趣味数学题存疑待证1

news2024/11/25 4:18:50

原文出自:球面上随机 N 个点在同一个半球上的概率 

要求任意N个点,全在同一个半球上的概率,我们需要构造使得分母为有限的样本集合,分子则为有N个点在同一半球的情况集

首先对任意N个点取其对称点使得可划分点为2N,在这N对点各取其一,其目的一在于构造有限N点的样本集合(即2^N),其目的二就是至少存在一个半球,其上可以有N个点(即至少有一种取法可以使这N个点全在一个半球上),我们知道2N个点,不管怎么划分,总有一半至少有N个点。

同时我们知道,对于一种取法,如果可以在一个半球,这个半球数不是唯一的,这时可以想象出接下来的思路——将取法与半球面产生一一对应(因为我们分子上需要的就是取法数),又因d维半球面与过球心切割球面的d-1维平面是一一对应的,实际是寻找切割球面d-1维平面和取法的唯一对应关系

对于d-1维平面的唯一性,我们很容易想到其与垂线的一一对应关系

而过垂线的切割面又可以与同方向旋转至过该点的平面唯一对应(此时该点可以是该半球的“极点”)

然后关于区域数部分,我不知道这个公式是怎么来的,待证

从上图可以看出,对x1、x2,“平面”l经过x1时为“极点”为x1的唯一“平面’,其他的取法以此类推。

我们最终可以把问题转化为经过”极点“的平面数,例如对d=2,N=2时,取法为2*(1+1)

这里的2是因为对称性,而1则是因为,对于d-1维平面(此处为1维平面),需要至少d-1个点来确定(已经确定过球心),那么就需要在剩下的N-1(除去“极点”)个点里取,则为组合数\binom{N-1}{d-2},也就是C_{n-1}^{d-2}= C_{2-1}^{2-2}=1,然后就是

 

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