O problema que estou modelando: Três pontos são escolhidos aleatoriamente em um círculo. Qual é a probabilidade de o triângulo formado por esses três pontos conter o centro do círculo?
Compreensão conceitual: Suponha que fixamos dois dos três pontos, chame-os de A e B. Para que o triângulo contenha o centro, o terceiro ponto C deve estar dentro do arco A'B', onde A' e B' são a imagem de pontos A e B respectivamente sob uma rotação de 180 graus.
O que eu quero que aconteça: O triângulo inscrito gerado aleatoriamente deve ser preenchido em verde quando contém o centro e preenchido em vermelho quando não contém o centro. Eu também gostaria de registrar o número de sucessos e fracassos para calcular uma probabilidade experimental.
Algumas coisas importantes: Tenho acesso às coordenadas xey de cada ponto usando \pgfextractx
e \pgfextracty
. Meu método foi testar se o ponto C está entre as coordenadas x e as coordenadas y de A e B usando \xintifboolexpr
, no entanto, isso é falho.
Exemplo mínimo de trabalho:
\documentclass{article}
\usepackage[left=2cm, right=2cm, top=2cm, bottom=1cm]{geometry}
\usepackage{amsmath,amsfonts,tikz,xintexpr,calc}
\newcommand\circletest{
\begin{tikzpicture}[scale=0.6]
\newdimen{\tempxa}
\newdimen{\tempya}
\newdimen{\tempxb}
\newdimen{\tempyb}
\newdimen{\tempxc}
\newdimen{\tempyc}
\def\radius{2}
\draw (0,0) coordinate (O);
\draw (O) circle[radius=\radius];
\draw (rnd*360:\radius) coordinate (A);
\pgfextractx\tempxa{\pgfpointanchor{A}{center}}
\pgfextracty\tempya{\pgfpointanchor{A}{center}}
\draw (rnd*360:\radius) coordinate (B);
\pgfextractx\tempxb{\pgfpointanchor{B}{center}}
\pgfextracty\tempyb{\pgfpointanchor{B}{center}}
\draw (rnd*360:\radius) coordinate (C);
\pgfextractx\tempxc{\pgfpointanchor{C}{center}}
\pgfextracty\tempyc{\pgfpointanchor{C}{center}}
\xintifboolexpr { (((\tempxc > -\tempxa) && (\tempxc < -\tempxb)) || ((\tempxc > -\tempxb) && (\tempxc < -\tempxa))) && (((\tempyc > -\tempya) && (\tempyc < -\tempyb)) || ((\tempyc > -\tempyb) && (\tempyc < -\tempya)))} %%I know this is grotesque
{\filldraw[color=green!80!black!100, fill=green!15] (A) -- (B) -- (C) -- cycle;} %true
{\filldraw[color=red!80!black!100, fill=red!15] (A) -- (B) -- (C) -- cycle;} %false
\fill[black] (A) circle[radius=2pt];
\fill[black] (B) circle[radius=2pt];
\fill[black] (C) circle[radius=2pt];
\fill[black] (O) circle[radius=2pt];
\draw (A) node[below]{A};
\draw (B) node[below]{B};
\draw (C) node[below]{C};
\end{tikzpicture}}
\begin{document}
\foreach \x in {0,1,...,11}{
\circletest
}
\end{document}
O problema que estou tendo: Claramente meu operador de comparação \xintifboolexpr
, junto com meu código grotesco que o segue, é o problema. Estou procurando um método mais simples para saber se o ponto C está ao longo do arco do círculo entre (-\tempax,-\tempay)
e (-\tempbx,-\tempby)
.
EDITAR: Uma solução correta da sugestão de Sandy G.
\documentclass{article}
\usepackage[left=2cm, right=2cm, top=2cm, bottom=1cm]{geometry}
\usepackage{amsmath,amsfonts,tikz,xintexpr,calc}
\usepackage{xfp}
\newcommand\circletest{
\begin{tikzpicture}[scale=0.6]
\pgfmathsetmacro{\rndA}{rnd*360}
\pgfmathsetmacro{\rndB}{rnd*360}
\pgfmathsetmacro{\rndC}{rnd*360}
%defining x and y coordinates of each point
\def\radius{2}
\def\xa{\fpeval{\radius*cosd(\rndA)}}
\def\ya{\fpeval{\radius*sind(\rndA)}}
\def\xb{\fpeval{\radius*cosd(\rndB)}}
\def\yb{\fpeval{\radius*sind(\rndB)}}
\def\xc{\fpeval{\radius*cosd(\rndC)}}
\def\yc{\fpeval{\radius*sind(\rndC)}}
%calculating side lengths of triangle
\def\A{\fpeval{sqrt((\xb-\xc)^2 + (\yb-\yc)^2)}}
\def\B{\fpeval{sqrt((\xa-\xc)^2 + (\ya-\yc)^2)}}
\def\C{\fpeval{sqrt((\xa-\xb)^2 + (\ya-\yb)^2)}}
%calculating angles of triangle
\def\angleA{\fpeval{acosd((\B^2 + \C^2 -\A^2)/(2*\B*\C))}}
\def\angleB{\fpeval{acosd((\C^2 + \A^2 -\B^2)/(2*\C*\A))}}
\def\angleC{\fpeval{acosd((\A^2 + \B^2 -\C^2)/(2*\A*\B))}}
%defining some coordinates
\draw (0,0) coordinate (O);
\draw (O) circle[radius=\radius];
\draw (\xa,\ya) coordinate (A);
\draw (\xb,\yb) coordinate (B);
\draw (\xc,\yc) coordinate (C);
%test if center is in circle
\xintifboolexpr{((\angleA < 90) && (\angleB < 90)) && (\angleC < 90)}
{\filldraw[color=green!80!black!100, fill=green!15] (A) -- (B) -- (C) -- cycle;} %true
{\filldraw[color=red!80!black!100, fill=red!15] (A) -- (B) -- (C) -- cycle;} %false
%Drawing points on top of line
\draw[fill=black] (\xa,\ya) circle(1.5pt);
\draw[fill=black] (\xb,\yb) circle(1.5pt);
\draw[fill=black] (\xc,\yc) circle(1.5pt);
\draw[fill=black] (O) circle(1.5pt);
\end{tikzpicture}}
\begin{document}
\foreach \x in {0,1,...,30}{
\circletest
}
\end{document}
Responder1
Pode-se usar a calc
biblioteca eesta receita, que é muito parecido com o seu, mas talvez um pouco mais curto. O uso da calc
biblioteca também nos permite evitar a introdução de novas dimensões. Definir a pic
tem a vantagem de poder usar TikZ para organizar os desenhos da maneira que desejar.
\documentclass{article}
\usepackage[left=2cm, right=2cm, top=2cm, bottom=1cm]{geometry}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{calc}
\begin{document}
What is the probability for the triangle containing the origin? Without loss of
generality we can take the angle of $A$ to be 0 (because one can rotate the
setup without changing the probability). Then the angle of $B$, $\beta$ can be
chosen to be between $0$ and $\pi$ (because one can reflect the setup at the
$x$--axis without changing the probability). Then the angle of $C$,
$\gamma$, needs to satisfy
\[ \pi<\gamma<\pi+\beta \]
for the center to be inside the triangle, see Figure~\ref{fig:derivation}.
As $\beta$ scans the domain $[0,\pi]$, the probability for a triangle with
corners at random positions of the circle enclosing the center of the circle is
$1/4$.
\begin{figure}[ht]
\centering
\begin{tikzpicture}[dot/.style={circle,inner sep=1pt,fill},
declare function={rr=2.5;}]
\begin{scope}
\draw (0,0) circle[radius=rr] (0,0) -- (rr,0) node[dot,label=right:$A$]{};
\pgfmathsetmacro{\rndB}{rnd*90}
\draw (1,0) arc[start angle=0,end angle=\rndB,radius=1]
node[midway,anchor=180+\rndB/2,circle]{$\beta$}
(0,0) -- (\rndB:rr) node[dot,label={[anchor=\rndB+180]:$B$}]{};
\draw[dashed] (180+\rndB:rr) -- (0,0) -- (180:rr);
\draw[blue,thick] (180:rr) arc[start angle=180,end angle=180+\rndB,radius=rr]
node[midway,anchor=\rndB/2,circle,align=right]{allowed\\ positions\\ for $C$};
\end{scope}
%
\begin{scope}[xshift=2.8*rr*1cm]
\draw (0,0) circle[radius=rr] (0,0) -- (rr,0) node[dot,label=right:$A$]{};
\pgfmathsetmacro{\rndB}{90+rnd*90}
\draw (1,0) arc[start angle=0,end angle=\rndB,radius=1]
node[midway,anchor=180+\rndB/2,circle]{$\beta$}
(0,0) -- (\rndB:rr) node[dot,label={[anchor=\rndB+180]:$B$}]{};
\draw[dashed] (180+\rndB:rr) -- (0,0) -- (180:rr);
\draw[blue,thick] (180:rr) arc[start angle=180,end angle=180+\rndB,radius=rr]
node[midway,anchor=\rndB/2,circle,align=right]{allowed\\ positions\\ for $C$};
\end{scope}
\end{tikzpicture}
\label{fig:derivation}
\end{figure}
\begin{figure}[ht]
\centering
\begin{tikzpicture}[pics/circletest/.style={code={
\tikzset{circletest/.cd,#1}%
\def\pv##1{\pgfkeysvalueof{/tikz/circletest/##1}}%
\draw (0,0) coordinate (O) circle[radius=\pv{r}];
\pgfmathsetmacro{\rndA}{rnd*360}
\pgfmathsetmacro{\rndB}{rnd*360}
\pgfmathsetmacro{\rndC}{rnd*360}
\path (\rndA:\pv{r}) coordinate[label={[anchor=\rndA+180]:$A$}] (A)
(\rndB:\pv{r}) coordinate[label={[anchor=\rndB+180]:$B$}] (B)
(\rndC:\pv{r}) coordinate[label={[anchor=\rndC+180]:$C$}] (C);
\draw let \p1=(A),\p2=(B),\p3=(C),\p0=(O),
\n1={(\x0-\x2)*(\y1-\y2)-(\x1-\x2)*(\y0-\y2)},
\n2={(\x0-\x3)*(\y2-\y3)-(\x2-\x3)*(\y0-\y3)},
\n3={(\x0-\x1)*(\y3-\y1)-(\x3-\x1)*(\y0-\y1)}
in \pgfextra{\pgfmathtruncatemacro\itest{%
((\n1 < 0) || (\n2 < 0) || (\n3 < 0)) &&
((\n1 > 0) || (\n2 > 0) || (\n3 > 0))}}
\ifnum\itest=0
[color=green!80!black!100, fill=green!15] (A) -- (B) -- (C) -- cycle
\else
[color=red!80!black!100, fill=red!15] (A) -- (B) -- (C) -- cycle
\fi;
\fill (O) circle[radius=1pt] node[below]{$O$};
}},circletest/.cd,r/.initial=1]
\path foreach \X in {1,...,5}
{ foreach \Y in {1,...,5} {(3*\X,3*\Y) pic{circletest}}};
\end{tikzpicture}
\end{figure}
\end{document}
Uma proposta alternativa baseada em intersecções. Construa um raio que sai do círculo a partir de seu centro. Se o número de interseções com o triângulo for par, o centro estará fora do triângulo, caso contrário, estará dentro.
\documentclass{article}
\usepackage[left=2cm, right=2cm, top=2cm, bottom=1cm]{geometry}
\usepackage{tikz}
\usetikzlibrary{intersections}
\begin{document}
\begin{tikzpicture}[pics/circletest/.style={code={
\tikzset{circletest/.cd,#1}%
\def\pv##1{\pgfkeysvalueof{/tikz/circletest/##1}}%
\draw (0,0) coordinate (O) circle[radius=\pv{r}];
\pgfmathsetmacro{\rndA}{rnd*360}
\pgfmathsetmacro{\rndB}{rnd*360}
\pgfmathsetmacro{\rndC}{rnd*360}
\path (\rndA:\pv{r}) coordinate[label={[anchor=\rndA+180]:$A$}] (A)
(\rndB:\pv{r}) coordinate[label={[anchor=\rndB+180]:$B$}] (B)
(\rndC:\pv{r}) coordinate[label={[anchor=\rndC+180]:$C$}] (C);
\path[name path=triangle] (A) -- (B) -- (C) -- cycle;
\path[name path=ray,overlay] (O) -- ({180+(\rndA+\rndB+\rndC)/3}:1.5*\pv{r});
\draw[name intersections={of=triangle and ray,total=\t}]
\ifodd\t
[color=green!80!black!100, fill=green!15] (A) -- (B) -- (C) -- cycle
\else
[color=red!80!black!100, fill=red!15] (A) -- (B) -- (C) -- cycle
\fi;
}},circletest/.cd,r/.initial=1]
\path foreach \X in {1,...,5}
{ foreach \Y in {1,...,5} {(3*\X,3*\Y) pic{circletest}}};
\end{tikzpicture}
\end{document}
Esta abordagem é limitada pela precisão das interseções e pode falhar se o triângulo for muito fino, ou seja, essencialmente uma linha.
PS Estas distribuições são consistentes com a probabilidade real.
Responder2
Para satisfazer minha curiosidade sobre a probabilidade experimental, fiz isso em metapost
. Parece que são necessários cerca de 100.000 triângulos para obter consistentemente a probabilidade teórica (ou seja, 1/4) com 3 casas decimais. Se você comentar os comandos de desenho para apenas imprimir o resultado, 1.000.000 execuções levarão apenas alguns segundos. Uma parte da saída para 20.000 triângulos inscritos em círculos de 1 mm:
\documentclass{article}
\usepackage{luamplib}
\usepackage{geometry}
\mplibnumbersystem{double}
\mplibtextextlabel{enable}
\mplibcodeinherit{enable}
\begin{document}
\begin{mplibcode}
vardef triarray(expr r,n)=
save x,tmp,width;
width:=\mpdim{\linewidth} div r;
count:=0;
tot:=n;
for j=0 upto n:
% for the grid
drawoptions(withpen pencircle scaled .1bp shifted ((r+.1)*(j mod width),-(r+.1)*(j div width)));
for i=1 upto 3: x[i]:=uniformdeviate(8); endfor;
% sort vals, probably didn't need to, but made things tidier.
if x1>x2:
tmp:=x1; x1:=x2; x2:=tmp;
fi;
if x2>x3:
tmp:=x2; x2:=x3; x3:=tmp;
if x1>x2:
tmp:=x1; x1:=x2; x2:=tmp;
fi;
fi;
% end sort
% points on a circle in mp are mapped to the interval [0,8] with 0->0 and 8->360
% reflected points rather than rotating arc
if ((x1+4) mod 8>x2) and ((x1+4) mod 8<x3) and ((x3+4) mod 8>x1) and ((x3+4) mod 8<x2):
fill fullcircle scaled r withcolor .2[white,green];
count:=count+1;
else:
fill fullcircle scaled r withcolor .2[white,red];
fi;
% uncomment below for the triangles
draw for i=1 upto 3: point x[i] of (fullcircle scaled r)-- endfor cycle;
endfor;
enddef;
beginfig(0);
triarray(1mm,20000);
endfig;
\end{mplibcode}
\begin{mplibcode}
beginfig(1);
picture p; string s;
s="$\frac{"&decimal(count)&"}{"&decimal(tot)&"}="&decimal(count/tot)&"$";
p= s infont defaultfont scaled defaultscale;
draw p;
endfig;
\end{mplibcode}
\end{document}