Metody Obliczeniowe w Nauce i Technice

Podobne dokumenty
Metody probabilistyczne

Całkowanie metodą Monte Carlo

Rozdział 1. Zmienne losowe, ich rozkłady i charakterystyki. 1.1 Definicja zmiennej losowej

Zestaw 2: Zmienne losowe. 0, x < 1, 2, 2 x, 1 1 x, 1 x, F 9 (x) =

6. Zmienne losowe typu ciagłego ( ) Pole trapezu krzywoliniowego

Ważne rozkłady i twierdzenia c.d.

WYKŁADY Z RACHUNKU PRAWDOPODOBIEŃSTWA I wykład 4 Przekształcenia zmiennej losowej, momenty

Rachunek Prawdopodobieństwa MAP1181 Wydział Matematyki, Matematyka Stosowana Projekt - Czas dojazdu autobusem Opracowanie: Klaudia Karpińska

Całkowanie metodami Monte Carlo

SIMR 2017/18, Statystyka, Przykładowe zadania do kolokwium - Rozwiązania

Wstęp do Rachunku Prawdopodobieństwa, IIr. WMS

Redukcja wariancji w metodach Monte-Carlo

Literatura. Leitner R., Zacharski J., Zarys matematyki wyŝszej dla studentów, cz. III.

Statystyka i eksploracja danych

1 Wykład 4. Proste Prawa wielkich liczb, CTG i metody Monte Carlo

Jeśli wszystkie wartości, jakie może przyjmować zmienna można wypisać w postaci ciągu {x 1, x 2,...}, to mówimy, że jest to zmienna dyskretna.

Jednowymiarowa zmienna losowa

Zmienne losowe i ich rozkłady. Momenty zmiennych losowych. Wrocław, 10 października 2014

Elementy Modelowania Matematycznego Wykład 4 Regresja i dyskryminacja liniowa

Oznacza to, że chcemy znaleźć minimum, a właściwie wartość najmniejszą funkcji

Zmienne losowe. dr Mariusz Grzadziel. rok akademicki 2016/2017 semestr letni. Katedra Matematyki, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu

Kwantyle. Kwantyl rzędu p rozkładu prawdopodobieństwa to taka liczba x p. , że. Możemy go obliczyć z dystrybuanty: P(X x p.

Prawdopodobieństwo i statystyka

Rozkłady prawdopodobieństwa zmiennych losowych

Zmienne losowe. dr Mariusz Grządziel Wykład 12; 20 maja 2014

Prawdopodobieństwo i statystyka

Wykłady 14 i 15. Zmienne losowe typu ciągłego

Metoda Monte Carlo i jej zastosowania

STATYSTYKA MATEMATYCZNA ZESTAW 0 (POWT. RACH. PRAWDOPODOBIEŃSTWA) ZADANIA

Wykład 3 Jednowymiarowe zmienne losowe

Wykład 3 Momenty zmiennych losowych.

Metoda Monte Carlo. Jerzy Mycielski. grudzien Jerzy Mycielski () Metoda Monte Carlo grudzien / 10

Ilustracja metody Monte Carlo obliczania pola obszaru D zawartego w kwadracie [a,b]x[a,b]

Prawdopodobieństwo i statystyka

Przykład 1 W przypadku jednokrotnego rzutu kostką przestrzeń zdarzeń elementarnych

Wykład 3 Momenty zmiennych losowych.

Wykład z analizy danych: powtórzenie zagadnień z rachunku prawdopodobieństwa

Metody Obliczeniowe w Nauce i Technice

Statystyka Opisowa z Demografią oraz Biostatystyka. Zmienne losowe. Aleksander Denisiuk. denisjuk@euh-e.edu.pl

RACHUNEK PRAWDOPODOBIEŃSTWA WYKŁAD 3.

Prawdopodobieństwo i statystyka

Komputerowa Analiza Danych Doświadczalnych

Modelowanie rynków finansowych z wykorzystaniem pakietu R

ELEKTROTECHNIKA Semestr 2 Rok akad / ZADANIA Z MATEMATYKI Zestaw Oblicz pochodne cząstkowe rzędu drugiego funkcji:

WYKŁADY Z RACHUNKU PRAWDOPODOBIEŃSTWA I wykład 2 i 3 Zmienna losowa

Wykład 12: Warunkowa wartość oczekiwana. Rozkłady warunkowe. Mieszanina rozkładów.

Temat: BADANIE ZGODNOŚCI ROZKŁADU CECHY (EMPIRYCZNEGO) Z ROZKŁADEM TEORETYCZNYM TEST CHI-KWADRAT. Anna Rajfura 1

KURS PRAWDOPODOBIEŃSTWO

Ważne rozkłady i twierdzenia

PEWNE FAKTY Z RACHUNKU PRAWDOPODOBIEŃSTWA

Wykład 2 Zmienne losowe i ich rozkłady

Wykład 13. Zmienne losowe typu ciągłego

Mikroekonometria 5. Mikołaj Czajkowski Wiktor Budziński

Ćwiczenia 7 - Zmienna losowa i jej rozkład. Parametry rozkładu.

Ilustracja metody MONTE CARLO. obliczania całek podwójnych

Zmienne losowe skokowe

Matematyka z el. statystyki, # 3 /Geodezja i kartografia II/

Statystyka matematyczna

Wykład 12: Warunkowa wartość oczekiwana. Rozkłady warunkowe. Mieszanina rozkładów.

Modelowanie zależności. Matematyczne podstawy teorii ryzyka i ich zastosowanie R. Łochowski

Wykład 6 Estymatory efektywne. Własności asymptotyczne estym. estymatorów

Metoda największej wiarygodności

Wykład 10 Estymacja przedziałowa - przedziały ufności dla średn

Aleksander Adamowski (s1869) zmienn ą losow ą T o rozkładzie wykładniczym o średniej 5 minut.

III. ZMIENNE LOSOWE JEDNOWYMIAROWE

Rachunek Prawdopodobieństwa i Statystyka

Rachunek prawdopodobieństwa Rozdział 5. Rozkłady łączne

Biostatystyka, # 3 /Weterynaria I/

Mikroekonometria 6. Mikołaj Czajkowski Wiktor Budziński

WYKŁADY ZE STATYSTYKI MATEMATYCZNEJ wykład 7 i 8 - Efektywność estymatorów, przedziały ufności

MATEMATYKA Z ELEMENTAMI STATYSTYKI LABORATORIUM KOMPUTEROWE DLA II ROKU KIERUNKU ZARZĄDZANIE I INŻYNIERIA PRODUKCJI ZESTAWY ZADAŃ

... i statystyka testowa przyjmuje wartość..., zatem ODRZUCAMY /NIE MA POD- STAW DO ODRZUCENIA HIPOTEZY H 0 (właściwe podkreślić).

Rachunek prawdopodobieństwa Rozdział 5. Rozkłady łączne

Rachunek prawdopodobieństwa Rozdział 4. Zmienne losowe

Rozkłady i ich dystrybuanty 16 marca F X (t) = P (X < t) 0, gdy t 0, F X (t) = 1, gdy t > c, 0, gdy t x 1, 1, gdy t > x 2,

Temat: BADANIE ZGODNOŚCI ROZKŁADU CECHY (EMPIRYCZNEGO) Z ROZKŁADEM TEORETYCZNYM TEST CHI-KWADRAT. Anna Rajfura 1

1.1 Wstęp Literatura... 1

4,5. Dyskretne zmienne losowe (17.03; 31.03)

Prawdopodobieństwo i statystyka

WYKŁAD 2. Zdarzenia losowe i prawdopodobieństwo Zmienna losowa i jej rozkłady

Rozkłady zmiennych losowych

Lista 6. Kamil Matuszewski 13 kwietnia D n =

Wykład 10: Całka nieoznaczona

P (A B) = P (A), P (B) = P (A), skąd P (A B) = P (A) P (B). P (A)

Rozdział 1. Wektory losowe. 1.1 Wektor losowy i jego rozkład

Dyskretne zmienne losowe

Zawansowane modele wyborów dyskretnych

Weryfikacja hipotez statystycznych

Prawa wielkich liczb, centralne twierdzenia graniczne

LABORATORIUM Populacja Generalna (PG) 2. Próba (P n ) 3. Kryterium 3σ 4. Błąd Średniej Arytmetycznej 5. Estymatory 6. Teoria Estymacji (cz.

Estymacja przedziałowa - przedziały ufności dla średnich. Wrocław, 5 grudnia 2014

Statystyka. Wydział Zarządzania Uniwersytetu Łódzkiego

Statystyka. Wydział Zarządzania Uniwersytetu Łódzkiego

STATYSTYKA MATEMATYCZNA. rachunek prawdopodobieństwa

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii.

Temat: Zmienna losowa. Rozkład skokowy. Rozkład ciągły. Kody kolorów: Ŝółty nowe pojęcie pomarańczowy uwaga. Anna Rajfura, Matematyka

Aby przygotować się do kolokwiów oraz do egzaminów należy ponownie przeanalizować zadania

Metoda momentów i kwantyli próbkowych. Wrocław, 7 listopada 2014

Komputerowa Analiza Danych Doświadczalnych

Przykładowe zadania na egzamin z matematyki - dr Anita Tlałka - 1

Transkrypt:

Metody Obliczeniowe w Nauce i Technice 15. Obliczanie całek metodami Monte Carlo Marian Bubak Department of Computer Science AGH University of Science and Technology Krakow, Poland bubak@agh.edu.pl dice.cyfronet.pl Contributors Maciej Trzebiński Mikołaj Biel

Outline 1 Przegląd zastosowań 2 Dlaczego MC i całki? 3 Całkowanie metodą orzeł-reszka 4 Metoda podstawowa 5 Metoda średniej ważonej (importance sampling) 6 Literatura

Przegląd zastosowań Przegląd zastosowań Obliczanie całek, W fizyce - MC to uśrednianie względem zespołu; stosowana zamiast rozwiązywania deterministycznych równań ruchu (co jest uśrednianiem względem czasu); przestrzeń fazowa jest b. wielowymiarowa, Rozwiązywanie równań różniczkowych cząstkowych - przez wprowadzenie błądzenia przypadkowego, Symulacje typu transport promieniowania, Symulacje typu systemy obsługi masowej

Dlaczego MC i całki? Dlaczego MC i całki? a) X - zmienna losowa ciągła, wartości z (a, b) zgodnie z rozkładem f (x) g - ustalona funkcja y = g(x) - zmienna losowa Wart. oczekiwana Y : E{Y } = E{g(x)} = b a g(x)f (x)dx ( )

Dlaczego MC i całki? Dlaczego MC i całki? b) chcemy obliczyć całkę: I = b a h(x)dx niech f : f (x) > 0 dla x (a, b), b a f (x)dx = 1 f (x) - gęstość rozkładu pewnej zmiennej losowej przyjmującej wartości z (a, b) I = b h(x) a f (x) f (x)dx = b a g(x)f (x)dx całka postaci ( ) Obliczanie całki można zawsze przedstawić jako zagadnienie obliczania wartości oczekiwanej pewnej zmiennej losowej ciągłej. (suma szeregu - zmienna losowa dyskretna)

Całkowanie metodą orzeł-reszka Całkowanie metodą orzeł-reszka Szukamy I = 1 0 f (x)dx; 0 f (x) 1 (X, Y ) - dwuwymiarowa zmienna losowa o rozkładzie równomiernym na kwadracie: (0 x 1, 0 y 1) Prawdopodobieństwo, że (X, Y ) przyjmie wartość z zakreskowanej części rysunku jest równe tej powierzchni, czyli wartości całki I.

Całkowanie metodą orzeł-reszka Metoda N - eksperymentów: obserwacji (X, Y ) M - liczba eksperymentów, w których (X, Y ) poniżej f (x) Jeżeli obserwacje niezależne - to M ma rozkład dwumianowy P{M = m} = ( N m ) I m (1 I ) N m

Całkowanie metodą orzeł-reszka Metoda Zadanie: oszacowanie Î = M N wariancja S 2 (Î ) = 1 N Metoda: prosta, ( ) M N 1 M N łatwe uogólnienie na n-d mało efektywna

Metoda podstawowa Metoda podstawowa I = b a f (x)dx = b a h(x)g(x)dx = E{Y } g(x) - gęstość pewnej zmiennej losowej X (a, b) Np.: Y = h(x) I = (b a) b a f (x) dx, P - rozkład równomierny na (a, b) b a }{{} dp

Metoda podstawowa Metoda podstawowa Bez utraty ogólności wystarczy rozpatrywać: I = 1 0 f (x)dx = E{Y } Y = f (X ), przy czym X - zmienna losowa o rozkładzie równomiernym (0, 1) Oszacowanie E{X } - średnia z N niezależnych obserwacji: Î = 1 N n f (x i ) i=1 ( )

Metoda podstawowa Metoda podstawowa - procedura Procedura 1) wylosować x 1, x 2,..., x N wg rozkładu równomiernego na (0, 1) 2) obliczyć f (x 1 ), f (x 2 ),..., f (x N ) 3) średnia ( )

Metoda podstawowa Metoda podstawowa - wariancja Wariancja σ 2 (Î ) = σ 2 1 [ n ] f (x i ) = 1 N N N 2 σ 2 [f (x i )] = i=1 i=1 1 N σ2 [f (x)] = 1 [ 1 ] f 2 (x)dx I 2 N 0 Estymator wariancji σ 2 (Î ) = 1 N 2 f ; 2 f = 1 N 1 N [f (x i ) Î ]2 σ 2 (Î 2 ) σ 2 (Î 2 ) > 0 1 - orzeł/reszka; 2 - podstawowa i=1

Metoda średniej ważonej (importance sampling) Metoda średniej ważonej f (x) = const. - w met. podstawowej - poj. punkt to wynik dokładny stąd: f (x) - gładkie - liczba losowań - mała Met. średniej ważonej - g(x) - ciągła, x [0, 1]: 1) g(x) > 0, x [0, 1] 2) 1 0 g(x)dx = 1 3) f (x) g(x), x (0, 1) - znacznie gładsza niż f (x) 4) g(x) - dana prostym wzorem analitycznym 1, 2 - precyzyjne 3, 4 - rozmyte } warunki

Metoda średniej ważonej (importance sampling) Metoda średniej ważonej - dygresja Dygresja - sugestia, co do dobrego g(x) X - zmienna losowa, G(x) - dystrybuanta X; G(x) = P(X < x) niech G(x) - funkcja ściśle rosnąca: P[G(x) < G(x )] = P(x < x ) = G (x) }{{}}{{}}{{} η η η wniosek: Jeżeli zmienna losowa X ma ściśle rosnącą dystrybuantę G(x), to G(x) ma rozkład równomierny na (0, 1)

Metoda średniej ważonej (importance sampling) Metoda średniej ważonej - dygresja Dygresja - sugestia, co do dobrego g(x)... stąd - sposób obliczania I = 1 0 f (x)dx: 1 g 1 (x) > 0-1-sza propozycja, 2 dobór stałej - g(x) = αg 1 (x); α 1 0 g 1(x)dx = 1 3 analitycznie: G(x) = x 0 g(x )dx 4 losujemy z rozkładem równomiernym: y 1 (0, 1), i = 1,..., N 5 rozwiązujemy G(x i ) = y i x i, i = 1,..., N 6 przybliżona wartość całki: I 1 N Ni=1 f (x i )

Metoda średniej ważonej (importance sampling) Metoda średniej ważonej - dygresja Dygresja - sugestia, co do dobrego g(x)

Literatura Literatura I R. Zieliński Metody Monte Carlo WNT, 1970 S.M. Jermakow Metoda Monte Carlo i zagadnienia pokrewne PWN 1976 J.M. Hammersley, D.C. Handscomb Monte Carlo Methods 1964 J. Spanier, E.M. Gelbard Monte Carlo principles and transport problems Addison - Wesley, 1969

Literatura Literatura II K. Binder (Ed.) Monte Carlo Methods in Statistical Physics Springer - Verlag, 1979 K. Binder (Ed.) Applications of the MC Methods in Statistical Physics Springer - Verlag, 1984 K. Binder Applications of the MC Methods in Statistical Physics; Topics in Current Physics Springer - Verlag, 1987

Literatura Literatura III D.E. Knuth The Art of Computer Programming, vol. 2: Seminumerical Algorithms Addison - Wesley, 1981 M.H. Kalos, P.A. Whitlock Monte Carlo Methods Wiley, New York, 1986 P. Bratley, B.L. Fox, E.L. Schrage A Guide to Simulation Springer Verlag, New York, 1983