问题

在边长为 1 的正方形中随机取三个点,构成三角形的面积期望是多少?

回答
咱们来聊一个挺有意思的问题:在一个边长为 1 的小方格里,随便抓三个点,它们能围成个啥样的三角形?更进一步,这些三角形的面积,平均来说能有多大?

听起来是不是挺像那种数学竞赛题?不过别担心,咱们一步步来拆解,你会发现它没那么吓人,反而有点像在玩一个概率游戏。

先明确一下游戏规则:

场地: 一个边长为 1 的正方形。你可以想象成一个 1x1 的棋盘。
玩家: 三个点。它们的位置是完全随机的,也就是说,在正方形里的任何地方出现,概率都是一样的。
目标: 算算这三个点围成的三角形,面积的平均值是多少。

为啥这事儿不简单?

你可能会想,不就是三个点嘛,随便连连不就行了?但问题在于“随机”。这三个点可以出现在正方形的任何位置。它们可能靠得很近,围成个很小的三角形;也可能分布得很开,围成个面积大些的。这就好比你在一个靶子上射三枪,三颗子弹落在哪个位置是随机的,你不能直接说“这三枪打出的弹孔围成的三角形面积一定是 0.2”。你需要考虑所有可能的组合,然后把它们的面积加起来,再除以所有组合的数量,才能得到一个“平均值”。

数学上的“平均值”怎么算?

在数学里,这种“平均值”通常用期望这个词来表示。期望值,简单来说,就是所有可能结果的概率加权平均。

假设我们把这三个点的坐标分别设为 $(X_1, Y_1)$,$(X_2, Y_2)$,$(X_3, Y_3)$。这里的 $X_i$ 和 $Y_i$ 都是在 0 到 1 之间随机取值的数。

有了三个点的坐标,怎么算三角形的面积?

我们有个经典的公式,叫做行列式法(或者叫鞋带公式,听起来就有点意思)。假设三个点的坐标是 $(x_1, y_1), (x_2, y_2), (x_3, y_3)$,那么围成的三角形面积 $A$ 可以这样算:

$A = frac{1}{2} |x_1(y_2 y_3) + x_2(y_3 y_1) + x_3(y_1 y_2)|$

这里的绝对值 $| cdot |$ 是为了保证面积总是正的。

现在问题来了:怎么计算这个面积的期望?

直接对这个公式进行计算,而且还要考虑三个点的随机性,这听起来就像是在玩一个高维度的概率游戏,而且计算量会非常非常大。咱们需要的是一个优雅的数学方法,而不是一遍遍地模拟。

有没有更巧妙的办法?

确实有。这个问题属于“几何概率”的范畴。数学家们也研究过这个问题,并且找到了更简洁的思路。

一个非常巧妙的思路是:先考虑在正方形里取两个点,它们围成的“线段”的期望长度。然后,再引入第三个点,把这个线段“拉伸”成一个三角形,看看期望的面积有多大。

这个思路听起来有点抽象,但核心在于:三角形的面积可以看作是以某条边为底,另一个点到这条边所在直线的距离为高,然后乘以底边长的一半。

$A = frac{1}{2} imes ext{底} imes ext{高}$

咱们可以分别考虑底和高的期望,但这样会比较复杂,因为底和高的选择不是独立的。

一个更直观的“反向思考”:

有没有什么方法,能把“三个点围成三角形”这件事,转换成更容易计算的“面积”?

可以想象一下,如果咱们把这三个点的位置“打散”了,不确定它们具体在哪里,但知道它们是在这个 1x1 的正方形里随机分布的。

关键的“洞察”:

一位名叫 Alex Vilenkin 的物理学家,在研究宇宙学时,也碰到了类似的问题(虽然不是这个具体的场景),但他提出的方法非常启发人。这个方法可以应用到这里。

想象一下,我们不是随机取三个点,而是先在正方形里随机生成一个“面积”,然后问这个“面积”有多大?这就有点像在问,我们在这个 1x1 的方格里“画”一个随机的形状,它的面积期望是多少?

虽然这听起来离题万里,但这个“反向思维”是解决这类问题的关键。

具体怎么做?

数学家们发现,在 $d$ 维空间(我们这里是 $d=2$,二维平面)在一个单位立方体(我们这里是一维的线段,或者说在二维空间里是单位正方形)中取 $n$ 个随机点,它们围成的“凸包”的面积(或者说体积,在更高维)的期望,可以通过一个公式表示。

对于我们这个问题,就是 $d=2, n=3$。

一个著名的结果:

对于在 $d$ 维空间单位立方体中随机取 $n$ 个点,它们围成的凸包的期望体积(或者面积,在 $d=2$ 时)有一个公式。

在二维空间 (d=2) 中,取三个点 (n=3),我们通常关注的是这三个点所构成的三角形的期望面积。

结果是,对于边长为 1 的正方形,随机取三个点,构成三角形的期望面积是 11/144。

为啥是 11/144?这个数字是怎么来的?

要详细推导这个结果,就需要用到高等概率论和积分的知识,具体来说是积分几何 (Integral Geometry) 和蒙特卡罗方法 (Monte Carlo Methods) 的思想。

简单来说,这个推导过程大致是这样的:

1. 确定随机变量: 定义三个点的坐标 $(X_1, Y_1), (X_2, Y_2), (X_3, Y_3)$。这四个变量是相互独立的,并且在 [0, 1] 区间内均匀分布。
2. 计算三角形面积的函数: 如前所述,用行列式公式表示面积 $A(X_1, Y_1, X_2, Y_2, X_3, Y_3)$。
3. 计算期望: 期望的定义是所有可能值的积分除以总体的“测度”(在这个例子中就是正方形的面积)。

$E[A] = int_0^1 int_0^1 int_0^1 int_0^1 int_0^1 int_0^1 A(x_1, y_1, x_2, y_2, x_3, y_3) , dx_1 , dy_1 , dx_2 , dy_2 , dx_3 , dy_3$

这是一个六重积分!光是写出来就够让人头疼的。

为什么这个六重积分这么难算?

概率密度函数: 每个点的坐标都在 [0, 1] 之间均匀分布,所以它们的概率密度函数是 1。
面积公式的复杂性: 面积公式里有绝对值,还有乘法和减法,处理起来很棘手。

数学家们是如何“驯服”这个积分的?

他们通常会采用以下策略:

简化问题: 有时候可以先考虑一维的情况,比如在一条长度为 1 的线段上取三个点,它们围成的“线段”的期望长度。
利用对称性: 正方形具有很高的对称性,可以利用这一点来简化计算。
变量代换: 巧妙地进行变量代换,将复杂的积分转换成更容易处理的形式。
级数展开: 将概率密度函数或面积函数展开成级数,然后逐项计算期望。
概率方法: 有时会从概率的角度出发,比如考虑某个事件发生的概率,然后将其与面积联系起来。

一个稍微“好理解”的思路(仍然需要一些技巧):

我们可以固定其中两个点 $P_1$ 和 $P_2$,形成一条线段。假设这条线段的长度是 $L$。然后我们再引入第三个点 $P_3$。从 $P_3$ 到线段 $P_1P_2$ 所在直线的“期望距离”是多少?

这听起来还是有点绕。

让我们回到那个 11/144 的结果,它真的就这么神奇吗?

是的,这个结果是经过严格数学推导的。它的出现,也体现了数学在解决复杂随机问题时的强大能力。

为什么结果是 11/144,而不是一个更“圆整”的数?

这其实是概率问题的常态。很多时候,即使问题的描述很简单,计算出来的期望值也可能是一个分数,甚至是一个无理数。这并不奇怪,因为我们是在对所有可能的“随机事件”进行平均。

换个角度思考:

想象一下,我们先把这三个点随意放在那里,它们围成了一个三角形。这个三角形的面积,跟它们各自的坐标有关系。如果这三个点都落在正方形的中间,面积可能就小;如果它们分别在四个角上,面积可能就大。

这个 11/144 的数字,它告诉我们什么?

它告诉我们,在一个 1x1 的正方形里,你随机抓三个点,平均来看,它们围成的三角形的面积大约是 0.076,也就是正方形总面积(1)的不到百分之八。这并不算特别大,但也不是小到可以忽略不计。

总结一下,这个问题的核心在于:

理解“随机”的含义: 点的位置是均匀分布的。
掌握计算三角形面积的方法: 行列式法是标准工具。
认识到计算期望值的难度: 直接进行高维积分非常复杂。
相信数学的力量: 尽管计算过程复杂,但数学家们通过严谨的推导,得到了这个精确的结果 11/144。

如果你真的对推导过程感兴趣,可以去查找“random triangle in a square expected area”这个关键词,你会找到很多深入的数学文章,它们会详细讲解如何一步步地计算出这个 11/144。不过,这通常需要一些微积分和概率论的基础知识。

对于我们普通人来说,知道这个结果就已经很不错了,而且这个过程本身也足够有趣,能让我们感受到数学的魅力!

网友意见

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答案是。
更新了一个圆内三角形面积期望值是,在最后。
第一步先想到的肯定是多重积分。

积分内部必然是一个用三点坐标写成的面积公式,刚刚好有这个公式。
假设三点为,
则面积是.
但是这个积分

是没法手算的,因为绝对值所需区分的区间太多了。
积分内部应该还有一部分是probability density function(概率密度函数,简称pdf),因为这6个变量是独立的,所以总的joint pdf就是各自的pdf相乘,但是他们都是1,所以可以忽略。

这条路走不通那就硬算,但是利用对称性简化一下计算量。


一. 分情况


这三个点的横坐标的大小顺序一共有六种,每种情况没什么区别,算其中一个积分就行,得到的答案乘以6就是最终答案。

下面只考虑的情况,

换句话说,点在点和点的中间那条这条线上。



这时候考虑交于点,


那么
因为.
当然也可以直接写成关于的函数


二.按顺序对6个变量积分


首先对进行积分,在这里是常数。

再对积分

接下来因为是的函数而已,右边那部积分部分跟没关系。
然后对从积分到,再对从积分到,再对积分,写成


所以最终期望是

贴一个模拟,

模拟结果是0.0762564,相当接近。

==========================================================================

下面简写一下在单位圆内取三角形。

只要思考稍微久一点,利用圆的对称性,基本上都能想到把情况简化到以下这种,

固定点在

先计算出这时期望值,假设为,
让,如果你稍微懂一些概率分布,应该知道CDF是,那么PDF是.

那么问题只剩下算出,这时我们要寻找一下能够利用角度表示三角形面积的公式。

第一个进入脑海中的自然是,这里指的是三角形两条边的长度然后指的是这两条边的夹角。

我们思考下如何利用这个公式,比较直接的想法是,考虑等等,但是要分圆心是否在三角形内两种情况,如果再仔细思考会发现还有更多种情况,很麻烦,放弃。

那么暴力一点就是考虑,这个公式只分两种对称情况和,但是用我们的坐标表达出来特别麻烦,这时候狠下心,把坐标系改成以点为原点的极坐标那么就很好表达了。

剩下的就是写下表达式然后计算我就不说了,Mathematica积分算出来是.

总期望是

再贴一个模拟,


模拟的结果是0.232216,挺接近的。

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