八叶一刀·无仞剑

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蒙特卡洛积分法(一)

Posted on 2020-01-02 20:30  闪之剑圣  阅读(6762)  评论(0编辑  收藏  举报

今天我们来讲一节数学课:蒙特卡洛积分
一般在工程实践中,面对的函数千变万化,我们很难直接计算得出某个函数的积分的解析解。为了求解函数积分的数值解,蒙特卡洛法是一种强大的积分方法。它的推导过程如下:
假设我们想去求得函数g的积分,首先根据大数定理,任意给定一个实数函数f和随机变量x~p(x),可以得到:

令g=fp,代换上式可得:

它的期望值为:

也就是说,当N取的足够大时,结果将无限逼近解析积分。
综上所述,蒙特卡洛方法是一种可以近似计算任意函数积分的数值方法。它的计算分为以下步骤:
1.对一个满足某种概率分布的随机数进行抽样
2.使用该抽样计算g(x)/p(x)的值,作为样本
3.最后对所有的样本累加求平均

写了一段代码来验证一下sin(x)在[0,pi]区间的积分,采用均匀分布:

import random
import math
count = 10000
sum = 0.0
pi = 3.14159265
for i in xrange(count):
	p = 1.0 / pi
	x = random.uniform(0.0, pi)
	sum += math.sin(x)/p
sum /= count
print sum
print math.cos(0) - math.cos(pi)

解析解为2,数值解为1.98730395714,可以说是很接近了。
用蒙特卡洛积分法求积分涉及到两个问题:1.如何对一个任意分布函数进行抽样; 2.如何减少方差,我们之后会对它进一步探讨。