蒙特卡罗方法的计算程序
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。
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。
蒙特卡罗方法
蒙特卡罗方法一、蒙特卡罗方法概述蒙特·卡罗方法（Monte Carlo method ），也称统计模拟方法，是二十世纪四十年代中期由于科学技术的发展和电子计算机的发明，而被提出的一种以概率统计理论为指导的一类非常重要的数值计算方法。
是指使用随机数（或更常见的伪随机数）来解决很多计算问题的方法。
与它对应的是确定性算法这种方法作为一种独立的方法被提出来，并首先在核武器的试验与研制中得到了应用。
蒙特卡罗方法是一种计算方法，但与一般数值计算方法有很大区别。
它是以概率统计理论为基础的一种方法。
由于蒙特卡罗方法能够比较逼真地描述事物的特点及物理实验过程，解决一些数值方法难以解决的问题，因而该方法的应用领域日趋广泛。
蒙特·卡罗方法在金融工程学，宏观经济学，计算物理学(如粒子输运计算、量子热力学计算、空气动力学计算)等领域应用广泛。
1．历史起源蒙特卡罗方法于20世纪40年代美国在第二次世界大战中研制原子弹的“曼哈顿计划”计划的成员S.M.乌拉姆和J.冯·诺伊曼首先提出。
数学家冯·诺伊曼用驰名世界的赌城—摩纳哥的Monte Carlo —来命名这种方法，为它蒙上了一层神秘色彩。
在这之前，蒙特卡罗方法就已经存在。
1777年，法国Buffon 提出用投针实验的方法求圆周率∏。
这被认为是蒙特卡罗方法的起源。
2. 蒙特卡罗方法的基本思想二十世纪四十年代中期，由于科学技术的发展和电子计算机的发明，蒙特卡罗方法作为一种独立的方法被提出来，并首先在核武器的试验与研制中得到了应用。
但其基本思想并非新颖，人们在生产实践和科学试验中就已发现，并加以利用。
当所求问题的解是某个事件的概率，或者是某个随机变量的数学期望，或者是与概率、数学期望有关的量时，通过某种试验的方法，得出该事件发生的频率，或者该随机变量若干个具体观察值的算术平均值，通过它得到问题的解。
这就是蒙特卡罗方法的基本思想。
当随机变量的取值仅为1或0时，它的数学期望就是某个事件的概率。
数学建模算法之蒙特卡罗方法——原理编程及应用
数学建模算法之蒙特卡罗方法——原理编程及应用蒙特卡罗方法是一种基于随机数的数学建模算法，它在估计和模拟复杂的数学问题时非常有用。
蒙特卡罗方法的原理是通过随机抽样来进行近似计算，然后使用统计学方法来分析和推断结果。
蒙特卡罗方法的核心思想是通过进行大量的随机样本实验，来估计问题的解或者概率。
它的基本过程如下：1.问题建模：将要解决的问题转化为数学模型，并明确需要估计的量。
2.随机抽样：根据问题的性质和要求，设计合适的随机抽样方法，生成大量的随机样本。
3.计算估计量：对每个样本，将其代入数学模型，计算得到估计量的值。
4.统计分析：对所有样本的估计量进行统计分析，包括计算均值、方差等。
5.结果解释：根据统计分析的结果，得出对问题的估计值和置信区间。
蒙特卡罗方法的一个重要特点是可以处理复杂的问题，因为需要进行大量的随机实验。
它广泛应用于科学研究、金融决策、工程设计等领域。
下面以两个实际应用为例介绍蒙特卡罗方法的具体编程和应用。
实例一：估计π的值蒙特卡罗方法可以用来估计π的值。
其基本思路是以原点为中心，边长为2的正方形内切一个以原点为圆心的半径为1的圆，通过生成大量的随机点，并统计落在圆内的点的个数来估计圆的面积，然后根据面积比例来估计π。
编程步骤如下：1.生成随机点：生成大量的随机点，均匀分布在正方形内。
2.判断点位置：判断每个点是否落在圆内，即判断点的横坐标和纵坐标的平方和是否小于13.统计结果：统计圆内的点的个数。
4.计算面积和π的估计值：根据圆内点的个数，计算圆的面积和π的估计值。
实例二：金融风险分析蒙特卡罗方法可以用于金融风险分析，例如估计一些投资组合的回报率和风险。
编程步骤如下：1.生成随机数：生成符合历史回报率的随机数序列，代表不同的投资回报率。
2.计算投资回报率：根据生成的随机数序列，计算投资组合的回报率。
3.重复实验：重复上述步骤多次，生成多个投资回报率的样本。
4.统计分析：对多个投资回报率样本进行统计分析，计算均值、方差等指标。
数字石大蒙特卡罗方法
数字石大蒙特卡罗方法数字石大蒙特卡罗方法（Monte Carlo simulation）是一种通过随机抽样的方法，来模拟复杂系统行为的数学方法。
这种方法最初是在二战期间被开发出来，用于解决核物理的问题，后来被广泛应用于金融、统计学、计算机科学等领域。
数字石大蒙特卡罗方法的基本理念是通过模拟大量的随机事件，来估算一些系统行为或结果的概率。
这些随机事件通常是通过计算机程序随机生成的，有时也会在实验室中生成。
例如，在金融领域中，数字石大蒙特卡罗方法可以用来估算股票价格的波动，债券价格的变化等。
这种方法还可以用于分析投资组合的收益、计算实物期权等。
数字石大蒙特卡罗方法的主要步骤包括问题建模、生成随机事件、模拟问题、计算结果和分析结果等。
这些步骤需要设计合适的算法和数学模型，以便获得准确和可靠的结果。
例如，在金融领域中，计算股票价格的波动通常需要模拟众多时间步骤，每个时间步骤中根据特定的概率分布生成股票价格的变化，这个过程需要设计合适的数学模型和算法，以便获得可靠的结果。
数字石大蒙特卡罗方法的优点在于可以模拟复杂系统行为，并不依赖于针对性的数学公式和模型。
这种方法可以处理非线性、非平稳的系统，可以考虑随机因素和不确定性，有很强的适应性。
数字石大蒙特卡罗方法也可以帮助分析人员了解一个系统的全貌，以及评估不同情况下的影响。
数字石大蒙特卡罗方法的缺点在于需要消耗大量的计算资源和时间。
由于需要模拟大量的随机事件，计算复杂度往往很高，需要用到大量的计算资源，并且也需要进行有效的分析才能获得理解。
此外，数字石大蒙特卡罗方法还有一些特定的限制，例如样本大小的确定、模型的精度等等，这些都需要特别注意。
数字石大蒙特卡罗方法在金融领域得到了广泛的应用。
例如，在估值方面，数字石大蒙特卡罗方法可以用于定价金融衍生品，帮助企业进行价格定价和风险管理。
数字石大蒙特卡罗方法还可以用于评估投资组合的风险，检测投资组合在不同市场情况下的表现，以及为风险管理提供有力的支持。
蒙特卡罗方法详细讲解
蒙特卡罗方法详细讲解下面将详细介绍蒙特卡罗方法的几个重要步骤：1.问题建模：首先需要将实际问题转化为数学模型，明确需要求解的数值或概率。
例如，计算圆周率π的值可以将问题建模为在单位正方形内随机生成点，并计算落入圆内的点的比例。
2.随机数生成：通过随机数生成器产生均匀分布的随机数，这些数将作为样本用于模拟和统计分析。
随机数的质量对结果的准确性有着重要影响，因此需要选择合适的随机数生成器。
3.样本模拟：根据问题的需要，利用随机数生成的样本进行模拟。
模拟的过程可以是简单的数学计算，也可以是复杂的物理模拟。
例如，在金融领域，可以使用蒙特卡罗方法对期权的价格进行模拟计算。
4.统计分析：对模拟得到的样本进行统计分析，以得到问题的结果。
常见的统计分析包括计算样本均值、方差、协方差等。
通过统计分析可以估计出结果的概率、置信区间等。
5.结果评估：评估模拟得到的结果的准确性和可靠性。
通常可以通过增加样本数量来提高结果的准确性，也可以通过统计分析来评估结果的可靠性。
1.金融建模：蒙特卡罗方法可以用于模拟股票价格的随机波动，并计算期权的价格和风险价值。
模拟得到的结果可以帮助金融机构进行风险管理和决策分析。
2.污染传输模拟：蒙特卡罗方法可以用于模拟大气中的污染物传输路径和浓度分布，帮助环境科学家评估污染物的扩散范围和健康风险。
3.工程优化：蒙特卡罗方法可以用于优化设计参数和优化方案的评估。
通过进行大量的模拟计算，可以找到最优的设计方案和最小化的成本。
总之，蒙特卡罗方法是一种基于随机模拟和统计分析的强大计算工具。
它的优势在于处理复杂问题的能力和适用性广泛，但需要合理的问题建模、高质量的随机数生成和准确的统计分析。
通过蒙特卡罗方法，我们可以得到数值和概率分布的估计结果，并对结果的可靠性进行评估。
蒙特卡罗方法完整教程(WORD文档内附有源码)
Monte Carlo 方法法§1 概述Monte Carlo 法不同于确定性数值方法，它是用来解决数学和物理问题的非确定性的（概率统计的或随机的）数值方法。
Monte Carlo 方法（MCM ），也称为统计试验方法，是理论物理学两大主要学科的合并：即随机过程的概率统计理论（用于处理布朗运动或随机游动实验）和位势理论，主要是研究均匀介质的稳定状态。
它是用一系列随机数来近似解决问题的一种方法，是通过寻找一个概率统计的相似体并用实验取样过程来获得该相似体的近似解的处理数学问题的一种手段。
运用该近似方法所获得的问题的解in spirit 更接近于物理实验结果，而不是经典数值计算结果。
普遍认为我们当前所应用的MC 技术，其发展约可追溯至1944年，尽管在早些时候仍有许多未解决的实例。
MCM 的发展归功于核武器早期工作期间Los Alamos （美国国家实验室中子散射研究中心）的一批科学家。
Los Alamos 小组的基础工作刺激了一次巨大的学科文化的迸发，并鼓励了MCM 在各种问题中的应用[2]-[4]。
“Monte Carlo ”的名称取自于Monaco （摩纳哥）内以赌博娱乐而闻名的一座城市。
Monte Carlo 方法的应用有两种途径：仿真和取样。
仿真是指提供实际随机现象的数学上的模仿的方法。
一个典型的例子就是对中子进入反应堆屏障的运动进行仿真，用随机游动来模仿中子的锯齿形路径。
取样是指通过研究少量的随机的子集来演绎大量元素的特性的方法。
例如，)(x f 在b x a <<上的平均值可以通过间歇性随机选取的有限个数的点的平均值来进行估计。
这就是数值积分的Monte Carlo 方法。
MCM 已被成功地用于求解微分方程和积分方程，求解本征值，矩阵转置，以及尤其用于计算多重积分。
任何本质上属随机组员的过程或系统的仿真都需要一种产生或获得随机数的方法。
这种仿真的例子在中子随机碰撞，数值统计，队列模型，战略游戏，以及其它竞赛活动中都会出现。
实施蒙特卡罗法有三个主要步骤
实施蒙特卡罗法有三个主要步骤：（1）构造或描述概率过程。
对于本身就具有随机性质的问题，如粒子输运问题，主要是正确描述和模拟这个概率过程；对于本来不是随机性质的确定性问题，比如计算定积分，就必须事先构造一个人为的概率过程，它的某些参量正好是所要求问题的解，即要将不具有随机性质的问题转化为随机性质的问题。
（2）实现从已知概率分布抽样。
构造了概率模型以后，由于各种概率模型都可以看作是由各种各样的概率分布构成的，因此产生已知概率分布的随机变量（或随机向量），就成为实现蒙特卡罗方法模拟实验的基本手段，这也是蒙特卡罗方法被称为随机抽样的原因。
最简单、最基本、最重要的一个概率分布是（0，1）上的均匀分布（或称矩形分布）。
随机数就是具有这种均匀分布的随机变量，随机数序列就是具有这种分布的总体的一个简单子样，也就是一个具有这种分布的相互独立的随机变数序列。
产生随机数的问题，就是从这个分布的抽样问题。
在计算机上，可以用物理方法产生随机数，但价格昂贵，不能重复，使用不便。
另一种方法是用数学递推公式产生，这样产生的序列，与真正的随机数序列不同，所以称为伪随机数，或伪随机数序列。
不过经过多种统计检验表明，它与真正的随机数或随机数序列具有相似的性质，因此可把它作为真正的随机数来使用。
从已知分布随机抽样有多种方法，与从（0，1）上均匀分布抽样不同，这些方法都是借助于随机序列来实现的，也就是说，都是以产生随机数为前提的。
由此可见，随机数是我们实现蒙特卡罗模拟的基本工具。
（3）建立各种估计量。
一般来说，构造了概率模型并能从中抽样后，即实现模拟实验后，我们就要确定一个随机变量，作为所要求的问题的解，我们称它为无偏估计量。
建立各种估计量，相当于对模拟实验的结果进行考察和登记，从中得到问题的解。
与其他的数值计算方法相比，蒙特卡罗方法有这样几个优点：（1）收敛速度与问题维数无关，换句话说，要达到同一精度，用蒙特卡罗方法选取的点数与维数无关，计算时间仅与维数成正比例。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
关于蒙特卡罗方法的计算程序已经有很多，如：EGS4、FLUKA、ETRAN、ITS、MCNP、GEANT 等。
这些程序大多经过了多年的发展，花费了几百人年的工作量。
除欧洲核子研究中心（CERN）发行的GEANT主要用于高能物理探测器响应和粒子径迹的模拟外，其它程序都深入到低能领域，并被广泛应用。
就电子和光子输运的模拟而言，这些程序可被分为两个系列：1．EGS4、FLUKA、GRANT
2．ETRAN、ITS、MCNP
这两个系列的区别在于：对于电子输运过程的模拟根据不同的理论采用了不同的算法。
EGS4和ETRAN分别为两个系列的基础，其它程序都采用了它们的核心算法。
ETRAN(for Electron Transport)由美国国家标准局辐射研究中心开发，主要模拟光子和电子，能量范围可从1KeV到1GeV。
ITS(The integrated TIGER Series of Coupled Electron/Photon Monte Carlo Transport Codes )是由美国圣地亚哥（Sandia）国家实验室在ETRAN的基础上开发的一系列模拟计算程序，包括TIGER 、CYLTRAN 、ACCEPT等，它们的主要差别在于几何模型的不同。
TIGER研究的是一维多层的问题，CYLTRAN研究的是粒子在圆柱形介质中的输运问题，ACCEPT是解决粒子在三维空间输运的通用程序。
NCNP(Monte Carlo Neutron and Photo Transport Code)由美国橡树林国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)开发的一套模拟中子、光子和电子在物质中输运过程的通用MC 计算程序，在它早期的版本中并不包含对电子输运过程的模拟，只模拟中子和光子，较新的版本（如MCNP4A）则引进了ETRAN，加入了对电子的模拟。
FLUKA 是一个可以模拟包括中子、电子、光子和质子等30余种粒子的大型MC计算程序，它把EGS4容纳进来以完成对光子和电子输运过程的模拟，并且对低能电子的输运算法进行了改进。