将散点想象为同种电荷的相同粒子,分布在球面上,使得总势能最小,也就是寻找一组个点:

使得最小化

不难知道上式是可以取到最小值的,但上面的函数有非常多的局部极小值。如何选取到最小值就是典型的流形上的光滑优化问题,需要通过优化数值求解,参考汇总的结果

对于49个点,其中一个近似解如下(北极方向的正交投影):

再多一些点也有近似解,比如2500个点,北极的正交投影就是:

斐波那契格点构造法

另一种比较“美观”的做法是构造斐波那契网格,本质是上区域上的斐波那契网格经过保面积变换投影到球面上的样子(Lambert azimuthal equal-area projection)

首先是上的斐波那契网格,也就是

       def gen_fib_lattice(N):       phi = (1 + np.sqrt(5)) / 2       x = (np.arange(1, N + 1) / phi) % 1       y = np.arange(1, N + 1) / N       return x, y     

看起来就是:

斐波那契格点在平面上有均匀分布的特性,然后通过保面积变换,将其变到圆上:

       def area_preserve_rec2circ(x, y):       theta = 2 * np.pi * x       r = np.sqrt(y)       return theta, r     

看起来就是

最后还是通过保面积变换,将平面上的圆变换到球面,也就是前面提到的Lambert azimuthal equal-area projection

       def area_preserve_circ2sphere(theta, r):       phi = 2 * np.arcsin(r)  # latitude       x = np.cos(theta) * np.sin(phi)       y = np.sin(theta) * np.sin(phi)       z = np.cos(phi)       return x, y, z     

对于N=49,长得是这个样子:

也可以求任意给定点数的排布,比如N=2500,看起来比最小能量的结果更加诡异一点:

-------加更一个Halton序列生成的球面“拟均匀”分布,浅色点表示在球的背面:

方法介绍见:

总结

这次介绍了逼近球面上“evenly distributed”均匀布点的两种方法,一种是计算势能,类似光滑曲面上的带电粒子排布,另一种是平面的某种均布(斐波那契格点)通过两步保积变换投影到球面上。 当然还有一些基于距离的做法。不管怎样,所谓球面上均布的网格、插值、积分以及各种数值方法有非常紧密联系,非常重要就是了~ @派大西

参考链接:

  1. How to evenly distribute points on a sphere more effectively than the canonical Fibonacci Lattice
  2. Distributing many points on spheres: minimal energy and designs
  3. stackoverflow.com/quest

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