Introduction to Sequential Monte Carlo Methods

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Monte Carlo方法简介

Monte Carlo方法简介

Monte Carlo方法
Modelling water adsorption on Au(210) surfaces: II. Monte Carlo simulations
Monte Carlo方法
高分子构象的Monte Carlo模拟
Monte Carlo方法
Adsorption Mechanism and Dynamic Behavior of Water and Ethanol Molecules Inside Au Nanotubes
统计系统的热力学性质及其他物理量
No
统计性 质不变?
打印结果,结束
Monte Carlo方法
微正则系综蒙特卡罗方法 巨正则系综蒙特卡罗方法 正则系综蒙特卡罗方法 等温等压蒙特卡罗方法
MC 就是一种通过重要性抽样的方法计算统计平均值的 一种随机方法。 它基于统计力学,通过 微观可观测量的系 综平均来求算其宏观性质,
1、数学:本身已形成计算数学的一个分支; 2、粒子物理:输运问题、屏蔽问题、核武器试验分析等; 3、统计物理、化学,材料、工程各领域; 4、其它:疾病传播与免疫、系统工程与管理优化等等。
Monte Carlo方法
1% 49 %
Nicholas Metropolis (1915-1999)
49 % 1%
•分子模拟的两种主要方法:
⑴ ⑵ 分子动力学法 (MD,Molecular Dynamics) 基于粒子运动的经典轨迹 Monte Carlo法 (MC) 基于概率和统计力学
Monte Carlo方法
1.2 Monte Carlo方法的发展历史
Monte Carlo 原为地中海沿岸Monaco(摩纳哥)的一个城市 的地名, 是世界闻名的大赌场,Monte Carlo方法的随机抽样特 征在它的命名上得到了反映。

蒙特卡罗方法 (Monte Carlo simulation)教材

蒙特卡罗方法 (Monte Carlo simulation)教材

2019/4/15
Monte Carlo模拟
9
2.Monte Carlo方法简史
Stanislaw Ulam (1909-1984)
S. Ulam is credited as the inventor of Monte Carlo method in 1940s, which solves mathematical problems using statistical sampling.
1
Monte Carlo模拟
第一章 引言 (Introduction)
1. 2. 3. 4. Monte Monte Monte Monte Carlo方法 Carlo方法简史 Carlo模拟的应用 Carlo算法的主要组成部分
2019/4/15
Monte Carlo模拟
2
1.Monte Carlo方法
2019/4/15
Monte Carlo模拟
5
2.Monte Carlo方法简史 Buffon投针实验
1768年,法国数学家Comte de Buffon利用投针实验估 计的值
L
d
p
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d
2L
Monte Carlo模拟
6
2.Monte Carlo方法简史
Problem of Buffon’s needle: If a needle of length l is dropped at random on the middle of a horizontal surface ruled with parallel lines a distance d > l apart, what is the probability that the needle will cross one of the lines?

MonteCarlo(蒙特卡洛法)简介

MonteCarlo(蒙特卡洛法)简介

一个例子 --

n=1000000; m=0; t=1; for i=1:n x=1; for k=1:7 ang=pi*rand; x=x+cos(ang); if x<0 l=0; t=0; end end if x>5 & t==1 l=1; else l=0; end m=m+l; t=1; end m/n
方差削减技术
对偶变量技术(适用正态分布函数) 取一组随机数Z_i,可得模拟值C_i ,i=1,2,..n 估计值为期平均C^ 再取Z_i 的对偶Z’_i=-Z_i,再生成估计值C’^ 然后去新的平均值C*=(C^+C’^)/2 则 varC*=1/2varC^+1/2cov(C^,C’^)< 1/2varC^+ 该技术使计算更稳定
随机数的取得
如果你对随机数有更高的要求,需要自己
编辑“随机数生成器” 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) 例如在Matlab中,命令“rand()”将产生一 个(0,1)中均匀分布的随机数 你可以根据需要给随机数一个“种子”, 以求不同的数
基本思想和原理
基本思想:当所要求解的问题是某种事件出现
的概率,或者是某个随机变量的期望值时,它 们可以通过某种“试验”的方法,得到这种事 件出现的频率,或者这个随机变数的平均值, 并用它们作为问题的解。 原理:抓住事物运动的几何数量和几何特征, 利用数学方法来加以模拟,即进行一种数字模 拟实验。 它是以一个概率模型为基础,按照这个模型所 描绘的过程,通过模拟实验的结果,作为问题 的近似解。。
实现从已知概率分布抽样

蒙特卡罗(Monte Carlo)方法简介

蒙特卡罗(Monte Carlo)方法简介

蒙特卡罗(Monte Carlo)方法简介蒙特卡罗(Monte Carlo)方法简介蒙特卡罗(Monte Carlo)方法,也称为计算机随机模拟方法,是一种基于"随机数"的计算方法。

一起源这一方法源于美国在第二次世界大战进研制原子弹的"曼哈顿计划"。

Monte Carlo方法创始人主要是这四位:Stanislaw Marcin Ulam, Enrico Fermi, John von Neumann(学计算机的肯定都认识这个牛人吧)和Nicholas Metropolis。

Stanislaw Marcin Ulam是波兰裔美籍数学家,早年是研究拓扑的,后因参与曼哈顿工程,兴趣遂转向应用数学,他首先提出用Monte Carlo方法解决计算数学中的一些问题,然后又将其应用到解决链式反应的理论中去,可以说是MC方法的奠基人;Enrico Fermi是个物理大牛,理论和实验同时都是大牛,这在物理界很少见,在“物理大牛的八卦”那篇文章里提到这个人很多次,对于这么牛的人只能是英年早逝了(别说我嘴损啊,上帝都嫉妒!);John von Neumann可以说是计算机界的牛顿吧,太牛了,结果和Fermi一样,被上帝嫉妒了;Nicholas Metropolis,希腊裔美籍数学家,物理学家,计算机科学家,这个人对Monte Carlo方法做的贡献相当大,正式由于他提出的一种什么算法(名字忘了),才使得Monte Carlo方法能够得到如此广泛的应用,这人现在还活着,与前几位牛人不同,Metropolis很专一,他一生主要的贡献就是Monte Carlo方法。

蒙特卡罗方法的名字来源于摩纳哥的一个城市蒙地卡罗,该城市以赌博业闻名,而蒙特•罗方法正是以概率为基础的方法。

与它对应的是确定性算法。

二解决问题的基本思路Monte Carlo方法的基本思想很早以前就被人们所发现和利用。

早在17世纪,人们就知道用事件发生的"频率"来决定事件的"概率"。

序贯蒙特卡洛模拟法的定义

序贯蒙特卡洛模拟法的定义

序贯蒙特卡洛模拟法1. 介绍序贯蒙特卡洛模拟法(Sequential Monte Carlo Simulation),简称SMC模拟法,是一种基于蒙特卡洛方法(Monte Carlo method)的模拟技术。

它通过多次采样和迭代,逐步逼近目标分布的方法。

SMC模拟法在金融、统计学、物理学等领域有广泛的应用,能够解决很多实际问题。

2. 基本原理SMC模拟法的基本原理是利用概率重要性采样(Importance Sampling)和粒子滤波(Particle Filtering)的组合。

它的核心思想是通过一系列粒子来近似目标分布。

每个粒子都有一个权重,用来表示其对目标分布的重要性。

具体的步骤如下:2.1 初始化首先,需要初始化一组粒子。

每个粒子都从先验分布中抽样得到,并赋予相同的权重。

2.2 权重更新接下来,通过计算每个粒子的权重来更新粒子的重要性。

权重的计算是基于观测数据和模型参数的。

通常使用似然函数来度量观测数据和模型之间的匹配程度。

2.3 重采样更新过权重之后,需要对粒子进行重采样。

重采样的目的是根据粒子的权重重新生成一组粒子,以消除权重差异。

常用的重采样方法有系统重采样、残余重采样等。

2.4 参数更新对于需要估计的模型参数,可以使用贝叶斯推断的方法来更新。

通过将粒子的权重作为先验分布,观测数据作为似然函数,可以得到参数的后验分布。

2.5 迭代重复进行权重更新、重采样和参数更新这几个步骤,直到达到收敛条件为止。

每次迭代都会逐步改善目标分布的逼近效果。

3. 应用领域SMC模拟法在很多领域都有着广泛的应用,下面介绍几个主要的应用领域:3.1 金融风险管理在金融领域,SMC模拟法可以用于风险管理和衡量。

通过建立风险模型,利用大量的随机模拟来评估金融产品的风险暴露。

这对于金融机构的风险控制和资产配置非常重要。

3.2 统计推断在统计学中,SMC模拟法可用于处理复杂的贝叶斯推断问题。

通过对参数的迭代更新,可以得到模型参数的后验分布。

(Monte_Carlo)蒙特卡罗模拟

(Monte_Carlo)蒙特卡罗模拟

Monte Carlo名字的由来:
• Monte Carlo是摩纳哥(monaco)的首都,该城以赌博闻名
Nicholas Metropolis (1915-1999)
Monte-Carlo, Monaco
Monte Carlo方法的基本思想
蒙特卡罗方法,或称计算机随机模拟方法,是一种基 于‚随机数‛的计算方法。源于美国在第二次世界大战研 制原子弹的‚曼哈顿计划‛,该计划的主持人之一数学家 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。 蒙特卡罗方法的基本思想很早以前就被人们所发现和 利用。早在17世纪,人们就知道用事件发生的‚频率‛来 决定事件的‚概率‛。19世纪人们用蒲丰投针的方法来计 算圆周率π,上世纪40年代电子计算机的出现,特别是近 年来高速电子计算机的出现,使得用数学方法在计算机上 大量、快速地模拟这样的试验成为可能。
问题分析
需要模拟出以下两件事:
[1] 观察所对目标的指示正确与否 模拟试验有两种结果,每一种结果出现的概率都是1/2. 因此,可用投掷一枚硬币的方式予以确定,当硬币出现正面时为 指示正确,反之为不正确. [2] 当指示正确时,我方火力单位的射击结果情况 模拟试验有三种结果:毁伤一门火炮的可能性为1/3(即2/6), 毁伤两门的可能性为1/6,没能毁伤敌火炮的可能性为1/2(即3/6). 这时可用投掷骰子的方法来确定: 如果出现的是1、2、3三个点:则认为没能击中敌人; 如果出现的是4、5点:则认为毁伤敌人一门火炮; 若出现的是6点:则认为毁伤敌人两门火炮.
非常见分布的随机数的产生
• 逆变换方法
由 定 理 1 , 要 产 生 来 自 F (x) 的 随 机 数 , 只 要 先 产 生 来 自 U ( 0 ,1) 随 机 数 u , 然 后 计 算 F 可。具体步骤如下:

蒙特拉罗方法

蒙特拉罗方法
1Байду номын сангаас
需要计算的积分为I = ∫ f ( x)dx ,积分I等于图中的面积G。
0
在图所示单位正方形内均匀地作投点试验,则随机点落在曲线下 面的概率为 1 f ( x) 1
Pr { y ≤ f ( x)} = ∫
0

0
dydx = ∫ f ( x)dx
0
假设向单位正方形内随机地投入n个点(xi,yi)。如果有m个点落入
• 考虑平面上的一个边长为1的正方形及其内部 的一个形状不规则的“图形”,如何求出这个 “图形”的面积呢?Monte Carlo方法是这样一 种“随机化”的方法:向该正方形“随机地” 投掷N个点,若有M个点落于“图形”内,则 该“图形”的面积近似为M/N。
圆周率的值 π = 3. 14159 26535 89793 23846 26433 83279 50288 41971 69399 37510 58209 74944 59230 78164 06286 20899 86280 34825 34211 70679 82148 08651 32823 06647 09384 46095 50582 23172 53594 08128 48111 74502 84102 70193 85211 05559 64462 29489 54930 38196 44288 10975 66593 34461 28475 64823 37867 83165 27120 19091 45648 56692 34603 48610 45432 66482 13393 60726 02491 41273 72458 70066 06315 58817 48815 20920 96282 92540 91715 36436 78925 90360 01133 05305 48820 46652 13841 46951 94151 16094 33057 27036 57595 91953 09218 61173 81932 61179 31051 18548 07446 23799 62749 56735 18857 52724 89122 79381 83011 94912 98336 73362 44065 66430 86021 39494 63952 24737 19070 21798 60943 70277 05392 17176 29317 67523 84674 81846 76694 05132 00056 81271 45263 56082 77857 71342 75778 96091 73637 17872 14684 40901 22495 34301 46549 58537 10507 92279 68925 89235 42019 95611 21290 21960 86403 44181 59813 62977 47713 .....

蒙特卡罗(Monte Carlo method)方法知识详解

蒙特卡罗(Monte Carlo method)方法知识详解

蒙特卡罗(Monte Carlo method)方法知识详解蒙特卡罗方法(英语:Monte Carlo method),也称统计模拟方法,是1940年代中期由于科学技术的发展和电子计算机的发明,而提出的一种以概率统计理论为指导的数值计算方法。

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。

20世纪40年代,在冯·诺伊曼,斯塔尼斯拉夫·乌拉姆和尼古拉斯·梅特罗波利斯在洛斯阿拉莫斯国家实验室为核武器计划工作时,发明了蒙特卡罗方法。

因为乌拉姆的叔叔经常在摩纳哥的蒙特卡洛赌场输钱得名,而蒙特卡罗方法正是以概率为基础的方法。

与它对应的是确定性算法。

蒙特卡罗方法在金融工程学、宏观经济学、生物医学、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)机器学习等领域应用广泛。

一、蒙特卡罗方法的基本思想通常蒙特卡罗方法可以粗略地分成两类:一类是所求解的问题本身具有内在的随机性,借助计算机的运算能力可以直接模拟这种随机的过程。

例如在核物理研究中,分析中子在反应堆中的传输过程。

中子与原子核作用受到量子力学规律的制约,人们只能知道它们相互作用发生的概率,却无法准确获得中子与原子核作用时的位置以及裂变产生的新中子的行进速率和方向。

科学家依据其概率进行随机抽样得到裂变位置、速度和方向,这样模拟大量中子的行为后,经过统计就能获得中子传输的范围,作为反应堆设计的依据。

另一种类型是所求解问题可以转化为某种随机分布的特征数,比如随机事件出现的概率,或者随机变量的期望值。

通过随机抽样的方法,以随机事件出现的频率估计其概率,或者以抽样的数字特征估算随机变量的数字特征,并将其作为问题的解。

这种方法多用于求解复杂的多维积分问题。

假设我们要计算一个不规则图形的面积,那么图形的不规则程度和分析性计算(比如,积分)的复杂程度是成正比的。

蒙特卡罗方法基于这样的思想:假想你有一袋豆子,把豆子均匀地朝这个图形上撒,然后数这个图形之中有多少颗豆子,这个豆子的数目就是图形的面积。

MONTE CARLO方法

MONTE CARLO方法
2. 根据概率统计模型的特点和计算实践的需要, 尽量改进模型,以便减小方差和降低费用,提高 计算效率。
3. 建立对随机变量的抽样方法,其中包括建立产 生伪随机数的方法和建立对所遇到的分布产生随 机变量的随机抽样方法。
4. 给出获得所求解的统计估计值及其方差或 标准误差的方法。
以上一些内容,不仅刻划了Monte Carlo 方法的应用特征,而且也指出了Mont Carlo 方法研究中的一些基本课题。
谢谢!
原子核物理问题、运筹学中的库存 问题、随机服务系统中的排队问题、动 物的生态竞争和传染病的蔓延等都属于 这一类
在应用Monte Carlo方法解决实际问题 的过程中,大体上有如下几个内容:
1. 对求解的问题建立简单而又便于实现的概率统 计模型,使所求的解恰好是所建立模型的概率分 布或数学期望。
MONTE CARLO方法
王飞:049094061
Monte Carlo方法亦称为随机模拟(Random simulation)方法,有时也称作随机抽(Random Sampling)技术或统计试验(Statistical Testing)方 法。
基本思想是,为了求解数学、物理、工程技
术以及生产管理等方面的问题,首先建立一个概 率模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数 的统计特征,最后给出所求解的近似值。而解的 精确度可用估计值的标准误差来表示。
Monte Carlo方法可以解决各种类型的问题, 但总的来说,视其是否涉及随机过程的性态和 结果,用Monte Car类是确定性的数学问题。
首先建立一个与所求解有关的概率模型,使 所求的解就是我们所建立模型的概率分布或数 学期望;然后对这个模型进行随机抽样观察, 即产生随机变量;最后用其算术平均值作为所 求解的近似估计值。计算多重积分、求逆矩阵、 解线性代数方程组、解积分方程、解某些偏微 分方程边值问题和计算微分算子的特征值等都 属于这一类。

蒙特卡罗方法 (Monte Carlo simulation)

蒙特卡罗方法 (Monte Carlo simulation)

例:a=5,c=1,m=16,I0=1 Î周期=m=16 1,6,15,12,13,2,11,8,9,14,7,4,5,10,3,0,1,6,15, 12,13,2,..
蒙特卡罗方法 (Monte Carlo simulation)
RANDU随机数产生器:
1961年由IBM提出 I n +1 = (65539 × I n ) mod 2 存在严重的问题:Marsaglia效用,存在于所有乘同余方法的产生器
蒙特卡罗方法 (Monte Carlo simulation)
==〉伪随机数(Pseudo-Random Number) Î优点: – – – 占用计算机的内存少; 产生速度快; 可以重复前次的模拟结果,便于程序的找错;
蒙特卡罗方法 (Monte Carlo simulation)
2.3 线性乘同余方法(Linear Congruential Method)
蒙特卡罗方法 (Monte Carlo simulation)
– 所模拟的物理过程要求随机数应具有下列特性:
• 随机数序列应是独立的、互不相关的(uncorrelated):即序列中的任一 子序列应与其它的子序列无关; • 长的周期(long period):实际应用中,随机数都是用数学方法计算出来 的,这些算法具有周期性,即当序列达到一定长度后会重复; • 均匀分布的随机数应满足均匀性(Uniformity):随机数序列应是均匀的、 无偏的,即:如果两个子区间的“面积”相等,则落于这两个子区间内 的随机数的个数影相等。
蒙特卡罗方法 (Monte Carlo simulation)
2.2 随机数的产生 • [0,1]区间上均匀分布的随机数是Monte Carlo模拟的基础,服从 任意分布的随机数序列可以用[0,1]区间均匀分布的随机数序列 作适当的变换火舍选后求得; • [0,1]均匀分布的随机数的产生方法:

monte-carlo方法

monte-carlo方法

monte-carlo方法
Monte Carlo方法是一种利用随机数模拟来计算复杂问题的方法。

其基本思想是通过随机模拟来近似计算一个问题的概率分布、期望值或其他统计量。

这个方法可以用于各种领域,如物理、统计学、金融、计算机科学等。

在应用中,Monte Carlo方法通常通过随机抽样来获得数据。

这些数据可以用来计算某些感兴趣的统计量,如平均值、标准差、方差等。

一旦这些统计量被计算出来,它们就可以被用来近似计算问题的解决方案。

Monte Carlo方法的优点是可以处理各种复杂的问题,因为它不要求求解问题的解析解。

此外,它还可以提供不确定性分析,因为随机模拟的结果本身就有一定程度的随机性。

然而,Monte Carlo方法的缺点是它需要大量的计算资源。

由于需要进行大量的随机模拟,它的计算速度较慢。

此外,它还可能受到随机性的影响,导致结果不准确。

为了减少这种影响,通常需要进行多次模拟并取平均值。

总之,Monte Carlo方法是一种利用随机模拟来解决复杂问题的方法。

虽然它需要大量的计算资源,但它可以处理各种复杂的问题,并提供不确定性分析。

MonteCarlo方法及其应用

MonteCarlo方法及其应用

MonteCarlo方法及其应用随机性是连接我们身边的大自然和人工的世界的桥梁,而MonteCarlo方法就是利用随机性来解决复杂问题的一种数值模拟技术。

MonteCarlo方法可以被广泛应用于许多领域,如物理学、金融学、生物学、计算机科学等等。

它的应用范围是如此之广,以至于它成为现代计算科学和工程技术中的一个不可或缺的工具。

MonteCarlo方法的定义MonteCarlo方法是一种数学模拟技术,采用随机抽样和统计模拟来解决数学和物理问题。

MonteCarlo方法通常涉及到从一个概率分布中抽取随机样本,基于这些随机样本,获得某些参数或概率估计。

这些估计值可以利用统计方法计算,从而得到最终结果。

MonteCarlo方法的基本思想MonteCarlo方法的基本思想是通过随机抽样来获得一个数字特征的概率分布。

这些数字特征可以是物理量、概率、状态等等。

MonteCarlo方法最常见的应用是计算积分值和求解常微分方程初值问题等。

MonteCarlo方法的优缺点MonteCarlo方法的主要优点是可以应用于多维场景和高度非线性问题,是一种通用的数值计算方法。

与传统的方法相比,MonteCarlo方法的精度更高,误差较小,尤其在估算复杂问题中具有很高的精度。

MonteCarlo方法的缺点也非常明显,主要是它需要大量的计算时间,尤其在模拟高维度空间时,计算时间会成倍增加。

MonteCarlo方法的具体应用在物理学方面,MonteCarlo方法可以用于计算物理量的期望值,例如在核物理领域中,MonteCarlo方法可用于计算放射状物质的质量分布。

在统计学中,MonteCarlo方法可以用于计算概率分布的累积分布函数、求解概率分布中的极端值等。

在计算机科学中,MonteCarlo方法可以用于模拟交通流,计算数据挖掘、机器学习算法的正确性和效率等。

在金融学上,MonteCarlo方法可以用于模拟模拟投资收益和金融市场波动的情况等等。

序列蒙特卡罗算法 波长选择

序列蒙特卡罗算法 波长选择

序列蒙特卡罗算法波长选择
序列蒙特卡罗算法(Sequential Monte Carlo,简称SMC)也被称为粒子滤波算法,是一种用于估计高维概率密度函数的有效方法。

在波长选择中,SMC算法能够选择最具区分度的光谱波长,从而提高光谱分析的准确性。

SMC算法的主要思想是通过构建一组具有不同权重的随机粒子来近似概率密度函数。

在每个时间步中,算法通过对旧粒子应用重要性抽样和重采样来产生新粒子,并根据粒子的相对权重来更新概率密度函数的估计。

在波长选择中,SMC算法可用于选择具有最佳区分度的光谱波长。

具体来说,算法通过计算每个波长的对数似然函数来评估波长的区分度,并使用SMC算法来选择具有最高对数似然的波长。

这样,可以减少不相关的波长的影响,提高光谱分析的准确性。

总之,SMC算法是一种有效的高维概率密度估计方法,在波长选择中可以用于选择具有最佳区分度的光谱波长。

通过选择最具区分度的波长,可以提高光谱分析的准确性和精度。

monte carlo方法介绍

monte carlo方法介绍

monte carlo方法介绍Monte Carlo方法是一种基于随机抽样的数值计算方法,它被广泛应用于统计学、物理学、金融学等领域。

它的基本思想是通过大量的随机抽样来近似计算复杂的问题,从而得到问题的数值解。

Monte Carlo方法的核心思想是利用随机抽样来模拟系统的行为。

通过生成大量的随机数,我们可以根据这些随机数的分布特征来推断系统的行为规律。

这种方法的优势在于它可以处理复杂的问题,即使问题的解析表达式很难得到,也可以通过抽样来近似计算。

Monte Carlo方法的应用非常广泛,下面我们将以几个典型的例子来介绍它的具体应用。

Monte Carlo方法在统计学中有着重要的应用。

例如,在估计一个未知参数的置信区间时,可以利用随机抽样的方法来模拟参数的分布,从而得到置信区间的估计。

Monte Carlo方法在物理学中也有着广泛的应用。

例如,在计算复杂的物理系统的行为时,往往需要考虑大量的相互作用和碰撞。

通过生成大量的随机数,可以模拟这些相互作用和碰撞的过程,从而得到系统的平均行为。

Monte Carlo方法在金融学中也有着重要的应用。

例如,在计算期权的价格时,可以利用随机抽样来模拟股价的走势,从而得到期权的价格。

这种方法在风险管理和金融工程领域有着广泛的应用。

需要注意的是,Monte Carlo方法并不是万能的,它在计算过程中存在一定的误差。

这个误差通常可以通过增加样本数量来减小,但也会增加计算的时间和资源消耗。

因此,在应用中需要权衡计算精度和计算效率。

总结起来,Monte Carlo方法是一种基于随机抽样的数值计算方法,它通过生成大量的随机数来近似计算复杂的问题。

它在统计学、物理学、金融学等领域有着广泛的应用。

虽然Monte Carlo方法存在误差,但通过增加样本数量可以提高计算精度。

在实际应用中,我们需要权衡计算精度和计算效率,选择合适的方法来解决问题。

序贯拟蒙特卡洛滤波

序贯拟蒙特卡洛滤波

序贯拟蒙特卡洛滤波(实用版)目录1.序贯拟蒙特卡洛滤波的定义2.序贯拟蒙特卡洛滤波的应用领域3.序贯拟蒙特卡洛滤波的优缺点4.序贯拟蒙特卡洛滤波的实际应用案例正文序贯拟蒙特卡洛滤波(Sequential Monte Carlo Filtering)是一种基于蒙特卡洛方法的贝叶斯滤波算法。

蒙特卡洛方法(Monte Carlo Method)是一种通过随机抽样来求解问题的数值计算方法,其基本思想是通过大量模拟实验来近似求解问题。

而贝叶斯滤波则是一种利用贝叶斯公式进行数据处理的方法,其目的是通过数据更新对某一未知量的估计。

序贯拟蒙特卡洛滤波将这两者结合起来,通过随机抽样和贝叶斯公式的运用,对数据进行实时处理,从而得到对未知量的精确估计。

序贯拟蒙特卡洛滤波的应用领域广泛,包括信号处理、图像处理、机器学习、定位与导航、地球物理学等。

例如,在信号处理领域,序贯拟蒙特卡洛滤波可以用于信号的去噪、降噪和恢复;在图像处理领域,它可以用于图像的超分辨率重建、去噪和增强等;在机器学习领域,它可以用于模型参数的估计和优化;在地球物理学领域,它可以用于地震波的反演和成像等。

序贯拟蒙特卡洛滤波具有很多优缺点。

优点包括:1)具有较好的鲁棒性,能够处理包含噪声和不确定性的数据;2)具有较高的计算效率,能够在实时处理大量数据;3)能够处理非线性、非高斯分布的问题。

缺点包括:1)需要大量的随机抽样,计算量较大;2)对初始条件的选择较为敏感,可能会影响最终结果;3)在处理大规模问题时,可能会出现收敛速度慢的问题。

实际应用案例方面,序贯拟蒙特卡洛滤波在地震波成像领域取得了显著的成果。

地震波成像是地球物理学的一个重要研究方向,其目的是通过分析地震波在地下的传播特性,获取地下构造的信息。

An introduction to sequential Monte Carlo methods

An introduction to sequential Monte Carlo methods

i
+ Vk , Vk
i.i.d.
N 0, σ2 s
Arnaud Doucet ()
Introduction to SMC
MLSS 2007
6 / 28
Speech Enhancement
A basic model for speech signals consists of modelling them as autoregressive (AR) processes; i.e. Sk =
Arnaud Doucet ()
Introduction to SMC
MLSS 2007
4 / 28
Markov Models
We model the stochastic processes of interest as a discrete-time Markov process fXk gk 1 . fXk gk 1 is characterized by its initial density X1 and its transition density Xk j (Xk
Arnaud Doucet ()
Introduction to SMC
MLSS 2007
3 / 28
Markov Models
We model the stochastic processes of interest as a discrete-time Markov process fXk gk 1 .
Arnaud Doucet ()
Introduction to SMC
MLSS 2007
2 / 28
Preliminary Remarks
Sequential Monte Carlo (SMC) are a set of methods allowing us to approximate virtually any sequence of probability distributions. SMC are very popular in physics where they are used to compute eigenvalues of positive operators, the solution of PDEs/integral equations or simulate polymers. We focus here on Applications of SMC to Hidden Markov Models (HMM) for pedagogical reasons... ... and because this is certainly closer to your interests!

Monte Carlo方法又称为随机抽样技巧或统计实验方法

Monte Carlo方法又称为随机抽样技巧或统计实验方法

Monte Carlo方法又称为随机抽样技巧或统计实验方法,属于计算数学的一个分支,它是在上世纪四十年代中期,为适应当时的曼哈顿计划需求而在美国Los Alamos实验室发展起来的,说白了就是美国为了造原子弹才逼出来的。

Monte Carlo方法与一般的计算方法有很大的区别,一般计算方法对解决多维或因素复杂的问题非常困难,而Monte Carlo方法对解决这类问题却比较简单,因此Monte Carlo方法自从它诞生之日起就得到了快速的发展,现以发展成为计算数学中一个不可缺少的重要组成部分。

Monte Carlo方法创始人主要是这四位:Stanislaw Marcin Ulam, Enrico Fermi, John von Neumann(学计算机的肯定都认识这个牛人吧)和Nicholas Metropolis。

Stanislaw Marcin Ulam是波兰裔美籍数学家,早年是研究拓扑的,后因参与曼哈顿工程,兴趣遂转向应用数学,他首先提出用Monte Carlo方法解决计算数学中的一些问题,然后又将其应用到解决链式反应的理论中去,可以说是MC方法的奠基人;Enrico Fermi是个物理大牛,理论和实验同时都是大牛,这在物理界很少见,在“物理大牛的八卦”那篇文章里提到这个人很多次,对于这么牛的人只能是英年早逝了;John von Neumann可以说是计算机界的牛顿吧,太牛了,结果和Fermi一样,被上帝嫉妒了;Nicholas Metropolis,希腊裔美籍数学家,物理学家,计算机科学家,这个人对Monte Carlo方法做的贡献相当大,正式由于他提出的一种什么算法,才使得Monte Carlo方法能够得到如此广泛的应用,这人现在还活着,与前几位牛人不同,Metropolis很专一,他一生主要的贡献就是Monte Carlo方法。

Monte Carol方法这个名字比较有意思,为什么叫Monte Carlo呢?这得从Monte Carlo 方法的历史讲起。

蒙特卡罗(MonteCarlo)方法算积分

蒙特卡罗(MonteCarlo)方法算积分

蒙特卡罗(MonteCarlo)方法算积分❝蒙特卡罗(Monte Carlo)是摩纳哥最著名的一区,以豪华的赌场闻名于世,用它作为名字大概是因为随机性,就像赌博场里面的扔骰子的过程。

最早的「蒙特卡罗方法」是为了解决一些难求解的积分问题。

❞•「问题」•「蒙特卡洛方法」如果可以选择在的概率分布函数,则有:若在之间是均匀分布时,即,那么:这就是之前讲解的平均值法(点击跳转),另外随机投点法(点击跳转)也是「蒙特卡洛方法」. 一般均匀分布并不是好选择,因为如果在有不少点使得,那么这些点对的近似计算贡献很小,所以应尽可能少用这些点. 此时就需要采用「重要采样方法」选择合适的,从而提高精度,这部分内容我们后续会详细阐述,这次我们先分析「随机投点法」和「平均值法」的随机误差.•「误差分析」(1)「随机投点法」令且,则 iid . 由中心极限定理知:从而所以因此的随机误差为:.(2)「平均值法」由中心极限定理知:其中因此的随机误差为:,但其渐近方差更小.类似的,计算高维定积分的蒙特卡罗方法的随机误差也为,所以蒙特卡罗方法计算积分和维数关系不大,但数值积分则存在「维数诅咒」问题,这也是蒙特卡罗方法的「优势」.•「高维积分算例」「以下为Python代码」import numpy as npfrom scipy import integrate## (x1)^2(x2)^2(x3)^2 在 [0,1] 的积分a1,b1 = 0,1a2,b2 = 0,1a3,b3 = 0,1# 三重积分计算def f(x1,x2,x3):return x1**2 * x2**2 * x3**2I_exact, Error = integrate.tplquad(f,a1,b1,a2,b2,a3,b3)# 平均值法N = 10000x1_sample = a1 + (b1-a1)*np.random.rand(N)x2_sample = a2 + (b2-a2)*np.random.rand(N)x3_sample = a3 + (b3-a3)*np.random.rand(N)np.random.seed(1)h_x = f(x1_sample,x2_sample,x3_sample)I_approx_stat = (b3-a3)*(b2-a2)*(b1-a1)/N*np.sum(h_x)# 数值积分M = 200h1 = (b1-a1)/(M-1)h2 = (b2-a2)/(M-1)h3 = (b3-a3)/(M-1)x1 = np.linspace(a1,b1,M)x2 = np.linspace(a2,b2,M)x3 = np.linspace(a3,b3,M)x1_mesh, x2_mesh, x3_mesh = np.meshgrid(x1,x2,x3)I_approx_rec = np.sum( f(x1_mesh, x2_mesh, x3_mesh)*h1*h 2*h3 )print( '多重积分值:', I_exact )print( '\n平均值法结果:', I_approx_stat )print( '\n数值积分结果:', I_approx_rec )❝多重积分值:0.037037037037037035平均值法结果:0.03737256369148107数值积分结果:0.03788231093787493(大家可尝试画出:不同数量采样点对应的结果和真实值之间的关系图)❞。

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1) 1 j y1:n 1 )
f ( xn j xn 1 ) g ( yn j xn ) p ( yn j y1:n 1 )
1 ) p ( xn 1 j y1:n 1 ) dxn 1:n .
=
Z
g ( yn j xn ) f ( xn j xn
We will also simply write p ( x1:n j y1:n ) ∝ p ( x1:n
Introduction to Sequential Monte Carlo Methods
Arnaud Doucet
NCSU, October 2008
Arnaud Doucet ()
Introduction to SMC
NCSU, October 2008
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Preliminary Remarks
Arnaud Doucet ()
1
+ W k , Wk
i.i.d.
N (0, Σ) ,
1 0 T 1 , T 2 /2 T
ACV 0 ΣCV 0
0 ACV 0 ΣCV
1)
, ACV = , ΣCV =
T 3 /3 T 2 /2
1 , Σ) .
= N (xk ; Axk
Introduction to SMC
1 ) dxk 1 ) dxk 1 ) p ( xk 1 j y1:k 1 ) dxk 1
We have “broken" an high dimensional integral into the product of lower dimensional integrals.
Arnaud Doucet () Introduction to SMC NCSU, October 2008 12 / 36
Z
p ( y1:n j x1:n ) p (x1:n ) dx1:n .
n
We also have the following decomposition p (y1:n ) = p (y1 ) ∏ p ( yk j y1:k
k =2 1)
where p ( yk j y1:k
1)
= = =
Z
Z
p ( yk , xk j y1:k
Sequential Monte Carlo (SMC) are a set of methods allowing us to approximate virtually any sequence of probability distributions. SMC are very popular in physics where they are used to compute eigenvalues of positive operators, the solution of PDEs/integral equations or simulate polymers. We focus here on Applications of SMC to Hidden Markov Models (HMM) for pedagogical reasons... In the HMM framework, SMC are also widely known as Particle Filtering/Smoothing methods.
Arnaud Doucet ()
p ( y1:n j x1:n ) p (x1:n ) dx1:n .
NCSU, October 2008 9 / 36
Introduction to SMC
Sequential Inference in HMM
In particular, we will focus here on the sequential estimation of p ( x1:n j y1:n ) and p (y1:n ); that is at each time n we want update our knowledge of the hidden process in light of yn . There is a simple recursion relating p ( x1:n 1 j y1:n 1 ) to p ( x1:n j y1:n ) given by p ( x1:n j y1:n ) = p ( x1:n where p ( yn j y1:n
Introduction to SMC
NCSU, October 2008
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Figure: Graphical model representation of HMM
Arnaud Doucet ()
Introduction to SMC
NCSU, October 2008
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Tracking Example
n
We do not observe fXk gk 1 ; the process is hidden. We only have access to another related process fYk gk 1 .
1
g ( j xk ) .
k =1
∏ g ( yk j xk ) .
Arnaud Doucet ()
k =2
Arnaud Doucet () Introduction to SMC
k =2 n
1)
NCSU, October 2008
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Observation Model
We assume that, conditional on fXk gk 1 , the observations fYk gk are independent and marginally distributed according to Yk j (Xk = xk ) Formally this means that p ( y1:n j x1:n ) =
k =2 n n 1) ,
Likelihood: p ( y1:n j x1:n ) = Using Bayes’rule, we obtain p ( x1:n j y1:n ) =
Z
k =1
∏ g ( yk j xk )
p ( y1:n j x1:n ) p (x1:n )Fra bibliotekp (y1:n )
where the marginal likelihood is given by p (y1:n ) =
We have the following standard model Xk = φXk so that f ( xk j xk We observe Yk = β exp (Xk /2) Wk , Wk so that g ( yk j xk ) = N yk ; 0, β2 exp (xk ) .
1
µ( )
= xk
1)
f ( j xk
1) .
We introduce the notation xi :j = (xi , xi +1 , ..., xj ) for i by de…nition p (x1:n ) = p (x1 ) ∏ p ( xk j x1:k
n 1)
j. We have
= µ (x1 ) ∏ f ( xk j xk
Arnaud Doucet ()
Introduction to SMC
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Markov Models
We model the stochastic processes of interest as a discrete-time Markov process fXk gk 1 . fXk gk 1 is characterized by its initial density X1 and its transition density Xk j (Xk
Z
g ( yk j xk ) p ( xk j y1:k g ( yk j xk ) f ( xk j xk
Closed-form Inference in HMM
We have closed-form solutions for
Finite state-space HMM; i.e. E = fe1 , ..., ep g as all integrals are becoming …nite sums Linear Gaussian models; all the posterior distributions are Gaussian; e.g. the celebrated Kalman …lter. A whole reverse engineering literature exists for closed-form solutions in alternative cases...
Arnaud Doucet ()
1 j y1:n 1 ) f
( xn j xn
1) g
( yn j xn ) .
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Introduction to SMC
NCSU, October 2008
In many papers/books in the literature, you will …nd the following two-step prediction-updating recursion for the marginals so-called …ltering distributions p ( xn j y1:n ) which is a direct consequence. Prediction Step p ( xn j y1:n
1 1 i.i.d.
N (0, Σe )
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