高校数学の知識がほとんどなく、方法が思いつきません。
2次元平面を例とします。今現在の点Aに適当な乱数により生成したステップSを足して次点Bを作っています(実際に実装するのは、ずっとこれを繰り返すランダムウォークです)。
B(x+u, y+v) = A(x, y) + S(u, v)
これに対して、ある適当な角度θによる制限を行いたいです。
(ちなみに角度θは、n次元ベクトル2つのなす角θが内積のcosθより得られるということなので、試しにAと2つのランダムな点E、Fとの間にAE、AFベクトルを作ってみて、これを使うつもりです。しかし制限は変わらず角度のみによるので、例えば2つのベクトルの先端を繋いで三角形の領域の中に制限したりする、などはしません)
(追記)やりたいことを図示しました。意図が伝われば幸いです。
画像の点B1〜B5は、生成をやり直したS1〜S5により決まっています。
B3〜B5のように、AE、AFベクトルのなす角θの範囲内にのみ点Bが生まれるようにしたいです。
例えばn次元座標の一様乱数を作るにあたって、[a, b)の範囲内の乱数を以下のように生成できますが、ここに角度も指定できないでしょうか。
np.random.rand(1, n) * (b - a) + a
乱数が生成されたらその角度の範囲内にあるかどうかを検知して、whileで角度の範囲内に生成されるまでやり直すというのは一つの手段だと思うのですが、それでも実装方法が考えつかないですし、n次元においては途方もない計算量になってしまうと思います。
それから他の例として、2次元における下記コードのような極座標の考え方を用いる方法は見つけたのですが、これだとある点からの距離と角度の二度乱数を生成して、それらにより1次元分の座標値を段階的に決定してしまっています。あくまで事前に用意する任意の乱数生成一度分に対して制限を加えたいです。
ただ視覚的に見れば、ほとんどやりたいことが実現できています。アニメーション画像はこのコードによるものです。
もちろんこれらの改善に限らず、実現する方法があればなんでもありがたいです。ぜひよろしくお願いいたします。
import math
import random
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import FuncAnimation
# 点A(1, 0)からの角度、距離の上下限
angle_range = (0, 45)
distance_range = (1, 10)
def random_point(frames):
_ = frames
# ランダムに角度、距離を生成
angle = random.uniform(angle_range[0], angle_range[1])
distance = random.uniform(distance_range[0], distance_range[1])
# 角度をラジアンに変換
radian = math.radians(angle)
# 極座標によりx, y座標を求める
x = distance * math.cos(radian)
y = distance * math.sin(radian)
plt.scatter(x, y, c='r')
fig = plt.figure()
plt.grid(True)
plt.xlim(-10, 10)
plt.ylim(-10, 10)
# frames:生成点数
anim = FuncAnimation(fig, random_point, frames=50, interval=200)
plt.show()
(2023年1月7日追記)
n次実数空間の中で定義されたある関数の最小値となる解の座標x,y,...nを求める「最適化問題」に取り組んでいます。
下記リンクの後半で多数図示されているのは各関数の2次元f(x, y)における景観です(ちなみに質問における一様乱数の区間は、この各関数f(x, y,...n)における変数x, y…nそれぞれの定義域(探索域)のことです)。
https://qiita.com/tomitomi3/items/d4318bf7afbc1c835dda
このような問題を、解析的に解こうとせずに、最適点を「探索」する手法を用いて解こうとしています。
さて、粒子群最適化法(PSO)のような多点探索手法の個体群に、空間を探索させているとします。そしてそれ以外に1体、それとは全く関係なく、空間中をただランダムウォーク(散歩)している存在がいます(質問の点AですのでAとします)。
このとき、Aが次の位置Bを決めるにあたってまれに、他の手法の個体群が探索中のエリアに誘導されるようにしたいです(まれに、としたのは、散歩をしているAが気分(確率によって切り替わる)によってその方向に向かうこともあるようにしたいから)。
→「本当に実現したいこと」です。
「個体群が探索中のエリア」は仮想的に決められるもので、簡易的には互いのノルムが最も離れている2つの個体(質問の点E,Fです)によって作ることができると考えています(本格的に作るとするなら、個体群の中で最も外側にいる個体全てを利用することになると思います)。
これらの個体E,Fに対してAがAE,AFベクトルを作って、なす角θを求めれば、角度で制限された範囲内でのみAはランダムウォークをするので(擬似的な視野角のようなものになる)、気長に待てばそのエリアにたどり着く(制限の結果として誘導してやれる)だろう、と考えました。
→「本当に実現したいこと」を実現できそうなアイデアであり、本質問における「実現したいこと」です。