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1_随机模拟与蒙特卡洛方法
1_随机模拟与蒙特卡洛方法随机模拟是一种通过生成随机数来模拟现实世界情况的方法。
它广泛应用于各个领域，包括金融、工程、物理学等。
蒙特卡洛方法是一种基于随机模拟的数值计算方法，它通过大量的随机抽样来估计复杂系统的行为，并求解数值上难以解析的问题。
在本文中，我们将介绍随机模拟与蒙特卡洛方法的原理和应用，以及如何使用Python来实现这些方法。
一、随机模拟的原理随机模拟是一种通过生成随机数来模拟现实世界情况的方法。
在进行随机模拟时，我们可以通过选择不同的概率分布来生成随机数，然后根据这些随机数的取值来模拟不同的情况。
例如，在金融领域，可以使用正态分布来模拟股票价格的波动；在物理学中，可以使用均匀分布来模拟粒子的运动。
二、蒙特卡洛方法的原理蒙特卡洛方法是一种基于随机模拟的数值计算方法，它通过大量的随机抽样来估计复杂系统的行为，并求解数值上难以解析的问题。
在蒙特卡洛方法中，我们首先根据所要求解的问题，选择合适的概率分布来生成随机数，然后通过大量的随机抽样来获取系统的行为特征，最终得出数值解。
三、随机模拟与蒙特卡洛方法的应用随机模拟与蒙特卡洛方法在各个领域都有广泛的应用。
在金融领域，它可以用来模拟股票价格的波动，计算期权的价格；在工程领域，可以用来分析结构的稳定性，设计新的材料；在生物学领域，可以用来模拟蛋白质的折叠结构，预测分子的相互作用等。
Python是一种流行的编程语言，它提供了丰富的数学计算库和随机数生成函数，非常适合实现蒙特卡洛方法。
下面我们以计算π的近似值为例，介绍如何使用Python实现蒙特卡洛方法。
首先，我们可以使用random模块中的random(函数来生成[0,1)之间的随机数。
通过这个随机数，我们可以模拟在[0,1)之间均匀分布的点在单位正方形内的分布情况。
```pythonimport randominside_circle = 0for _ in range(num_points):x = random.randomy = random.randomif x**2 + y**2 <= 1:inside_circle += 1pi = 4 * inside_circle / num_pointsprint(pi)```通过运行上述代码，我们可以得到π的一个近似值。
随机模拟
随机模拟（蒙特卡罗算法）一 随机模拟法随机模拟法也叫蒙特卡罗法，它是用计算机模拟随机现象，通过大量仿真试验，进行分析推断，特别是对于一些复杂的随机变量，不能从数学上得到它的概率分布，而通过简单的随机模拟就可以得到近似的解答。
M onte Carlo 法也用于求解一些非随机问题，如重积分、非线性方程组求解、最优化问题等。
需要指出的是，Monte Carlo 计算量大，精度也不高，因而主要用于求那些解析方法或常规数学方法难解问题的低精度解，或用于对其他算法的验证。
蒙特卡罗方法的基本思想是：当所求解问题是某种随机事件出现的概率，或者是某个随机变量的期望值时，通过某种“实验”的方法，以这种事件出现的频率估计这一随机事件的概率，或者得到这个随机变量的某些数字特征，并将其作为问题的解。
在解决实际问题的时候应用蒙特·卡罗方法主要有两部分工作： 用蒙特卡罗方法模拟某一过程时，需要产生各种概率分布的随机变量。
用统计方法把模型的数字特征估计出来，从而得到实际问题的数值解。
使用蒙特卡罗方法进行分子模拟计算是按照以下步骤进行的：使用随机数发生器产生一个随机的分子构型。
对此分子构型的其中粒子坐标做无规则的改变，产生一个新的分子构型。
计算新的分子构型的能量。
比较新的分子构型于改变前的分子构型的能量变化，判断是否接受该构型。
若新的分子构型能量低于原分子构型的能量，则接受新的构型。
若新的分子构型能量高于原分子构型的能量，则计算玻尔茲曼常数，同时产生一个随机数。
若这个随机数大于所计算出的玻尔兹曼因子，则放弃这个构型，重新计算。
若这个随机数小于所计算出的玻尔兹曼因子，则接受这个构型，使用这个构型重复再做下一次迭代。
如此进行迭代计算，直至最后搜索出低于所给能量条件的分子构型结束。
二 随机模拟法应用实例考虑二重积分(,)AI f x y dxdy =⎰⎰,其中(,)0,(,)f x y x y A ≥∀∈根据几何意义，它是以(,)f x y 为曲面顶点，A 为底的柱体C 的体积。
一。蒙特卡洛随机模拟
系列一蒙特卡洛随机模拟实验目的：学会用计算机随机模拟方法来解决随机性问题蒙特卡洛模拟法简介蒙特卡洛(Monte Carlo)方法是一种应用随机数来进行计算机摸拟的方法。
此方法对研究对象进行随机抽样，通过对样本值的观察统计，求得所研究系统的某些参数。
作为随机模拟方法，起源可追溯到18世纪下半叶蒲峰实验。
蒙特卡洛模拟法的应用领域蒙特卡洛模拟法的应用领域主要有：1.直接应用蒙特卡洛模拟：应用大规模的随机数列来模拟复杂系统，得到某些参数或重要指标。
2.蒙特卡洛积分：利用随机数列计算积分，维数越高，积分效率越高。
蒙特卡洛模拟法求解步骤应用此方法求解工程技术问题可以分为两类：确定性问题和随机性问题。
解题步骤如下：1.根据提出的问题构造一个简单、适用的概率模型或随机模型，使问题的解对应于该模型中随机变量的某些特征(如概率、均值和方差等)，所构造的模型在主要特征参量方面要与实际问题或系统相一致2 .根据模型中各个随机变量的分布，在计算机上产生随机数，实现一次模拟过程所需的足够数量的随机数。
通常先产生均匀分布的随机数，然后生成服从某一分布的随机数，方可进行随机模拟试验。
3.根据概率模型的特点和随机变量的分布特性，设计和选取合适的抽样方法，并对每个随机变量进行抽样(包括直接抽样、分层抽样、相关抽样、重要抽样等)。
4.按照所建立的模型进行仿真试验、计算，求出问题的随机解。
5.统计分析模拟试验结果，给出问题的概率解以及解的精度估计。
在可靠性分析和设计中，用蒙特卡洛模拟法可以确定复杂随机变量的概率分布和数字特征，可以通过随机模拟估算系统和零件的可靠度，也可以模拟随机过程、寻求系统最优参数等。
一.预备知识：1.随机数的产生提示：均匀分布U(0, 1)的随机数可由C语言或Matlab自动产生，在此基础上可产生其他分布的随机数.2.逆变换法：设随机变量U服从(0, 1)上的均匀分布，则X = F-'(U)的分布函数为F(x)步骤：(1)产生U(0J)的随机数U；②计算X = F-1(U),则X服从F(x)分布.问题：练习用此方法产生常见分布随机数例如“指数分布，均匀分布U(a,b) ”.还有其它哪种常见分布的随机数可用此方法方便产生？3.产生离散分布随机数己知离散随机变量X的概率分布:P(X = x k) = I\, (K = 1,2…)，产生随机变量X的随机数可采用如下算法：a)将区间［0.1］依次分为长度为Pi, p?,・• •的小区间L，L，・• •；b)产生［0, 1］均匀分布随机数R,若Rclk则令X = x k,重复(b),即得离散随机变量X的随机数序列.问题：(1)下表给出了离散分布X的概率分布表，试产生100个随机数(2)用此方法给出100个二项分布B(20, 0.1)的随机数及10个泊松分布P(l)的随机数.4.正态分布的抽样提示：设U］,U2是独立同分布的U(0Q变量，令X］ =(-21nU］)”2 cos(2^u2)X2 = (-21nU1)1/2 sin(2MJ2)则X.与X,独立，均服从标准正态分布.步骤：(1)由U(0J)独立抽取Ui=g=U2(2)用(*)式计算^,X2.用此方法可同时产生两个标准正忐分布的随机数问题：有关随机数产生方法很多，查阅相关材料进行系统总结.二.随机决策问题1.某小贩每天以一元的价格购进一种鲜花，卖出价为b元/束，当天卖不出去的花全部损失，顾客一天内对花的需求量是随机变量，服从泊松分布，P(X = k)=e-4—,k=0, 1, 2,...,, 其中常数;I由多口销传量的平均值来估计，问小贩每天应购进多少束鲜花?(准则:期望收入，(①最局)问题：(1)在给定b = 1.25, 2=50的值后，画出目标函数S(u)连线散点图，观察单调性，给出最优决策U*：。
MonteCarlo模拟教程
rand('seed',0.1);
rand(1) ％每次运ra行nd程('s序tat产e',s生um的(1值00*是clo相ck同)*r的and);
1901 3408
3.1415929
蒙特卡罗投点法是蒲丰投针实验的推广：
在一个边长为a的正方形内随机投点，
该点落在此正方形的内切圆中的概率 y
(a/2,a/2)
应为该内切圆与正方形的面积比值，
即 πa/22 : a2 π/4
n=10000; a=2; m=0; for i=1:n
ox
x=rand(1)*a; y=rand(1)*a;
举例
例1 在我方某前沿防守地域，敌人以一个炮排（含两门火炮） 为单位对我方进行干扰和破坏．为躲避我方打击，敌方对其阵地 进行了伪装并经常变换射击地点．
经过长期观察发现，我方指挥所对敌方目标的指示有50％是准 确的，而我方火力单位，在指示正确时，有1/3的射击效果能毁 伤敌人一门火炮，有1/6的射击效果能全部毁伤敌人火炮．
Monte Carlo 模拟
内容提纲
➢1.引言 ➢2.Monte Carlo模拟基本思想 ➢3.随机数生成函数 ➢4.应用实例举例 ➢5.排队论模拟 ➢6.Monte Carlo模拟求解规划问题
Monte Carlo方法：
引言(Introduction)
蒙特卡罗方法，又称随机模拟方法，属于计算数学的一个分支，它是在上世纪四 十年代中期为了适应当时原子能事业的发展而发展起来的。亦称统计模拟方法， statistical simulation method 利用随机数进行数值模拟的方法
蒙特卡洛随机模拟方法
蒙特卡洛随机模拟方法一、概述蒙特卡洛随机模拟方法是一种基于随机数的数值计算方法，它通过随机抽样来模拟实验过程，从而得到实验结果的概率分布。
在金融、物理、工程等领域有着广泛的应用。
二、基本思想蒙特卡洛随机模拟方法的基本思想是通过大量的随机抽样来模拟实验过程，从而得到实验结果的概率分布。
其主要步骤包括：1. 确定问题和目标：确定需要解决的问题和目标，例如计算某个事件发生的概率或者某个变量的期望值。
2. 建立模型：建立与问题相关的数学模型，并将其转化为计算机程序。
3. 生成随机数：根据所选用的分布函数生成符合要求的随机数。
4. 进行模拟实验：利用生成的随机数进行多次重复实验，并记录每次实验结果。
5. 统计分析：对多次重复实验结果进行统计分析，得到所需结果。
三、常用应用1. 金融领域中对衍生品价格进行估值；2. 工程领域中对结构可靠性进行评估；3. 物理领域中对粒子运动进行模拟；4. 生物领域中对药物作用机制进行研究。
四、具体步骤1. 确定问题和目标：首先需要明确需要解决的问题和目标，例如计算某个事件发生的概率或者某个变量的期望值。
2. 建立模型：建立与问题相关的数学模型，并将其转化为计算机程序。
例如，如果需要计算某个事件发生的概率，可以采用蒙特卡洛方法生成符合要求的随机数，并根据随机数判断事件是否发生。
如果需要计算某个变量的期望值，可以通过多次重复实验得到该变量在不同条件下的取值，并根据统计学原理计算其期望值。
3. 生成随机数：根据所选用的分布函数生成符合要求的随机数。
常见的分布函数包括均匀分布、正态分布、指数分布等。
4. 进行模拟实验：利用生成的随机数进行多次重复实验，并记录每次实验结果。
通常情况下，需要进行大量重复实验才能得到准确可靠的结果。
5. 统计分析：对多次重复实验结果进行统计分析，得到所需结果。
常见的统计分析方法包括求和、平均值、方差等。
五、优缺点1. 优点：蒙特卡洛随机模拟方法具有灵活性、精度高、适用范围广等优点，可以处理各种复杂问题，并且可以通过增加样本容量来提高精度。
蒙特卡罗方法
c3
c4 e3
c5 e4 b5 t
b1
b2 ci=ci-1+ xi ei=bi+yi bi=max(ci,ei-1)
b3
b4
[3] 模拟框图
初始化： =1， =0， 初始化：令i=1，ei-1=0，w=0
服从参数为0.1 0.1的指数分布 产生间隔时间随机数xi服从参数为0.1的指数分布 ci=xi , bi=xi 服从[4,15] [4,15]的均匀分布 产生服务时间随机数yi服从[4,15]的均匀分布 ei=bi+yi 累计等待时间： 累计等待时间：w=w+bi-ci 准备下一次服务： 准备下一次服务：i=i+1 产生间隔时间随机数xi服从参数为0.1的指数分布 服从参数为0.1 0.1的指数分布 ci=ci-1+ xi 确定开始服务时间： 确定开始服务时间：bi=max(ci,ei-1) Y bi＞480? N
unifrnd(a,b)
仿真与模拟的目的和原理
仿真和模拟可以说是针对同一内容的不同角 度的看法描述， 度的看法描述，当需要对某一问题观察研究而 相应的观察和实验时间和成本花费太高时， 相应的观察和实验时间和成本花费太高时，可 以考虑用一个模型代替原型， 以考虑用一个模型代替原型，用模型的研究达 到原型的研究的目的（以节约时间和成本）， 到原型的研究的目的（以节约时间和成本）， 这就是仿真， 这就是仿真，其在计算机上的实现过程也称为 模拟。 模拟。
i=i-1,t=w/i
输出结果：完成服务个数： 输出结果：完成服务个数：m=i 平均等待时间： 平均等待时间：t
停止
返回
To MATLAB(liti1)
停止
例2：蒙特卡罗法求π的（近似）值
物理问题的计算机模拟方法(2)—蒙特卡罗方法
第三章 随机性模拟方法—蒙特卡罗方法（MC ）§ 3.1 预备知识例：一个粒子在一个二维正方格点上跳跃运动随机行走：每一时间步上，粒子可选择跳到四个最近邻格点上的任何一个，而记不得自己来自何方；自回避行走：粒子记得自己来自什么地方，而回避同它自己的路径交叉。
随机行走的每一步的结果就是系统的一个状态，从一个状态到另一个状态的跃迁只依赖于出发的状态，这些状态形成一个序列，这就是一个马尔可夫链。
状态序列：x 0, x 1, …, x n , …已给出状态x 0, x 1, …, x n+1 的确定值，x n 出现的概率叫做条件概率 ()01,x x x -n n P 马尔可夫链的定义：如果序列x 0, x 1, …, x n , …对任何n 都有 ()()101,--=n n n n P P x x x x x 则此序列为一个马尔可夫链（或过程）。
§ 3.2 布朗动力学（BD ） 1．郎之万方程 v t R dtdvmβ-=)( 方程右边第一项为随机力，对粒子起加热作用；第二项为摩擦力，避免粒子过热。
将方程变形为：dt mvt R dt m v dv )(+-=β 于是，解可写为：])0()(11[)0( )0()(0)()(10⎰+≈⎰=---tt mt md v R m tm d ev R m ev eev t v tττββτττβ⎰+≈---t m t t md Re m ev 0)()(1)0( ττβτβ当随机力R(t)服从高斯分布时，上述方程的解描述的即为布朗运动，于是，布朗运动问题就化为在一些补充条件下求解郎之万方程，即⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧><=>=<>=<=+><--)( 2)()(2)0()(,0)()(222/2/12高斯分布R R B e R R P t T k R t R t R m t R m v dt dv πδββ 注：)()()(t t q t R t R '->='<δ 表示随机力R 在t 和t ’时刻没有关联, q 为噪声强度。
蒙特卡洛类方法
蒙特卡洛类方法
蒙特卡洛方法是一类随机化的计算方法，主要应用于求出高维度空间中的定积分或概率分布的特性。
该方法以随机样本为基础，通过大量生成且符合某种分布律的随机数，从中抽取样本，利用样本的统计性质来计算近似解。
常见的蒙特卡洛方法包括：
1.随机模拟法
在数学建模、广告投放、经济预测等领域，随机模拟（也称蒙特卡罗方法）已经成为了一个重要的工具。
其基本思想是，系统表现出的某些规律和性质可以用随机过程进行模拟和预测。
2.随机游走算法
随机游走是一种基于随机过程的数值计算算法，通过简单的偏随机移动来解决复杂问题，被广泛应用于物理、化学、生物学、金融等领域。
随机游走算法的核心思想是通过随机漫步遍历所有可能的状态，找到最终解。
3.马尔可夫链蒙特卡罗方法
马尔可夫链蒙特卡罗方法（MCMC）是一种近似随机模拟算法，用于计算高维空间中的积分和概率分布。
这种方法通过构造一个马尔可夫链来模拟复杂的概率
分布，并通过观察链的过程来获得所求的统计量。
4.重要性采样
重要性采样是一种通过迭代抽样来估算积分值或概率分布的方法。
它的基本思想是利用不同的概率分布来采样目标分布中的样本，从而增加目标分布中采样到重要样本的概率，从而提高采样的效率。
总之，蒙特卡洛方法在物理学、统计学、金融学、计算机科学、生物科学等众多领域都有广泛的应用，是一种很实用的工具。