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如何在d维球/球内部生成均匀的随机点?

algorithm

我环顾四周,在单位球上/单位球上生成均匀随机点的所有解决方案都是针对2或3维设计的。

**在任意尺寸的球 生成均匀的随机点 __ (灵活) 方法 是什么
特别是,不仅限于球的表面。

首先,在多维数据集中生成随机点并抛弃范数大于1的点在高维中是 不可行的
。高尺寸的单位球体积与单位立方体的体积之比为0。即使在10个维度中,单位立方体中也只有约0.25%的随机点也位于单位球内部。


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2020-07-28

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d维球中生成均匀分布的随机点的最佳方法似乎是通过考虑极坐标(方向而不是位置)。 下面提供了代码。

  1. 在单位球上选择一个均匀分布的随机点。
  2. 选择一个随机半径,其中半径的似然性对应于具有该半径尺寸的球的 表面积d

该选择过程将(1)使所有方向均等可能,并且(2)使单位球内的球表面上的所有点均等可能。这将在球的整个内部生成我们所需的均匀随机分布。

随机选择方向(在单位球上)

为了实现(1),我们可以从d高斯分布的独立绘图中随机化生成一个向量,将其标准化为单位长度。这是有效的,因为高斯分布具有指数分布的概率分布函数(PDF)x^2。这意味着联合分布(对于独立随机变量,这是其PDF的乘积)将具有(x_1^2 + x_2^2 + ... + x_d^2)指数。注意,这类似于球体在d维上的定义,这意味着d来自高斯分布的独立样本的联合分布对于旋转是不变的(向量在球体上是均匀的)。

这是2D生成的200个随机点的样子。


选择一个随机半径(具有适当的概率)

为了实现(2),我们可以通过使用累积分布函数(CDF)的逆来生成半径,该函数对应于d半径为的球的表面积r。我们知道n球表面积与成正比r^d,这意味着我们可以在范围内将其[0,1]用作CDF。现在,通过映射[0,1]逆向范围内的随机数来生成随机样本r^(1/d)

这是CDF的可视化x^2(对于二维),随机生成的数字[0,1]将映射到该曲线上的相应x坐标。(例如.1.317


以上代码

最后,这是一些计算上述所有内容的Python代码(假设您已安装NumPy)。

# Generate "num_points" random points in "dimension" that have uniform
# probability over the unit ball scaled by "radius" (length of points
# are in range [0, "radius"]).
def random_ball(num_points, dimension, radius=1):
    from numpy import random, linalg
    # First generate random directions by normalizing the length of a
    # vector of random-normal values (these distribute evenly on ball).
    random_directions = random.normal(size=(dimension,num_points))
    random_directions /= linalg.norm(random_directions, axis=0)
    # Second generate a random radius with probability proportional to
    # the surface area of a ball with a given radius.
    random_radii = random.random(num_points) ** (1/dimension)
    # Return the list of random (direction & length) points.
    return radius * (random_directions * random_radii).T

为了后代,以下是使用上述代码生成的5000个随机点的图形。

2020-07-28