Úvod do metody montecarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/aplikace_5.pdf · metoda montecarlo...

63
Úvod do metody Monte Carlo Ing. Michal Dorda, Ph.D. 1

Upload: trannga

Post on 02-Mar-2019

239 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Úvod do metody Monte Carlo

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 1

Page 2: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Historicky prvním příkladem použití principu metody Monte Carlo je tzv. Buffonova úloha, jež je úlohou vztahující se ke geometrické pravděpodobnosti: V rovině jsou narýsovány pravděpodobnosti: V rovině jsou narýsovány rovnoběžky, jejichž vzájemná vzdálenost je rovna L. Zajímá nás pravděpodobnost, že náhodně vržená jehla o délce l < L protne některou přímku.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 2

Page 3: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Uvažujme, že rovnoběžky jsou rovnoběžné s osou x. Označme d vzdálenost středu jehly od nejbližší rovnoběžky a α úhel, který svírá jehla s danou rovnoběžkou (viz obrázek). Poloha s danou rovnoběžkou (viz obrázek). Poloha jehly je tedy určena bodem o souřadnicích [d; α], kde a .

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 3

20

Ld ≤≤ πα ≤≤0

Page 4: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

l

d

α

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 4

L

α

2

l

αα sin2

2

sin ⋅=⇒= lx

lx

x

Page 5: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Z obrázku je zřejmé, že jehla protne příslušnou rovnoběžku, pokud bude platit:

.sin2

α⋅≤ ld

• Hozením jehly mohou nastat dva případy:

– Jehla protne příslušnou rovnoběžku – úspěch.

– Jehla neprotne příslušnou rovnoběžku –neúspěch.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 5

Page 6: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

2

L

Oblast příznivých

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 6

0 π

příznivých výsledků vymezená nerovností

.sin2

α⋅≤ ld

Page 7: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Pravděpodobnost toho, že jehla protne rovnoběžku, stanovíme podle geometrické definice pravděpodobnosti:

[ ] ( )11cossin ααα ππ

+⋅−⋅⋅∫ lldl

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 7

[ ] ( ).

2

2

112

2

cos2

2

sin2 0

0

πππ

α

π

αα π

⋅=

+⋅=

−⋅=

⋅=∫

L

lL

l

L

l

L

dl

P

Page 8: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo• Tuto pravděpodobnost můžeme odhadnout na

základě znalosti Bernoulliho věty, která nám říká, že relativní četnost nějakého jevu stochasticky konverguje k jeho pravděpodobnosti, můžeme tedy pro odhad pravděpodobnosti psát:pravděpodobnosti psát:

kde m značí počet úspěšných pokusů (jehla protnula rovnoběžku) a n značí počet všech realizovaných pokusů.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 8

,ˆn

mP =

Page 9: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo• Můžeme tedy psát:

z čehož úpravami získáme:

,2

n

m

L

l ≈⋅π

• Realizujeme-li dostatečný počet pokusů, lze výše uvedený vztah využít k experimentálnímu stanovení hodnoty Ludolfova čísla π.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 9

.2

mL

nl

⋅⋅≈π

Page 10: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

Experimentátor RokPočet realizovaných

pokusů

Stanovený odhad hodnoty

π

Volf 1850 5000 3,1596

Smith 1855 3204 3,1553

Fox 1894 1120 3,1419

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 10

Fox 1894 1120 3,1419

Laccarini 1901 3408 3,1415929

1415926539,3=&π

Page 11: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Samotná metoda Monte Carlo byla formulována a prakticky použita J. vonNeumannem a S. Ulamem při vývoji atomové bomby během 2. světové války.bomby během 2. světové války.

• Při výzkumu chování neutronů bylo třeba vyřešit problém, jaké procento neutronů v určité spršce pronikne nějakou překážkou, např. nádrží vody určitých rozměrů.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 11

Page 12: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Při řešení tohoto problému předpovědi života neutronu byla použita technika kola rulety, odtud plyne i název metody.

• Např. je známo, že při srážce neutronu a atomu • Např. je známo, že při srážce neutronu a atomu vodíku je neutron pohlcen průměrně v jednom ze sta případů. Při stanovení toho, zda bude neutron pohlcen či nikoliv, je možno použít kolo rulety rozdělené na 100 dílků, přičemž 1 označený dílek bude znamenat pohlcení neutronu.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 12

Page 13: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• V případě, že nedojde k zániku neutronu, se pomocí dalšího kola rulety náhodně stanoví trajektorie neutronu do další srážky.

• Takto se postupuje do té doby, než dojde k • Takto se postupuje do té doby, než dojde k zániku neutronu nebo k jeho průchodu překážkou.

• Je zřejmé, že realizovat tento experiment pomocí skutečných kol rulet by bylo prakticky nerealizovatelné.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 13

Page 14: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• V té době byl však již k dispozici počítač, pomocí kterého bylo možno tento experiment realizovat.

• Metoda Monte Carlo je numerickou metodou • Metoda Monte Carlo je numerickou metodou založenou na vztahu mezi pravděpodobnostními charakteristikami různých náhodných procesů a veličinami, které jsou řešením studovaných úloh.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 14

Page 15: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Princip metody tedy spočívá v následujících bodech:

1) Formulace nové úlohy mající náhodný charakter, jejíž řešení se shoduje s řešením původní úlohy.jejíž řešení se shoduje s řešením původní úlohy.

2) Řešení nové úlohy pomocí statistických experimentů.

• Metodu Monte Carlo lze použít např. při řešení určitých integrálů (zejména vícerozměrných) nebo při řešení soustav rovnic.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 15

Page 16: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Existují dva možné přístupy při řešení úloh metodou Monte Carlo:

1) Geometrická metoda založená na geometrické pravděpodobnosti.pravděpodobnosti.

2) Výpočet založený na odhadu střední hodnoty náhodné proměnné.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 16

Page 17: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• ad 1) S geometrický přístupem jsme se již setkali v rámci Buffonovy úlohy. Nyní si na dvou jednoduchých příkladech ukážeme, jakým jiným způsobem lze experimentálně jakým jiným způsobem lze experimentálně stanovit hodnotu π a jak lze řešit jednoduchý určitý integrál. Při řešení využijeme generátor pseudonáhodných čísel software Microsoft Excel (funkce NÁHČÍSLO).

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 17

Page 18: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo• Př. 1: Je dán jednotkový čtverec, ve kterém je

vepsána kruhová výseč (viz obrázek). Geometrickým přístupem experimentálně stanovte hodnotu Ludolfova čísla π.

1

y

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 180

1

1

r

x

Page 19: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Definujme jev A – náhodně vybraný bod jednotkového čtverce leží v kruhové výseči.

• Je zřejmé, že na základě geometrické pravděpodobnosti můžeme pro pravděpodobnosti můžeme pro pravděpodobnost jevu A psát:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 19

( ) .4

42

2

ππ

=

=r

r

AP

Page 20: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Nyní je třeba provést sérii náhodných pokusů – výběr náhodného bodu X z jednotkového čtverce. Bod X je určen dvěma nezávislými rovnoměrně rozdělenými souřadnicemi x a y, rovnoměrně rozdělenými souřadnicemi x a y, kde 0 ≤ x ≤ 1 a 0 ≤ y ≤ 1. Konkrétní realizace souřadnic x a y lze získat v Excelu pomocí funkce NÁHČÍSLO, jež generuje rovnoměrně rozdělená náhodná čísla z intervalu ‹0; 1).

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 20

Page 21: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo• Máme-li vygenerovány dvojice souřadnic x a y,

můžeme přistoupit k rozhodnutí, zda nastal úspěch (bod leží v kruhové výseči) či neúspěch. Je zřejmé, že pro vzdálenost d bodu X [x; y] od počátku souřadnicového systému platí:

• Úspěch tedy nastane tehdy, bude-li pro i-tý bod platit:

neboť poloměr výseče je roven 1.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 21

.22 yxd +=

,122 ≤+ ii yx

Page 22: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Nastane-li v n pokusech m úspěchů, kde m ≤ n, můžeme pro pravděpodobnost jevu A psát:

( ) .n

mAP ≈

• Dostáváme tedy:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 22

n

.44 n

m

n

m ⋅≈⇒≈ ππ

Page 23: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

Počet

realizovaných

pokusů

Počet úspěšných

pokusů

Stanovený odhad

hodnoty π

100 74 2,96000

1000 782 3,12800

65532 51503 3,14369

• Je třeba ovšem pamatovat na to, že ve všech případech se jedná o bodový odhad hodnoty π.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 23

65532 51503 3,14369

1415926539,3=&π

Page 24: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Př. 2: Geometrickou metodou vyřešte určitý inegrál

• Integrál nejdříve spočítáme analyticky:

.5

1

2∫ dxx

• Integrál nejdříve spočítáme analyticky:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 24

.33,413

124

3

1

3

125

3

5

1

35

1

2 ==−=

=∫ &

xdxx

Page 25: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Víme, že integrál funkce f(x) je roven ploše, která je vymezena průběhem funkce f(x) a osou x. Zakresleme si náš případ.

2xy =y

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 25

xy =

x

y

1 5

1

25

Page 26: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Definujme si opět jev A – náhodně vybraný bod X [x; y] padne do vyšrafované oblasti, kde 1 ≤ x ≤ 5 a 0 ≤ y ≤ 25. Na základě definice geometrické pravděpodobnosti můžeme pro geometrické pravděpodobnosti můžeme pro pravděpodobnost jevu A psát:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 26

( ) ( ) ( ) .10002515

5

1

2Idxx

AP =−⋅−

= ∫

Page 27: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Nyní musíme generovat rovnoměrně rozdělené souřadnice bodů ležících v intervalech ‹1; 5› a ‹0; 25›. Je zřejmé, že při generování musíme užít některou z metod generování musíme užít některou z metod transformace, použijeme metodu inverzní transformace:

xi = 1 + (5 – 1) ∙ NÁHČÍSLO(),

y = 0 + (25 – 0) ∙ NÁHČÍSLO().

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 27

Page 28: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Máme-li vygenerovány souřadnice bodů, musíme rozhodnout o tom, zda nastal úspěch či neúspěch. Je zřejmé, že náhodně vybraný bod patří do vyšrafované oblasti, je-li pro i-týbod patří do vyšrafované oblasti, je-li pro i-týbod splněna podmínka:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 28

.2ii xy ≤

Page 29: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Nastane-li v n pokusech m úspěchů, kde m ≤ n, můžeme pro pravděpodobnost jevu A psát:

( ) .n

mAP ≈

• Dostáváme tedy:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 29

n

.100100 n

mI

I

n

m ⋅≈⇒≈

Page 30: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

Počet

realizovaných

pokusů

Počet úspěšných

pokusů

Stanovený odhad

hodnoty π

100 52 52,00000

1000 375 37,50000

65533 27099 41,35169

• Je třeba ovšem pamatovat na to, že ve všech případech se jedná o bodový odhad hodnoty integrálu.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 30

65533 27099 41,35169

33,41=&I

Page 31: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• ad 2) Tento přístup se dá využít např. při výpočtu integrálů. Nechť je ξ spojitá náhodná veličina definovaná na intervalu (a; b) hustotou pravděpodobnosti f(x). Vyšetřujme spojitou funkci η = g(ξ). Nechť existuje spojitou funkci η = g(ξ). Nechť existuje konečná střední hodnota funkce g(ξ) definovaná vztahem:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 31

( )[ ] ( ) ( ) .∫ ⋅=b

a

dxxfxggE ξ

Page 32: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo• Provedeme-li n realizací x1,…, xn, je možno

hodnotu integrálu I brát jako aritmetický průměr hodnot g(xi):

( ).1

1∑

=

⋅≈n

iixg

nI

b

• Úkolem je tedy vypočítat určitý integrál Zvolme spojité rozdělení definované na intervalu (a; b) popsané hustotou pravděpodobnosti f(x) tak, aby platilo:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 32

1=in

( ) .1=∫b

a

dxxf

( ) .∫=b

a

dxxgI

Page 33: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo• Upravme určovaný integrál do podoby:

• Tento integrál jsme již schopni stanovit. Postup je následující:

( )( ) ( ) ( ) ( ) .*

∫∫ ⋅=⋅=b

a

b

a

dxxfxgdxxfxf

xgI

je následující:1) Generujeme hodnoty x1,…, xn z rozdělení

definovaného hustotou f(x).

2) Spočítáme hodnoty , čímž dostáváme realizace náhodných proměnných se stejným rozdělením.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 33

( )ixg *

Page 34: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo3) Při dostatečně velkém počtu pokusů n lze za

odhad hodnoty integrálu považovat aritmetický průměr hodnot :( )ixg *

( ).1

1

*∑=

⋅≈n

iixg

nI

pozn. Využíváme Zákon velkých čísel, který nám říká, že jsou-li X1, X2,…, Xn nezávislé náhodné proměnné se stejnými středními hodnotami EX1 = EX2 =…= Xn = μ, potom stochasticky konverguje k μ.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 34

∑=

⋅=n

iin X

nX

1

1

Page 35: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Př. 3: Odhadněte metodou Monte Carlohodnotu nevlastního integrálu

• Vypočítejme nejdříve integrál analyticky:

.1

1

02∫

+= dx

xI

• Vypočítejme nejdříve integrál analyticky:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 35

[ ]

( )

.5707963268,12

02

0limlim0lim

lim1

1lim

1

10

02

02

==−=

=−=−=

==+

=+

=

∞→∞→∞→

∞→∞→

∫∫

&ππ

arctgaarctgarctgaarctg

xarctgdxx

dxx

I

aaa

a

a

a

a

Page 36: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Nyní musíme vybrat vhodné rozdělení pravděpodobnosti definované na intervalu (0; ∞). Na tomto intervalu je např. definováno exponenciální rozdělení s parametrem μ = 1, exponenciální rozdělení s parametrem μ = 1, pro hustotu pravděpodobnosti tedy platí:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 36

( )( ) .jinde0

,0 pro

=>= −

xf

xexf x

Page 37: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Upravme integrál do tvaru:

( )( ) ( ).

1 kde

,1

1

1

1

*

02

02

xg

dxexe

dxe

e

xI x

xx

x

=

⋅+⋅

=⋅+

=∞

−−

∫∫

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 37

( ) ( ).1

1 kde

2*

xexg

x +⋅= −

Page 38: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Nyní postupujeme následujícím způsobem:

1) Generujeme hodnoty xi exponenciálního rozdělení s parametrem μ = 1. Můžeme např. použít vztah získaný metodou inverzní použít vztah získaný metodou inverzní transformace:

kde ri je náhodné číslo rovnoměrně rozdělené v intervalu (0; 1) (funkce NÁHČÍSLO).

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 38

,lnln

ii

i rr

x −=−=µ

Page 39: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

2) Vypočítáme hodnoty .

3) Spočítáme aritmetický průměr hodnot , neboť platí:

( )ixg *

( )ixg *

( ).1 *∑⋅≈n

ixgI

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 39

( ).1∑

=

⋅≈i

ixgn

I

Počet realizovaných

pokusů

Stanovený odhad

hodnoty π

100 1,36607

1000 1,65984

65534 1,47983

5707963268,1=&I

Page 40: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Seznámili jsme se se základními principy metody Monte Carlo, nyní nás bude zajímat, jaká je přesnost odhadu metodou MonteCarlo.Carlo.

• Uvažujme přístup založený na geometrické pravděpodobnosti. Při tomto přístupu realizujeme náhodný pokus, při kterém může nastat buď úspěch nebo neúspěch.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 40

Page 41: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Jedná se tedy o Bernoulliho pokusy (nezávislé pokusy mající pouze dva možné výsledky –úspěch a neúspěch, pravděpodobnost úspěchu v každém pokusu je konstantní), kdy neznáme pravděpodobnost úspěchu, ale neznáme pravděpodobnost úspěchu, ale chceme ji na základě experimentu stanovit.

• Zaveďme proměnnou δi, která v případě úspěchu nabude hodnoty 1 a v případě neúspěchu hodnoty 0.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 41

Page 42: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo• Definujme proměnnou M:

kde n je počet realizovaných pokusů. Proměnná M se řídí binomickým rozdělením; pro pravděpodobnost, že v n pokusech

,1∑

=

=n

iiM δ

pro pravděpodobnost, že v n pokusech nastane právě m úspěchů, platí:

kde 0 < p < 1 je pravděpodobnost úspěchu.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 42

( ) ( ) ,1 mnm ppm

nmMP −−⋅⋅

==

Page 43: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Pro střední hodnotu a rozptyl binomické náhodné proměnné platí:

• Uvažujme nyní proměnnou Z vlastností

( ).1, ppnDMpnEM −⋅⋅=⋅=

.M• Uvažujme nyní proměnnou Z vlastností

střední hodnoty a rozptylu plyne:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 43

.n

M

( ) ( ).

11

11

,11

22 n

ppppn

nDM

nn

MD

ppnn

EMnn

ME

−⋅=−⋅⋅⋅=⋅=

=⋅⋅=⋅=

Page 44: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Při dalším odvozování použijeme Čebyševovunerovnost:

Nechť X je náhodná proměnná s libovolným, obecně neznámým rozdělením, s konečnou obecně neznámým rozdělením, s konečnou střední hodnotou EX a rozptylem DX. Potom pro libovolně malé ε > 0 platí:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 44

( ) .12ε

ε DXEXXP −≥<−

Page 45: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Položme a dosaďme do Čebyševovy

nerovnosti odvozené vztahy pro an

MX =

n

ME :

n

MD

( ),

11

2εε

⋅−⋅−≥

<−n

ppp

n

MP

tato nerovnost je nazývána Bernoullihonerovnost.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 45

,12ε

ε⋅

−≥

<−n

pn

P

Page 46: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo• Bernoulliho nerovnost můžeme zjednodušit na

základě skutečnosti, že:

potom dostaneme:

( ) ,4

11 ≤−⋅ pp

• Z tohoto vztahu plyne, že pro n → ∞ se veličina (tedy relativní četnost úspěchu) blíží pravděpodobnosti úspěchu p.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 46

.4

11

2εε

⋅−≥

<−n

pn

MP

n

M

Page 47: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Označme nyní pravděpodobnost, že absolutní odchylka veličiny od pravděpodobnosti

úspěchu p bude menší než předem stanovená maximálně přípustná chyba ε jako spolehlivost

n

M

maximálně přípustná chyba ε jako spolehlivost odhadu 1 – α, tedy:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 47

.1 αε −=

<− pn

MP

Page 48: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo• Potom můžeme psát:

kde α je hladina významnosti. Tato nerovnost vyjadřuje vztah mezi počtem pokusů n, maximálně přípustnou chybou ε a

,4

111

2εα

⋅−≥−

n

maximálně přípustnou chybou ε a spolehlivostí odhadu 1 – α. Ze vztahu plyne, že chceme-li docílit při odhadu pravděpodobnosti p pomocí relativní četnosti co nejmenší chyby a co největší spolehlivosti odhadu, musíme počet pokusů zvyšovat.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 48

n

M

Page 49: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Pro konkrétní hodnoty α a ε potom pro horní hranici počtu pokusů dostáváme:

.4

12 αε ⋅

≤n

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 49

Page 50: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Př. 4: Stanovte horní hranici počtu pokusů při odhadu hodnoty π geometrickou metodou pro hladinu významnosti α = 0,05 a maximální přípustnou chybu ε1 = 0,1, resp. ε2 = 0,01.přípustnou chybu ε1 = 0,1, resp. ε2 = 0,01.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 50

.0005005,001,04

1

,50005,01,04

1

22

21

=⋅⋅

=⋅⋅

n

n

Page 51: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Vztah pro výpočet horní hranice počtu pokusů získaný na základě Čebyševovy nerovnosti ovšem dává značně vysoké hodnoty počtu pokusů. Pokusme se nyní vyjádřit přesnější pokusů. Pokusme se nyní vyjádřit přesnější odhad pro počet pokusů n založeném na centrální limitní větě.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 51

Page 52: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Definovali jsme si náhodnou proměnnou M, která vyjadřuje počet úspěšných pokusů při nrealizacích. Řekli jsme, že tato proměnná se řídí binomickým rozdělením a pro její střední řídí binomickým rozdělením a pro její střední hodnotu a rozptyl platí:

kde n a p jsou parametry rozdělení.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 52

( ),1, ppnDMpnEM −⋅⋅=⋅=

Page 53: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo• Zaveďme si nyní náhodnou proměnnou η

definovanou vztahem:

• Pro tuto veličinu bylo dokázáno (Moivreova-

( ) .1 ppn

pnM

DM

EMM

−⋅⋅⋅−=−=η

• Pro tuto veličinu bylo dokázáno (Moivreova-Laplaceova věta), že pro n → ∞ platí:

Veličina η má tedy asymptoticky normované normální rozdělení.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 53

( ) ( ).1;01

Nppn

pnM →−⋅⋅⋅−=η

Page 54: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

f(x)

α α

α−1

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 54

x

0

2 2

21

2

αα −−= zz

21

α−z

Page 55: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Na základě obrázku můžeme psát:

( )1 221

21

2

αααα

φφ αααα

−=− +−=

=

=

<

−⋅⋅⋅−<

−−zzz

ppn

pnMzP

kde z označuje kvantil normovaného rozdělení pravděpodobnosti, α je hladina významnosti a symbol Ф vyjadřuje distribuční funkci normovaného rozdělení.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 55

.122

1 αααα −=−

+−=

Page 56: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Upravme dále levou část výrazu:

( ) ( )11 21

21

21

2

=

<

−⋅⋅⋅−<−=

<

−⋅⋅⋅−<

−−− αααα zppn

pnMzPz

ppn

pnMzP

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 56

( ) ( )

( ).

1

11

21

21

21

⋅−⋅<−=

=

<−⋅⋅

⋅−

=

<

−⋅⋅⋅−=

−−

α

αα

zn

ppp

n

MP

z

n

ppnn

pnM

Pzppn

pnMP

Page 57: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Výraz označme jako ε a vyjadřuje

maximální přípustnou chybu. Potom můžeme psát:

pn

M −

( )−⋅

z čehož úpravami získáme:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 57

( ),

1

21

αε−

⋅−⋅< zn

pp

( ).

4

1 resp.,

1 2

212

2

212 αα εε −−

⋅<⋅−⋅< znzpp

n

Page 58: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Př. 5: Stanovte horní hranici počtu pokusů při odhadu hodnoty π geometrickou metodou pro hladinu významnosti α = 0,05 a maximální přípustnou chybu ε1 = 0,1, resp. ε2 = 0,01.přípustnou chybu ε1 = 0,1, resp. ε2 = 0,01.

• Nejdříve musíme stanovit hodnotu příslušného kvantilu. Z tabulek dostaneme:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 58

.96,1975,0

21

==−

&zz α

Page 59: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Nyní již můžeme přistoupit k výpočtu odhadu horní hranice počtu potřebných pokusů:

1

,9696,11,04

1 221 =⋅

⋅<n &

• Srovnáme-li dosažené výsledky, tak vidíme, že dostáváme mnohem nižší horní hranice počtu pokusů než při výpočtu pomocí Čebyševovynerovnosti.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 59

.960496,101,04

1 222 =⋅

⋅<n

Page 60: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo• V případě, že stanovujeme odhad pomocí

střední hodnoty, lze ke stanovení horní hranice počtu pokusů použít následující postup.

• Uvedli jsme si, že v tomto případě stanovujeme odhad hledané hodnoty jako stanovujeme odhad hledané hodnoty jako aritmetický průměr realizací nezávislých náhodných proměnných X1,…, Xn majících stejné rozdělení se střední hodnotou EX1 = … = = EXn = μ a rozptylem DX1 = … = DXn = σ2.

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 60

Page 61: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Z centrální limitní věty plyne, že veličina má pro n → ∞ asymptoticky normální rozdělení, tedy:

X

2 ∑ Xn

i σ

• Potom musí zřejmě platit (standardizace normálního rozdělení):

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 61

.;2

1

→=

∑=

nN

nX i

i σµ

( ).1;02

N

n

X →−σ

µ

Page 62: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo

• Musí tedy analogicky jako v předchozím případě platit:

.111

αφφσ

µαααα −=

=

<⋅−<

−−zzzn

XzP

• Upravme analogicky pravou stranu výrazu:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 62

221

21

2 σ

−−

.2

1

21

21

2

⋅<−=

=

<⋅−=

<⋅−<

−−

α

ααα

σµ

σµ

σµ

zn

XP

znX

PznX

zP

Page 63: Úvod do metody MonteCarlo - homel.vsb.czhomel.vsb.cz/~dor028/Aplikace_5.pdf · Metoda MonteCarlo • Samotná metoda MonteCarlobyla formulována a prakticky použita J. von Neumannem

Metoda Monte Carlo• Položíme-li , potom dostaneme:

z čehož úpravami získáme:

εµ =−X

,2

σε−

⋅< zn

.2

12

2

αεσ

−⋅< zn

• Jelikož v praxi zpravidla rozptyl neznáme, proto ho nahradíme jeho odhadem –výběrovým rozptylem s2:

Ing. Michal Dorda, Ph.D. 63

212 αε −

.2

212

2

αε −⋅< z

sn