什么是蒙特卡罗方法

乍一听“蒙特卡罗”这个词,完全不知所云,我感到很奇怪,一个搜索算法Monte Carlo Tree Search为什么叫蒙特卡罗。
于是,就有了下面的文字。

本篇文章主要介绍MonteCarlo方法的由来,及简单的一个应用-求π的值。
下篇将会介绍:什么是Monte Carlo Tree Search算法。

蒙特卡罗方法概述

蒙特卡罗方法又称统计模拟法、随机抽样技术,是一种随机模拟方法,以概率和统计理论方法为基础的一种计算方法,是使用随机数(或更常见的伪随机数)来解决很多计算问题的方法。将所求解的问题同一定的概率模型相联系,用电子计算机实现统计模拟或抽样,以获得问题的近似解。为象征性地表明这一方法的概率统计特征,故借用赌城蒙特卡罗命名。

让我们看看蒙特卡罗赌城。


赌城夜景

赌城的标志。


Casino

赌城内部非常豪华,金碧辉煌。
赌城内部

蒙特卡罗方法的提出

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。

例子:π的计算

如何用蒙特卡罗方法计算圆周率π。正方形内部有一个相切的圆,它们的面积之比是π/4。现在,在这个正方形内部,随机产生10000个点(即10000个坐标对 (x, y)),计算它们与中心点的距离,从而判断是否落在圆的内部。如果这些点均匀分布,那么圆内的点应该占到所有点的 π/4,因此将这个比值乘以4,就是π的值。


图例1-1

图例1-2:圆面积/正方形面积

使用R语言模拟抽样10000次的结果,估计π结果如下:


图例1-3:抽样计算结果

图例1-4:R代码

图例1-5:抽检区间1-2000次后估计π的误差

从上图我们可以看出,随着抽样次数的增加,估计的π值和真实值越来越接近。

关于什么是蒙特卡罗就介绍到这里。抽样的思想已在各个领域产生深刻的影响。

参考资料

将部分参考资料列出如下,感谢前人的工作!

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