Сутність методу Монте-Карло полягає в наступному: потрібно знайти значення адеякої досліджуваної величини. З цією метою вибирають таку випадкову величину Х, математичне очікування якої дорівнює а: М (Х) = а.

Практично ж роблять так: обчислюють (розігрують) nможливих значень x i випадкової величини Х, знаходять їх середнє арифметичне

І приймають як оцінку (наближеного значення) а* шуканого числа а. Таким чином, для застосування методу Монте-Карло необхідно вміти розігрувати випадкову величину.

Нехай потрібно розіграти дискретну випадкову величину Х, тобто. обчислити послідовність її можливих значень х i (i=1,2, …), знаючи закон розподілу Х. Введемо позначення: R безперервна випадкова величина, розподілена рівномірно в інтервалі (0,1); r i (j=1,2,…) – випадкові числа (можливі значення R).

Правило: Щоб розіграти дискретну випадкову величину Х, задану законом розподілу

Х х 1 х 2 … х n

P p 1 p 2 … p n

1. Розбити інтервал (0,1) осі or на n часткових інтервалів:

?

2. Вибрати випадкове число r j. Якщо r j потрапило в частковий інтервал Δ i , то величина, що розігрується, прийняла можливе значення х i . .

Розігрування повної групи подій

Потрібно розіграти випробування, у кожному настає одне з подій повної групи, ймовірності яких відомі. Розігрування повної групи подій зводиться до розігрування дискретної випадкової величини.

Правило: Для того щоб розіграти випробування, у кожному з яких настає одна з подій А 1, А 2, …, А n повної групи, ймовірності яких р 1, р 2 …, р n відомі, достатньо розіграти дискретну величину Х з наступним законом розподілу :

P p 1 p 2 … p n

Якщо у випробуванні величина Х набула можливого значення x i =i, то настала подія А i .

Розігрування безперервної випадкової величини

Відома функція розподілу F безперервної випадкової величини Х. Потрібно розіграти Х, тобто. обчислити послідовність можливих значень x i (i=1,2, …).

А. Метод зворотних функцій. Правило 1. х i безперервної випадкової величини Х, знаючи її функцію розподілу F, треба вибрати випадкове число r i , прирівняти його функції розподілу та вирішити щодо х i отримане рівняння F(х i) = r i .



Якщо відома щільність ймовірності f(x), використовують правило 2.

Правило 2 Для того, щоб розіграти можливе значеннях i безперервної випадкової величини Х, знаючи її густину ймовірності f, треба вибрати випадкове число r i і вирішити щодо х i рівняння

або рівняння

де а – найменше кінцеве можливе значення Х.

Б. Метод суперпозиції. Правило 3 Щоб розіграти можливе значення випадкової величини Х, функція розподілу якої

F(x) = C 1 F 1 (x)+C 2 F 2 (x)+…+C n F n (x),

де F k (x) – функції розподілу (k=1, 2, …, n), З k >0, З i +З 2 +…+З n =1, треба вибрати два незалежні випадкові числа r 1 і r 2 і за випадковим числом r 1 розігрувати можливе значення допоміжної дискретної випадкової величини Z (за правилом 1):

p C 1 C 2 … C n

Якщо виявиться, що Z = k, то вирішують щодо рівняння F k (x) = r 2 .

Примітка 1. Якщо задана щільність ймовірності безперервної випадкової величини Х як

f(x)=C 1 f 1 (x)+C 2 f 2 (x)+…+C n f n (x),

де f k – щільності ймовірностей, коефіцієнти k позитивні, їх сума дорівнює одиниці і якщо виявиться, що Z = k, то вирішують (за правилом 2) щодо х i відносно або рівняння



Наближене розігрування нормальної випадкової величини

Правило. Для того, щоб наближено розіграти можливе значеннях i нормальної випадкової величини Х з параметрами а=0 і σ=1, треба скласти 12 незалежних випадкових чисел і отриманої суми відняти 6:

Зауваження. Якщо потрібно приблизно розіграти нормальну випадкову величину Z з математичним очікуванням аі середнім квадратичним відхиленням σ, то, розігравши можливе значення х i за наведеним вище правилом, знаходять можливе значення за формулою: z i =σx i +a.

5.2.2. Розігрування безперервної випадкової величини

Нехай потрібно розіграти безперервну випадкову величину Х, тобто. отримати послідовність її можливих значень x i (i= 1,2,...). При цьому функція розподілу F(X)відома.

Існує наступна теорема.

Якщо r i- випадкове число, то можливе значення x iбезперервної випадкової величини, що розігрується Хз відомою функцією розподілу F(X)відповідне r i, є коренем рівняння

Алгоритм розігрування безперервної випадкової величини :

1. Необхідно вибрати випадкове число r i .

2. Прирівняти обране випадкове число відомої функції розподілу F(X)і отримати рівняння.

3. Вирішити дане рівняння щодо x i. Отримане значення x iбуде відповідати одночасно і випадковому числу r i. та заданим законом розподілу F(X).

Приклад5.2.

Розіграти 3 можливі значення безперервної випадкової величини Х, розподіленої рівномірно в інтервалі (2; 10).

Рішення

Функція розподілу величини Хмає такий вигляд:

За умовою, a = 2, b= 10, отже,

Відповідно до алгоритму розігрування безперервної випадкової величини прирівняємо F(X)обраному випадковому числу r i.. Отримаємо звідси:

Підставимо ці числа до рівняння (5.3). Отримаємо відповідні можливі значення х :

Приклад 5.3

Безперервна випадкова величина Хрозподілено за показовим законом із відомою функцією

(x>0, параметр > 0 відомий)

Потрібно знайти формулу для розігрування можливих значень Х.

Рішення

Відповідно до алгоритму розігрування безперервної випадкової величини отримаємо рівняння

Вирішимо це рівняння щодо x i. Отримаємо:

Випадкове число r iзнаходиться в інтервалі (0, 1). Отже число (1- r i) також випадкове та належить інтервалу (0, 1). Тобто випадкові величини Rта 1 - Rрозподілено однаково, тобто. рівномірно в тому самому інтервалі (0, 1). Тому для відшукання значення x i можна скористатися більш простою формулою:

5.2.3. Розігрування випадкової величини X, нормально розподіленої

Відомо, що якщо випадкова величина Rрозподілена рівномірно в інтервалі (0, 1), то її математичне очікування М(R)= 1/2, а дисперсія D(R) = 1/12.

Складемо суму nнезалежних випадкових величин R j(j = 1,2,...n), які рівномірно розподілені в інтервалі (0, 1). Отримаємо.

Пронормуємо цю суму. Для цього знайдемо спочатку її математичне очікування та дисперсію. Відомо, що математичне очікування суми випадкових величин дорівнює сумі математичних очікувань доданків. Сума R iмістить nдоданків. Математичне очікування кожного доданка дорівнює 1/2. Отже, математичне очікування суми дорівнює:

;

Аналогічно для дисперсії суми R jотримаємо:

Звідси середнє квадратичне відхилення суми R j :

Тепер пронормуємо суму R j .

Для цього віднімемо із суми R jматематичне очікування цієї суми та розділимо на середнє квадратичне відхилення суми R j. Отримаємо

(тобто )

На підставі центральної граничної теоремитеорії ймовірностей при розподілі цієї нормованої випадкової величини прагне нормального закону з параметрами a= 0 та = 1.

При кінцевому nРозподіл можна розглядати як приблизно нормальний. Наприклад, при n= 12 отримаємо досить точне для практики наближення

Таким чином, отримуємо, що для того, щоб розіграти можливе значення x iнормальної випадкової величини Хз параметрами a= 0 і = 1, потрібно скласти 12 незалежних випадкових чисел і отриманої суми відняти 6.

Приклад 5.4.

1. Розіграти 100 можливих значень випадкової величини Хрозподіленої нормально з параметрами a= 0 та = 1.

2. Оцінити параметри розіграної випадкової величини Х.

Рішення

1. Виберемо 12 випадкових чисел розподілених рівномірно в інтервалі (0, 1) із таблиці випадкових чисел, або з комп'ютера. Складемо ці числа і від суми віднімемо 6, в результаті отримаємо:

Поступаючи аналогічним чином знайдемо інші можливі значення.

2. Виконавши необхідні розрахунки знайдемо вибіркову середню, яка є оцінкою та вибіркове середнє квадратичне відхилення, яке є оцінкою. Отримаємо:

Як бачимо, оцінки задовільні, тобто.

близько до нуля, а близько до одиниці. x i Якщо потрібно розіграти значення нормальної ненормованої випадкової величини з математичним очікуванням відмінним від нуля і відмінним від одиниці, то спочатку розігрують можливі значення

нормованої випадкової величини, а потім знаходять шукане значення за формулою

яка отримана із співвідношення:

Таблиця 5.1

Формули для моделювання випадкових величин

Позначимо рівномірно розподілену СВ інтервалі (0, 1) через R, та її можливі значення (випадкові числа) - r j .