Založ si blog

Metóda Monte Carlo

Náhoda hrá vo vede významnú úlohu. Mnohé dôležité objavy boli objavené na základe náhodných okolností. Niektoré sú možno iba mytologizáciou skutočnosti napríklad objav Archimedovho zákona a údajný beh nahého Archimeda Syrakúzami vykrikujúceho Heuréka! alebo Pád jablka na hlavu Newtona. Mnohé iné sa určite stali napríklad Flemingov objav penicilínu. Vo všetkých týchto prípadoch však popri náhode bolo dôležité, že príslušný vedec mal adekvátne vedomosti a tvorivú myseľ a tak hoci predtým tisíckam ľudí padli jablká či hrušky na hlavu, až Newton si dal veci do súvisu a prišiel na to, že rovnaká sila udržiava planéty okolo Slnka a Mesiac okolo Zeme, aká pôsobí na padajúce jablko, stovky vedcov mali neumyté misky a iba ich umyli, pričom si nevšimli žiadnu anomáliu až Fleming aj pri umývaní misiek premýšľal. Keď môže byť náhoda alebo omyl čas od času príčinou pokroku, stojí za úvahu, či neskúmať niektoré prírodné javy pomocou využitia náhody.

Pravdepodobne ste sa stretli s tým, že programovacie jazyky zvyknú mať funkciu, ktorá generuje pseudonáhodné čísla.  Dali by sa takto generované čísla využiť pri skúmaní prírodných javov? Podobnú otázku si asi prví položili  Stanisław Marcin Ulam a John von Neumann, ktorí sa podieľali na konštrukcii americkej atómovej bomby. V Los Alamos skúmali správanie sa neutrónov, skúmali napríklad koľko neutrónov prejde rôznymi druhmi materiálov. V tom čase vedci nevedeli navrhnúť adekvátnu teóriu, ktorá by predpovedala, ako sa budú neutróny správať. Využitím metódy Monte Carlo,  pomocou vtedajších z dnešného pohľadu primitívnych a pomalých počítačov problém elegantne vyriešili.

Predchodcom metódy Monte Carlo bola Buffonova ihla – pomocou hádzania ihly na linajkovaný papier sa experimentálne dá odhadnúť číslo \pi. Keď vzdialenosť medzi riadkami je rovnako veľká ako dĺžka ihly, dá sa matematicky dokázať, že pravdepodobnosť toho, že ihla pretne linajku je \cfrac{2}{\pi}. Ak ihlu hodíme npríklad tisíckrát a zaznamenáme, koľkokrát pretla linajku, môžeme približne odhadnúť hodnotu čísla \pi.

Odhad čísla \pi metódou Monte Carlo

Nakreslime kruh s priemerom r. Generujme náhodné čísla x a y tak, aby boli z intervalu -r a r. Nakreslime modrý bod, ak súradnice vygenerovaného bodu budú mimo kruh a červený bod, ak budú v kruhu. Keďže obsah kruhu je S_1=\pi\cdot r^2 a obsah štvorca je S_2=(2\cdot r)^2, pravdepodobnosť toho, že vygenerovaný bod padol do kruhu bude p=\cfrac{S_1}{S_2}, potom p=\cfrac{\pi \cdot r^2}{4\cdot r^2} a teda

p=\cfrac{\pi}{4}

\pi=4\cdot p

Ak urobíme dostatočne veľký počet pokusov, to čo nameriame sa veľmi blíži pravdepodobnosti, takže možno číslo \pi odhadnúť ako pomer počtu bodov, ktoré boli v kruhu, ku celkovému vygenerovanému počtu bodov.

\pi\approx\cfrac{4k}{n}, kde k – je počet bodov v kruhu a n – je počet všetkých vygenerovaných bodov.

 

V programovacom jazyku Imagine som naprogramoval odhad Ludolfovho čísla Metódou Monte Carlo. Vznikajú pritom celkom zaujímavé priam umelecké obrázky (keď kliknete na obrázok, zväčší sa):

montecarlo

V tomto behu programu bolo vygenerovaných 100000 bodov a Ludolfovo číslo bolo odhadnuté na 3.14716, čo je celkom dobrý odhad, keďže jeho skutočná hodnota na prvých piatich desatinných miestach je 3.14159.

Takto možno veľmi rýchlo odhadnúť plochu alebo objem ľubovoľných geometrických útvarov, ktoré inými matematickými metódami síce možno zistiť omnoho presnejšie, ale často s natoľko zložitým matematickým aparátom, že je pohodlnejšie použiť metódu Monte Carlo, ak nepotrebujeme veľmi presný výsledok. Chyba výsledku z n pokusov je úmerná \cfrac{1}{\sqrt{n}}. Čiže ak chceme zdesaťnásobiť presnosť odhadu, musíme vykonať 100 krát viac pokusov.

Z motívov Jiřího Wolkra

25.09.2017

"Láska je žena a muž, láska je chleba a nůž" Láska? Krv nehou preliata, láska nás zbaví prekliatia. Ty si môj chleba, ja som tvoj nôž, viem čo ti treba v spletenci nôh. Ja vezmem si ťa viac »

Lidl rozbehol reklamnú kampaň na stroj času

04.09.2017

Mnohí politickí a cirkevní predstavitelia ostro protestovali proti reklamným letákom Lidlu, kde vraj Photoshopom boli odstránené kríže na kostoloch gréckeho ostrova Santorini. V skutočnosti viac »

Ideálna žena

24.08.2017

Pri potulkách mestom, stretávam skupinku nádherných dievčat, v ktorej väčšina, ak nie všetky, je hluchonemá. Som iba slabý muž, nikdy som ich neoslovil. Prezraďte mi: "Ako?" Takmer vždy pociťujem viac »

trump, alabama, obamacare

Sedieť alebo kľačať počas hymny na americkom futbale? Neprípustné, tvrdí Trump

25.09.2017 21:57

Viac ako dvesto hráčov NFL v zápasoch tohto kola pri hymne sedelo, kľačalo alebo sa modlilo. Podľa Trumpa by malo byť státie v pozore povinné a ak to niekto nedodrží, klub by ho mal vyhodiť.

pendolino, vlak

Česi predstavili Slovákom vynovené pendolino

25.09.2017 20:00

Interiér rýchlovlaku pendolino, ktorý zabezpečuje spojenie medzi Prahou a Košicami, České dráhy výrazne obnovili.

kim, trump

Nevyhlásili sme vám vojnu, odkazuje Biely dom do Pchjongjangu

25.09.2017 19:37, aktualizované: 23:16

O tom, že USA vyhlásili Pchjongjangu vojnu, hovoril severokórejský minister zahraničných vecí. Podľa Washingtonu však ide len o dezinterpretáciu.

putin

Rusko porušuje na Kryme ľudské práva, mieni OSN

25.09.2017 18:49

Podľa misie OHCHR krajina porušuje ľudské práva vnútením ruského občianstva tamojším obyvateľom a úmyselným presúvaním stoviek väzňov a zadržaných ľudí do ruských väzníc.

Tibor Menyhért

Tak dlho sa hádali na maličkostiach, až z toho bola veličkosť

Štatistiky blogu

Počet článkov: 132
Celková čítanosť: 129408x
Priemerná čítanosť článkov: 980x

Autor blogu

Kategórie