蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟法
蒙特卡洛模型方法
二、理论和方法
蒙特卡洛模拟早在四十年前就用于求解核物理方面的问题。当管理问题更为复杂时，传统的数学方法就难以进行了。模拟是将一个真实事物模型化，然后对该模型做各种实验，模拟也是一个通过实验和纠正误差来寻求最佳选择的数值性求解的过程。模拟作为一种有效的数值处理方法，计算量大。以前只是停留在理论探讨上，手工是无法完成的。在管理领域由于规律复杂随机因素多，很多问题难以用线性数学公式分析和解决，用模拟则有效得多。在新式的计算机普及后，用模拟技术来求解管理问题已成为可能。
从表中数据可以看到，一直到公元20世纪初期，尽管实验次数数以千计，利用蒙特卡罗方法所得到的圆周率∏值，还是达不到公元5世纪祖冲之的推算精度。这可能是传统蒙特卡罗方法长期得不到推广的主要原因。
计算机技术的发展，使得蒙特卡罗方法在最近10年得到快速的普及。现代的蒙特卡罗方法，已经不必亲自动手做实验，而是借助计算机的高速运转能力，使得原本费时费力的实验过程，变成了快速和轻而易举的事情。它不但用于解决许多复杂的科学方面的问题，也被项目管理人员经常使用。
设有统计独立的随机变量Xi（i＝1，2，3，…，k），其对应的概率密度函数分别为fx1，fx2，…，fxk，功能函数式为Z＝g（x1，x2，…，xk）。
蒙特卡洛模拟法
蒙特卡洛模拟法目录编辑本段蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟是一种通过设定随机过程，反复生成时间序列，计算参数估计量和统计量，进而研究其分布特征的方法。
具体的，当系统中各个单元的可靠性特征量已知，但系统的可靠性过于复杂，难以建立可靠性预计的精确数学模型或模型太复杂而不便应用时，可用随机模拟法近似计算出系统可靠性的预计值；随着模拟次数的增多，其预计精度也逐渐增高。
由于涉及到时间序列的反复生成，蒙特卡洛模拟法是以高容量和高速度的计算机为前提条件的，因此只是在近些年才得到广泛推广。
这个术语是二战时期美国物理学家Metropolis执行曼哈顿计划的过程中提出来的。
蒙特卡洛模拟方法的原理是当问题或对象本身具有概率特征时，可以用计算机模拟的方法产生抽样结果，根据抽样计算统计量或者参数的值；随着模拟次数的增多，可以通过对各次统计量或参数的估计值求平均的方法得到稳定结论。
编辑本段蒙特卡洛模拟法的应用领域蒙特卡洛模拟法的应用领域主要有：1.直接应用蒙特卡洛模拟:应用大规模的随机数列来模拟复杂系统，得到某些参数或重要指标。
2.蒙特卡洛积分:利用随机数列计算积分，维数越高，积分效率越高。
3.MCMC:这是直接应用蒙特卡洛模拟方法的推广，该方法中随机数的产生是采用的马尔科夫链形式。
编辑本段蒙特卡洛模拟法的概念（也叫随机模拟法）当系统中各个单元的可靠性特征量已知，但系统的可靠性过于复杂，难以建立可靠性预计的精确数学模型或模型太复杂而不便应用则可用随机模拟法近似计算出系统可靠性的预计值。
随着模拟次数的增多，其预计精度也逐渐增高。
由于需要大量反复的计算，一般均用计算机来完成。
编辑本段蒙特卡洛模拟法求解步骤应用此方法求解工程技术问题可以分为两类:确定性问题和随机性问题。
解题步骤如下：1.根据提出的问题构造一个简单、适用的概率模型或随机模型，使问题的解对应于该模型中随机变量的某些特征（如概率、均值和方差等），所构造的模型在主要特征参量方面要与实际问题或系统相一致2 .根据模型中各个随机变量的分布，在计算机上产生随机数，实现一次模拟过程所需的足够数量的随机数。
蒙特卡洛方法
蒙特卡洛方法1、蒙特卡洛方法的由来蒙特卡罗分析法（Monte Carlo method），又称为统计模拟法，是一种采用随机抽样（Random Sampling）统计来估算结果的计算方法。
由于计算结果的精确度很大程度上取决于抽取样本的数量，一般需要大量的样本数据，因此在没有计算机的时代并没有受到重视。
第二次世界大战时期，美国曼哈顿原子弹计划的主要科学家之一，匈牙利美藉数学家约翰·冯·诺伊曼（现代电子计算机创始人之一）在研究物质裂变时中子扩散的实验中采用了随机抽样统计的手法，因为当时随机数的想法来自掷色子及轮盘等赌博用具，因此他采用摩洛哥著名赌城蒙特卡罗来命名这种计算方法，为这种算法增加了一层神秘色彩。
蒙特卡罗方法提出的初衷是用于物理数值模拟问题, 后来随着计算机的快速发展, 这一方法很快在函数值极小化、计算几何、组合计数等方面得到应用, 于是它作为一种独立的方法被提出来, 并发展成为一门新兴的计算科学, 属于计算数学的一个分支。
如今MC 方法已是求解科学、工程和科学技术领域大量应用问题的常用数值方法。
2、蒙特卡洛方法的核心—随机数蒙特卡洛方法的基本理论就是通过对大量的随机数样本进行统计分析，从而得到我们所需要的变量。
因此蒙特卡洛方法的核心就是随机数，只有样本中的随机数具有随机性，所得到的变量值才具有可信性和科学性。
在连续型随机变量的分布中, 最基本的分布是[0, 1]区间上的均匀分布, 也称单位均匀分布。
由该分布抽取的简单子样ξ1，ξ2ξ3 ……称为随机数序列, 其中每一个体称为随机数, 有时称为标准随机数或真随机数, 独立性和均匀性是其必备的两个特点。
真随机数是数学上的抽象, 真随机数序列是不可预计的, 因而也不可能重复产生两个相同的真随机数序列。
真随机数只能用某些随机物理过程来产生, 如放射性衰变、电子设备的热噪音、宇宙射线的触发时间等。
实际使用的随机数通常都是采用某些数学公式产生的，称为伪随机数。
monte carlo 模拟方法
monte carlo 模拟方法Monte Carlo模拟方法是一种通过随机抽样和统计分析来解决问题的数值计算方法。
它的名称来源于摩纳哥的蒙特卡洛赌场，因为模拟方法与赌博的不确定性和随机性相似。
在各个领域，Monte Carlo模拟方法被广泛应用于概率论、统计学、物理学、金融学等领域的计算问题中。
Monte Carlo模拟方法的基本思想是通过随机抽样来模拟系统的行为，从而对系统的特性进行估计。
其核心思想是通过大量的随机抽样来近似计算一个问题的解或概率。
与传统的解析方法相比，Monte Carlo模拟方法不需要求解复杂的方程式或模型，而是通过模拟随机事件的发生频率来得出结果。
Monte Carlo模拟方法的步骤主要包括以下几个方面：1. 定义问题：首先需要明确要解决的问题，并将其转化为数学模型或概率模型。
2. 设定输入参数：根据问题的特性，选择合适的参数，并确定它们的概率分布或可能取值范围。
3. 生成随机样本：根据输入参数的概率分布，使用随机数生成器生成一系列随机样本。
4. 模拟系统行为：根据生成的随机样本，模拟系统的行为，并记录感兴趣的结果或变量。
5. 统计分析：对模拟结果进行统计分析，得出问题的解、概率或其他感兴趣的统计量。
6. 改进模型：根据模拟结果，可以对模型进行调整或改进，进一步提高模拟结果的准确性。
Monte Carlo模拟方法的优势在于可以处理各种复杂的问题，尤其是那些无法通过解析方法求解的问题。
它不需要对问题进行简化或做出过多的假设，能够更好地反映实际系统的不确定性和随机性。
此外，Monte Carlo模拟方法还可以提供问题的概率分布、置信区间等信息，帮助决策者做出准确的决策。
Monte Carlo模拟方法的应用十分广泛。
在金融领域，它可以用于估计期权的价格、风险价值等。
在物理学中，它可以用于模拟粒子运动、能量传输等。
在统计学中，它可以用于估计参数的置信区间、假设检验等。
在工程领域，它可以用于分析系统的可靠性、优化设计等。
蒙特卡洛模拟法
蒙特卡洛模拟法
蒙特卡洛模拟法（Monte Carlo Simulation）是一种概率模型，用于模拟复杂的系统。
它是通过大量随机数据的模拟，来获得对真实情况的大致模拟，从而获得解决复杂问题的决策性结果。
蒙特卡洛模拟法在投资、金融风险分析和管理、保险理论研究、原油价格预测、医学研究、生物化学等领域有着广泛的应用。
它可以用来研究战略游戏、疾病传播模型、统计检验、社会网络分析、概率计算等。
蒙特卡洛模拟的基本思想是：在模型中模拟某种随机事件，通过模拟结果，来推断出最佳解决方案。
蒙特卡洛算法
蒙特卡洛算法组员李小兵周立冯俊李继华艾海提李日浩算法简介蒙特·卡洛方法，也称统计模拟方法，是二十世纪四十年代中期由于科学技术的发展和电子计算机的发明，而被提出的一种以概率统计理论为指导的一类非常重要的数值计算方法。
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。
蒙特·卡洛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·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，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)等领域应用广泛。
背景知识1946年，美国拉斯阿莫斯国家实验室的三位科学家John von Neumann,Stan Ulam 和 Nick Metropolis共同发明，被称为蒙特卡洛方法。
它的具体定义是：在广场上画一个边长一米的正方形，在正方形内部随意用粉笔画一个不规则的形状，现在要计算这个不规则图形的面积，怎么计算列?蒙特卡洛(Monte Carlo)方法告诉我们，均匀的向该正方形内撒N（N 是一个很大的自然数）个黄豆，随后数数有多少个黄豆在这个不规则几何形状内部，比如说有M个，那么，这个奇怪形状的面积便近似于M/N，N越大，算出来的值便越精确。
在这里我们要假定豆子都在一个平面上，相互之间没有重叠。
蒙特卡洛方法可用于近似计算圆周率：让计算机每次随机生成两个0到1之间的数，看这两个实数是否在单位圆内。
生成一系列随机点，统计单位圆内的点数与总点数，（圆面积和正方形面积之比为PI:1，PI为圆周率），当随机点取得越多（但即使取10的9次方个随机点时，其结果也仅在前4位与圆周率吻合）时，其结果越接近于圆周率。
算法描述以概率和统计理论方法为基础的一种计算方法。
将所求解的问题同一定的概率模型相联系，用计算机实现统计模拟或抽样，以获得问题的近似解。
比如，给定x=a，和x=b，你要求某一曲线f和这两竖线，及x轴围成的面积，你可以起定y轴一横线 y=c 其中c>=f(x)max，很简单的，你可以求出 y=c,x=a,x=b,及 x轴围成的矩形面积，然后利用随机产生大量在这个矩形范围之内的点，统计出现在曲线上部点数和出现在曲线下部点的数目，记为：doteUpCount,nodeDownCount,然后所要求的面积可以近似为doteDownCounts所占比例*矩形面积。
蒙特卡洛方法
其中Dg s为N区域D N sDiN s的1g体(x积1(i),。x2 (这i), 是,数xs(值i))方法难以作到的。
另外，在具有随机性质的问题中，如考虑的系统 形状很复杂，难以用一般数值方法求解，而使用蒙特 卡罗方法，不会有原则上的困难。
通常，蒙特卡罗方法的误差ε定义为
N
上式中 与置信度α是一一对应的，根据问题的要 求确定出置信水平后，查标准正态分布表，就可以确 定出 。
下面给出几个常用的α与的数值：
α 0.5 0.05 0.003
0.674 1.96 3 5
关于蒙特卡罗方法的误差需说明两点：第一，蒙特
卡罗方法的误差为概率误差，这与其他数值计算方法 是有区别的。第二，误差中的均方差σ是未知的，必须 使用其估计值
• 对于任意离散型分布：
F(x) Pi xi x
• 其P离2散中，型x…1分，为布x相2，的应直…的接为概抽离率样散，方型根法分据如布前下函述：数直的接跳抽跃样点法，，P有1，
• 间接蒙特卡洛模拟方法。人为地构造出一 个合适的概率模型，依照该模型进行大量 的统计实验，使它的某些统计参量正好是 待求问题的解。
例：布冯(Buffon)投针实验
• 在平滑桌面上划一组相距为s的平行线，向 此桌面随意地投掷长度l=s的细针，那末从 针与平行线相交的概率就可以得到π的数值。
针与线相交概率
lim P
N
NXNE (X)x 2 1
xet2/2dt
x
平均值
当N充分大时，有如下的近似式
P X N E (X ) N 2 20 e t2/2 d t1
其中α称为置信度，1－α称为置信水平。
蒙特卡洛模型方法
蒙特卡洛模型方法蒙特卡罗方法（Monte Carlo method）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。
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样调查来确定可能的优胜者。
其基本思想是一样的。
科技计算中的问题比这要复杂得多。
比如金融衍生产品（期权、期货、掉期等）的定价及交易风险估算，问题的维数（即变量的个数）可能高达数百甚至数千。
对这类问题，难度随维数的增加呈指数增长，这就是所谓的“维数的灾难”（Curse of Dimensionality），传统的数值方法难以对付（即使使用速度最快的计算机）。
Monte Carlo 方法能很好地用来对付维数的灾难，因为该方法的计算复杂性不再依赖于维数。
以前那些本来是无法计算的问题现在也能够计算量。
为提高方法的效率，科学家们提出了许多所谓的“方差缩减”技巧。
另一类形式与Monte Carlo方法相似，但理论基础不同的方法—“拟蒙特卡罗方法”（Quasi －Monte Carlo方法）—近年来也获得迅速发展。
我国数学家华罗庚、王元提出的“华—王”方法即是其中的一例。
这种方法的基本思想是“用确定性的超均匀分布序列（数学上称为Low Discrepancy Sequences）代替Monte Carlo方法中的随机数序列。
蒙特·卡罗方法（MonteCarlomethod）
蒙特·卡罗⽅法（MonteCarlomethod）蒙特·卡罗⽅法（Monte Carlo method），也称统计模拟⽅法，是⼆⼗世纪四⼗年代中期由于科学技术的发展和电⼦计算机的发明，⽽被提出的⼀种以概率统计理论为指导的⼀类⾮常重要的数值计算⽅法。
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。
与它对应的是确定性算法。
这个⽅法的发展始于20世纪40年代，和原⼦弹制造的曼哈顿计划密切相关，当时的⼏个⼤⽜，包括乌拉姆、冯.诺依曼、费⽶、费曼、Nicholas Metropolis，在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室研究裂变物质的中⼦连锁反应的时候，开始使⽤统计模拟的⽅法，并在最早的计算机上进⾏编程实现。
现代的统计模拟⽅法最早由数学家乌拉姆提出，被Metropolis命名为蒙特卡罗⽅法，蒙特卡罗是著名的赌场，赌博总是和统计密切关联的，所以这个命名风趣⽽贴切，很快被⼤家⼴泛接受。
被不过据说费⽶之前就已经在实验中使⽤了，但是没有发表。
说起蒙特卡罗⽅法的源头，可以追溯到18世纪，布丰当年⽤于计算π的著名的投针实验就是蒙特卡罗模拟实验。
统计采样的⽅法其实数学家们很早就知道，但是在计算机出现以前，随机数⽣成的成本很⾼，所以该⽅法也没有实⽤价值。
随着计算机技术在⼆⼗世纪后半叶的迅猛发展，随机模拟技术很快进⼊实⽤阶段。
（类⽐深度学习，感叹~）对那些⽤确定算法不可⾏或不可能解决的问题，蒙特卡罗⽅法常常为⼈们带来希望。
蒙特卡罗基本思想：利⽤⼤量采样的⽅法来求解⼀些难以直接计算得到的积分。
例如，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。
当你的⾖⼦越⼩，撒的越多的时候，结果就越精确。
借助计算机程序可以⽣成⼤量均匀分布坐标点，然后统计出图形内的点数，通过它们占总点数的⽐例和坐标点⽣成范围的⾯积就可以求出图形⾯积。
Monte Carlo模拟
Lewis算法既通过了直方图检验，又通过了相关性检验。
三、按概率分布抽样
仿真需按照分布特性产生随机变量，其方法是在随机数 产生的基础上进行数学处理，将均匀分布的随机变量扩展到 任何常见的分布形式。 几种常见普通分布
二、随机数生成器
标准均匀分布随机数的性质
密度函数：
1 0 x 1
f (x)
0
其它
如何得到一个大型的随机数集合？
进行实际的随机操作记录下来？
应找到一种合适的算法生成随机数。
如何测量随机数生成器的随机性？
能生成[0,1]之间均匀分布的一系列随机数； 不具有周期性、不具有可预测性。
用一个数作“种子”生成下一个随机数。
蒙特卡洛法系指依照某种概率分布而随机 抽样的一种模拟技巧。这是美籍匈牙利科 学 家 冯 ． 诺 伊 曼 ( J.Von Neumann,19031957)等在第二次世界大战中，为帮助物理 学家解决中子动态问题时，所提议的一种 求解方法。
MONTE CARLO
蒙特卡洛一词代表 依人为的不规则概 率分布而随机抽样 的一种密码（因当 时中子的研究工作 是保密的），与位 于摩纳哥monaco 的 著名赌城蒙特卡洛 无关。
产生[0,1]区间内均匀分布的随机数。用两个随机数表示一 个点在正方形上的具体位置，判断该点是否落在不规则图形 内。记录落在不规则图形内部的点数和试验的总次数，两者 比值就是μ。
求罐中豆数的步骤：
1. 生成随机数Ri。 2. 将Ri转换成需要的参数，如罐中豆的半径等。 3. 计算感兴趣的变量，如罐中的豆数等。 4. 重复1～3，并收集数据。 5. 分析数据，得到统计结果。
蒙特卡洛模拟方法在风险管理中的应用教程
蒙特卡洛模拟方法在风险管理中的应用教程蒙特卡洛模拟方法(Monte Carlo Simulation)是一种基于概率分析的统计技术，广泛应用于风险管理领域。
通过模拟随机变量的分布特征，可以帮助风险管理人员定量评估风险，制定合理的决策方案。
本文将详细介绍蒙特卡洛模拟方法在风险管理中的应用步骤和注意事项。
1. 确定风险管理的问题和目标:在应用蒙特卡洛模拟方法前，首先需要明确风险管理的问题和目标。
例如，我们希望评估某个投资组合在未来一年内的收益率风险，以便确定合理的投资策略。
2. 建立模型和假设:根据问题和目标，建立相应的模型并确定相关的假设。
例如，我们可以使用股票收益率的历史数据来构建收益率模型，并假设收益率服从正态分布。
3. 收集数据:获取必要的数据以支持模型的构建和分析。
数据可以来自历史统计数据、市场调研数据、专家判断等渠道。
确保数据的准确性和代表性是保证模拟结果可信度的关键。
4. 设定变量和参数:根据模型的需求，确定需要模拟的变量和参数。
例如，在投资组合风险评估中，我们可以将各个投资标的的收益率作为变量，并设定相应的投资比例作为参数。
5. 设定随机数生成方法:蒙特卡洛模拟方法依赖于随机数的生成。
根据模型的需要，选择合适的随机数生成方法。
常用的方法包括伪随机数生成器和随机数表格，确保生成的随机数满足模型所假设的分布特征。
6. 运行蒙特卡洛模拟:根据设定的变量、参数和随机数生成方法，运行蒙特卡洛模拟。
一般情况下，需要运行多次模拟以获取稳定的结果。
7. 分析和解读结果:根据模拟结果，进行相应的分析和解释。
可以通过绘制直方图、散点图、累积分布函数等图表，来帮助理解结果的分布情况和风险程度。
8. 风险度量和决策制定:根据模拟结果，进行风险度量和决策制定。
可以使用各种风险度量指标如价值-at-风险(Value-at-Risk)、杠杆率(Leverage)等，来评估风险的大小和分布情况。
根据这些度量结果，可以制定相应的风险管理策略和决策方案。
Monte Carlo模拟
Lewis算法既通过了直方图检验，又通过了相关性检验。
以指数分布为例，分布函数：
16个数： i
Xi
5Xi+1
Xi+1
1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
再进行规范化，得
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到[0,1]上均匀分布
13Байду номын сангаас
的随机数。
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检验：
① 是否均匀分布？
检查事件在某个区间内发生的频率。如：
0.00≤Xi<0.01, 0.01≤Xi<0.02, 0.02≤Xi<0.03等，数出每个 小区间内随机数的数目，绘成直方图。
模拟结果：最佳估计值大约是470个，正确的概率为0.007。
思考：
1. ① 找一个罐，向其中装入豆，数一数豆的数目。 ② 使用定量的方式，猜测模型中参数的值，并计算
六、编程模拟
值确
的定
Monte Carlo
罐
中
豆
游
戏
模 拟 流 程 图
中 最 佳 猜 测
假定和M个人玩这个游戏。g表示每个选手的猜测结果， g*表示之前赢得比赛的猜测结果。模拟一次游戏，就保存 一组N和g*。若我们的猜测值介于N和g*之间，就赢得这场 比赛。j(i)/K表示猜测值i赢得比赛的概率。
② 是否具有周期性和可预测性？
检验Xi与Xi+1（或Xi与Xi+n）之间的相关性。构造Xi 与Xi+1的关系曲线。
Monte Carlo(蒙特卡洛方法)解析
于是有： l p P( X sin ) 2 0
l sin 2
0
2 2l dxd a a
2l ap
若我们独立重复地作 n 次投针试验，记 n ( A) 为 A 发生的次数。 fn ( A) 为 A
U(0,1)随机数的生成
乘同余法：
xi 1 axi
mod m
ui 1 xi 1 / m 其中 xi , a, m 均为整数, x0 可以任意选取。
x0称为种子,a 是乘因子,m是模数
一个简单的例子
当 x0 1 时,得到序列: 1,6,3,7,9,10,5,8,4,2,1,6,3......
1 确定行为的模拟
例：曲线下的面积
本节以曲线下的面 积为例说明蒙特卡罗 模拟在确定行为建模 中的应用．
下面的算法给出了用蒙特卡罗方法求曲线下面积 的计算机模拟的计算格式．
在给定区间上曲线y=cosx下面积的真值是2．注意到即使对 于产生的相当多的点数，误差也是可观的．对单变量函数，一般 说来，蒙特卡罗方法无法与在数值分析中学到的积分方法相比， 没有误差界以及难以求出函数的上界M也是它的缺点．然而，蒙 特卡罗方法可以推广到多变量函数，在那里它变得更加实用．
ˆ f n ( A) 。 在 n 次中出现的频率。假如我们取 fn ( A) 作为 p P( A) 的估计，即 p
ˆ 然后取 2l a.s. ˆ fn ( A) 作为 的估计。根据大数定律，当 n 时， p p. af n ( A) 2l P 。这样可以用随机试验的方法求得 的估计。历史上 af n ( A)
蒙特卡洛介绍
蒙特卡洛简介
蒙特卡洛（Monte Carlo）方法是一种统计技术，主要用于估算复杂系统的各种数值解。
其基本思想是通过随机抽样来模拟或估算一个过程，从而得到期望的统计结果。
以下是对蒙特卡洛方法的简要介绍：
历史背景：
蒙特卡洛方法得名于摩纳哥的蒙特卡洛赌场。
这个方法是在二战期间，由于需要解决核反应的随机扩散问题，由科学家们（如尤里·乌兰贝克、尼古拉·梅特罗波洛斯和约翰·冯·诺伊曼）在洛斯阿拉莫斯实验室中首次提出并使用的。
工作原理：
1. 随机抽样：根据某个分布（通常是均匀分布）生成大量随机样本。
2. 评估函数：对每个随机样本评估一个函数或模型。
3. 分析结果：基于评估的结果，计算所需的统计量（如均值、方差等）。
应用领域：
1. 金融：用于估算金融衍生品的价格和风险。
2. 物理：模拟复杂的物理过程，如核反应。
3. 工程：进行可靠性分析和风险评估。
4. 计算生物学：模拟生物分子的动力学。
5. 优化：搜索复杂的解空间以找到最优解。
优点：
1. 灵活性：可以应用于各种复杂的数学问题和模型。
2. 并行性：由于每个样本的评估是独立的，所以蒙特卡洛模拟非常适合并行计算。
缺点：
1. 收敛速度：需要大量的样本才能得到精确的估计。
2. 计算成本：可能需要大量的计算资源。
结论：
蒙特卡洛方法是一种强大而灵活的工具，它为解决许多复杂的数学和工程问题提供了手段。
尽管它有一些局限性，但在很多情况下，它都是最好的或唯一可行的解决方案。
蒙特卡洛模型方法
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;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MonteCarlo—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;蒙特卡罗方法的基本思想MonteCarlo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世纪人们用投针试验的方法来决定圆周率π;本世纪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;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 MonteCarlo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,有M个点落于“图形”内,则该“图形”的面积近似为M/N;可用民意测验来作一个不严格的比喻;民意测验的人不是征询每一个登记选民的意见,而是通过对选民进行小规模的抽样调查来确定可能的优胜者;其基本思想是一样的;科技计算中的问题比这要复杂得多;比如金融衍生产品期权、期货、掉期等的定价及交易风险估算,问题的维数即变量的个数可能高达数百甚至数千;对这类问题,难度随维数的增加呈指数增长,这就是所谓的“维数的灾难”CurseofDimensionality,传统的数值方法难以对付即使使用速度最快的计算机;MonteCarlo方法能很好地用来对付维数的灾难,因为该方法的计算复杂性不再依赖于维数;以前那些本来是无法计算的问题现在也能够计算量;为提高方法的效率,科学家们提出了许多所谓的“方差缩减”技巧;另一类形式与MonteCarlo方法相似,但理论基础不同的方法—“拟蒙特卡罗方法”Quasi－MonteCarlo方法—近年来也获得迅速发展;我国数学家华罗庚、王元提出的“华—王”方法即是其中的一例;这种方法的基本思想是“用确定性的超均匀分布序列数学上称为LowDiscrepancySequences代替MonteCarlo方法中的随机数序列;对某些问题该方法的实际速度一般可比MonteCarlo方法提出高数百倍,并可计算精确度;蒙特卡罗方法的基本原理由概率定义知,某事件的概率可以用大量试验中该事件发生的频率来估算,当样本容量足够大时,可以认为该事件的发生频率即为其概率;因此,可以先对影响其可靠度的随机变量进行大量的随机抽样,然后把这些抽样值一组一组地代入功能函数式,确定结构是否失效,最后从中求得结构的失效概率;蒙特卡罗法正是基于此思路进行分析的;设有统计独立的随机变量Xii＝1,2,3,…,k,其对应的概率密度函数分别为fx1,fx2,…,fxk,功能函数式为Z＝gx1,x2,…,xk;首先根据各随机变量的相应分布,产生N组随机数x1,x2,…,xk值,计算功能函数值Zi＝gx1,x2,…,xki＝1,2,…,N,若其中有L组随机数对应的功能函数值Zi≤0,则当N→∞时,根据伯努利大数定理及正态随机变量的特性有：结构失效概率,可靠指标;从蒙特卡罗方法的思路可看出,该方法回避了结构可靠度分析中的数学困难,不管状态函数是否非线性、随机变量是否非正态,只要模拟的次数足够多,就可得到一个比较精确的失效概率和可靠度指标;特别在岩土体分析中,变异系数往往较大,与JC法计算的可靠指标相比,结果更为精确,并且由于思路简单易于编制程序;蒙特卡罗方法在数学中的应用通常蒙特·卡罗方法通过构造符合一定规则的随机数来解决数学上的各种问题;对于那些由于计算过于复杂而难以得到解析解或者根本没有解析解的问题,蒙特·卡罗方法是一种有效的求出数值解的方法;一般蒙特·卡罗方法在数学中最常见的应用就是蒙特·卡罗积分;蒙特卡罗方法的应用领域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、空气动力学计算等领域应用广泛;蒙特卡罗方法的工作过程在解决实际问题的时候应用蒙特·卡罗方法主要有两部分工作：1．用蒙特·卡罗方法模拟某一过程时,需要产生各种概率分布的随机变量;2．用统计方法把模型的数字特征估计出来,从而得到实际问题的数值解;蒙特卡罗方法分子模拟计算的步骤使用蒙特·卡罗方法进行分子模拟计算是按照以下步骤进行的：1．使用随机数发生器产生一个随机的分子构型;2．对此分子构型的其中粒子坐标做无规则的改变,产生一个新的分子构型;3．计算新的分子构型的能量;4．比较新的分子构型于改变前的分子构型的能量变化,判断是否接受该构型;·若新的分子构型能量低于原分子构型的能量,则接受新的构型,使用这个构型重复再做下一次迭代;·若新的分子构型能量高于原分子构型的能量,则计算玻尔兹曼因子,并产生一个随机数;若这个随机数大于所计算出的玻尔兹曼因子,则放弃这个构型,重新计算;若这个随机数小于所计算出的玻尔兹曼因子,则接受这个构型,使用这个构型重复再做下一次迭代;5．如此进行迭代计算,直至最后搜索出低于所给能量条件的分子构型结束;蒙特卡罗模型的发展运用从理论上来说,蒙特卡罗方法需要大量的实验;实验次数越多,所得到的结果才越精确;以上Buffon的投针实验为例、历史上的记录如下表1;从表中数据可以看到,一直到公元20世纪初期,尽管实验次数数以千计,利用蒙特卡罗方法所得到的圆周率∏值,还是达不到公元5世纪祖冲之的推算精度;这可能是传统蒙特卡罗方法长期得不到推广的主要原因;计算机技术的发展,使得蒙特卡罗方法在最近10年得到快速的普及;现代的蒙特卡罗方法,已经不必亲自动手做实验,而是借助计算机的高速运转能力,使得原本费时费力的实验过程,变成了快速和轻而易举的事情;它不但用于解决许多复杂的科学方面的问题,也被项目管理人员经常使用;借助计算机技术,蒙特卡罗方法实现了两大优点：一是简单,省却了繁复的数学报导和演算过程,使得一般人也能够理解和掌握；二是快速;简单和快速,是蒙特卡罗方法在现代项目管理中获得应用的技术基础;蒙特卡罗方法有很强的适应性,问题的几何形状的复杂性对它的影响不大;该方法的收敛性是指概率意义下的收敛,因此问题维数的增加不会影响它的收敛速度,而且存贮单元也很省,这些是用该方法处理大型复杂问题时的优势;因此,随着电子计算机的发展和科学技术问题的日趋复杂,蒙特卡罗方法的应用也越来越广泛;它不仅较好地解决了多重积分计算、微分方程求解、积分方程求解、特征值计算和非线性方程组求解等高难度和复杂的数学计算问题,而且在统计物理、核物理、真空技术、系统科学、信息科学、公用事业、地质、医学,可靠性及计算机科学等广泛的领域都得到成功的应用;项目管理中蒙特卡罗模拟方法的一般步骤项目管理中蒙特卡罗模拟方法的一般步骤是：1、对每一项活动,输入最小、最大和最可能估计数据,并为其选择一种合适的先验分布模型；2、计算机根据上述输入,利用给定的某种规则,快速实施充分大量的随机抽样；3、对随机抽样的数据进行必要的数学计算,求出结果；4、对求出的结果进行统计学处理,求出最小值、最大值以及数学期望值和单位标准偏差；5、根据求出的统计学处理数据,让计算机自动生成概率分布曲线和累积概率曲线通常是基于正态分布的概率累积S曲线；6、依据累积概率曲线进行项目风险分析;非权重蒙特卡罗积分非权重蒙特卡罗积分,也称确定性抽样,是对被积函数变量区间进行随机均匀抽样,然后对被抽样点的函数值求平均,从而可以得到函数积分的近似值;此种方法的正确性是基于概率论的中心极限定理;当抽样点数为m时,使用此种方法所得近似解的统计误差恒为1除于根号M,不随积分维数的改变而改变;因此当积分维度较高时,蒙特卡罗方法相对于其他数值解法更优;蒙特卡罗方法案例分析案例一：蒙特卡罗模型在投资项目决策中的开发应用1一、问题的提出随着社会主义市场经济体制的逐步完善、经济水平的逐步提高,我国社会经济活动日趋复杂,越来越多变,其影响越来越广泛,越来越深远,不确定性逐渐成为企业决策时所面临的主要难题;因此,如何在不确定条件下做出投资决策,就成为目前理论和实践工作者们广泛关注的一个核心课题;传统的投资评价理论——以净现值法NPV为代表的投资决策分析方法,其根本缺陷在于它们是事先对未来的现金流量做出估计,并假设其为不变或静态的状况,无法衡量不确定因素的影响,不能体现递延决策以应对所带来的管理弹性;所以,在不确定环境下的投资,用净现值法评估项目不能体现柔性投资安排决策所体现的价值,无助于项目在决策中回避风险;在多变的市场环境中,不确定性与竞争者的反应使实际收入与预期收入有所出入,所以净现值法NPV适用于常规项目,未来不确定性比较小的项目;为此理论界对未来投资环境不确定性大的项目提出了实物期权法,但在实践中应用的还是比较少;实物期权法的应用对企业决策者的综合素质要求比较高,对企业资源能力要求也比较高;但是实物期权法改变了我国管理者对战略投资的思维方式;基于以上的分析,我们得出这样的结论：传统的投资决策方法对风险项目和不确定性项目的评价有较多不完善之处,有必要对其改进；实物期权法理论上解决了传统决策方法对不确定性项目评价的不足,但其应用尚处于体系不成熟阶段,在实践中应用并不广泛;至此,引入蒙特卡罗模型的理论和其分析方法,此方法特别适用于参数波动性大,且服从某一概率分布的项目,例如地质勘察、气田开发等项目;蒙特卡罗模型是利用计算机进行数值计算的一类特殊风格的方法,它是把某一现实或抽象系统的某种特征或部分状态,用模拟模型的系统来代替或模仿,使所求问题的解正好是模拟模型的参数或特征量,再通过统计实验,求出模型参数或特征量的估计值,得出所求问题的近似解;目前评价不确定和风险项目多用敏感性分析和概率分析,但计算上较为复杂,尤其各因素变化可能出现概率的确定比较困难;蒙特卡罗模型解决了这方面的问题,各种因素出现的概率全部由软件自动给出,通过多次模拟,得出项目是否应该投资;该方法应用面广,适应性强;惠斯通Weston对美国1000家大公司所作的统计表明：在公司管理决策中,采用随机模拟方法的频率占29%以上,远大于其他数学方法的使用频率;特别,该方法算法简单,但计算量大,在模拟实际问题时,要求所建模型必须反复验证,这就离不开计算机技术的帮助,自然可利用任何一门高级语言来实现这种方法;通过一案例具体实现了基于Excel的MonteCarlo模拟系统,由于MicrosoftExcel电子表格软件强大的数据分析功能和友好的界面设计能力,使系统实现起来颇感轻松自如;二、理论和方法蒙特卡洛模拟早在四十年前就用于求解核物理方面的问题;当管理问题更为复杂时,传统的数学方法就难以进行了;模拟是将一个真实事物模型化,然后对该模型做各种实验,模拟也是一个通过实验和纠正误差来寻求最佳选择的数值性求解的过程;模拟作为一种有效的数值处理方法,计算量大;以前只是停留在理论探讨上,手工是无法完成的;在管理领域由于规律复杂随机因素多,很多问题难以用线性数学公式分析和解决,用模拟则有效得多;在新式的计算机普及后,用模拟技术来求解管理问题已成为可能;计算机模拟技术和其它方法相比有以下优点：1成本低、风险小,在产品未投产,实际生产未形成就可以对市场进行分析模拟,极大地减少费用和风险;2环境条件要求低,工作人员不需要高深的数学能力,完全依靠计算机进行,在硬件和软件日益降价的情况下,可以成为现实;3可信度高,常用的统计推理方法需要大量历史数据如平均数法、最小二乘法,对无历史资料的场合就无能为力如新产品,而且精度低;模拟的最大特点是借助一个随机数来模仿真实的现实,随机数的产生则由计算机来产生;称为伪随机数;即：Rn＝Fr－1,r－2,……r－k在以对象为中心的软件中,EXCEL有一个RANE函数实现伪随机数功能;RANE实际上是一个会自动产生伪随机数的子程序;用产生的伪随机数模拟市场购买行为,得出产品销售量,在生产成本相对固定时进而推测出产品的利润;此方法不用编制复杂的程序,思路假设为,作为系统内部是可以控制的,即企业内部生产成本可以人为控制,但系统外部因素是不可控制的消费心理导致的消费行为,则生产与销售就会产生矛盾;生产量小于销售量,造成开工不足资源浪费；生产量大于销售量,造成产品积压,资金占用,同样形成资源的浪费;最好生产量等于销售量,则资源浪费最小,自然经济效益就最高,实际就是利润最大化;如果能科学地测算出在什么情况下利润最大,则这时的产量就是最佳产量,成本也就最低;这就是市场作为导向,以销定产的公认市场经济的准则;实际工作中,很多产品的消费是具有随机性的,主要是一些需求弹性大、价格弹性大、价格低、与日常生活有关的中、小商品,如副食品、日用消费品、玩具、轻工业产品;对企业而言利润较高的产品;从以上分析可以看出,蒙特卡洛模拟可以动态实现对产品利润的预测,从而对产品产量科学控制,实现资源优化,是一种较好的决策支持方法;三、蒙特卡罗模型在Excel表中的应用某气田投资项目期投资、寿命期、残值以及各年的收入、支出,以及应付税金的税率、项目的资本成本等都是独立的随机变量,他们的概率密度函数如表1所示;本案例用windowsXP中的Excel2003对该项目进行模拟如下：1在A32单元格投资Yo模拟：随机数输入：＝RANDBETWEEN0,99；在B32单元格投资Yo模拟：投资输入：＝VLOOKUPA32,$C$3：$D$5,2；从分析结果得出,虽然此项目未来的不确定性很大,但由图可知,此气田开发项目服从正态分布,模拟5000次的结果是净现值为负的概率为零,并且项目的期望净现值为952113万元,说明项目值得开发;由以上的案例分析可知,基于蒙特卡罗模拟的风险分析,对于工程实际应用具有较强的参考价值;随机模拟5000次,如果仅靠人的大脑进行计算,这在现实世界中是不可能的,但考虑到系统决策支持功能,算法设计为由使用者自己设计方案,采用人机交互,这样可以发挥使用者的经验判断；系统实现模拟运算——系统对每一个设定的投资项目期投资、寿命期、残值以及各年的收入、支出,以及应付税金的税率、项目的资本成本等随机变量及他们的概率密度函数,通过蒙特卡罗模拟方法,得出了项目在不同概率发生的情况下净现值模拟计算结果;为人们解决不确定性项目的决策提供了简单的方法,节约了人们的工作量和时间;但是利用蒙特卡罗模型分析问题时,收集数据是非常关键的;。
蒙特卡罗仿真方法
主讲人:华北电力大学电子系 张京席
蒙特卡洛(Monte Carlo)简介
蒙特卡洛是摩纳哥公国的一个城镇，拥有 世界闻名的大赌场。
摩纳哥，位于欧洲西南部，地中海边峭壁 上的公国，它建在阿尔卑斯山山脉突出地 中海的悬崖之上，北、东、西三面都与法 国接壤。它的面积只有1.95平方公里，是 世界上海岸线最短的国家，堪称世界“袖 珍国”。摩纳哥依山傍海，景色宜人，犹 如一个五彩缤纷的海滨公园。摩纳哥也因 蒙特卡洛而得名赌博之国。
⎤ ⎥⎦
=
E
⎡ ⎢⎣
1 N2
N n=1
N m=1
X
n
X
m
⎤ ⎥⎦
=
1 N2
NN
E
n=1 m=1
XnXm
∑ ∑ [ ] [ ] ∑ = 1
N
N
E
N2 n=1 m≠n
Xn
E
Xm
+
1 N2
N
E ⎡⎣ X n2 ⎤⎦
n=1
m=1
=
1 N2
⎡⎣(N 2
−
N )Pe2
+
NPe ⎤⎦
方差为：
( ) D ⎡⎣Pˆe(N )⎤⎦ = σ 2
⎫⎪ ⎬ ⎪⎭
=1−
⎛ 2Q ⎜⎜⎝
( ) = 1− 2Q β NPe
β Pe
Pe / N
⎞ ⎟⎟⎠
其中， ∫ Q(x) =
1
∞ −t2
e 2 dt
2π x
1-α是置信水平，若令 { } Pr Pe(1− β ) < Pˆe(N ) < Pe(1+ β ) = 1− α
蒙特卡洛模型方法
蒙特卡罗方法（Monte Carlo method）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。
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。
蒙特卡罗方法的基本思想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”。
19世纪人们用投针试验的方法来决定圆周率π。
本世纪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。
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，有M个点落于“图形”内，则该“图形”的面积近似为M/N。
可用民意测验来作一个不严格的比喻。
民意测验的人不是征询每一个登记选民的意见，而是通过对选民进行小规模的抽样调查来确定可能的优胜者。
其基本思想是一样的。
科技计算中的问题比这要复杂得多。
比如金融衍生产品（期权、期货、掉期等）的定价及交易风险估算，问题的维数（即变量的个数）可能高达数百甚至数千。
蒙特卡洛法
蒙特卡罗方法【蒙特卡罗方法】（Monte Carlo method）蒙特卡罗(Monte Carlo)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。
这一方法源于美国在第二次世界大战中研制原子弹的“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。
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”。
19世纪人们用投针试验的方法来决定圆周率π。
本世纪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。
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，有M个点落于“图形”内，则该“图形”的面积近似为M/N。
可用民意测验来作一个不严格的比喻。
民意测验的人不是征询每一个登记选民的意见，而是通过对选民进行小规模的抽样调查来确定可能的优胜者。
其基本思想是一样的。
科技计算中的问题比这要复杂得多。
比如金融衍生产品（期权、期货、掉期等）的定价及交易风险估算，问题的维数（即变量的个数）可能高达数百甚至数千。
对这类问题，难度随维数的增加呈指数增长，这就是所谓的“维数的灾难”(Curse of Dime nsionality)，传统的数值方法难以对付（即使使用速度最快的计算机）。
Monte Carl o方法能很好地用来对付维数的灾难，因为该方法的计算复杂性不再依赖于维数。
以前那些本来是无法计算的问题现在也能够计算量。
为提高方法的效率，科学家们提出了许多所谓的“方差缩减”技巧。
另一类形式与Monte Carlo方法相似，但理论基础不同的方法—“拟蒙特卡罗方法”(Quasi-Monte Carlo方法)—近年来也获得迅速发展。
蒙特卡罗算法
(2)计 算 XF-1(U ),则 X为 来 自 F(x) 分 布 的 随 机 数 .
29
例 1 ：设 X ~ U ( a , b ) ， 则 其 分 布 函 数 为
0
F
(x)
x b
a a
1,
xa a xb
xb
F -1 ( y ) a (b a ) y ， 0 y 1
2
于是有：
pP(Xl
sin)
2lsin 2dxd2l
2பைடு நூலகம்
0 0 a
a
2l ap
若我们独立重复地作 n 次投针试验，记 n ( A) 为 A 发生的次数。 fn ( A) 为 A
在 n 次中出现的频率。假如我们取 fn ( A) 作为 p P(A) 的估计，即 pˆ fn ( A) 。
2.线 性 同 余 器 可 以 达 到 的 最 长 周 期 为 m1， 我 们 可 以 通 过 适 当 的 选 择 m和 a， 使 无 论 选 取 怎 样 的 初 值 x0 都 可 以 达 到 最 大 周 期 (一 般 选 取 m为 质 数 )
20
常用的线性同余生成器
Modulus m 2^31-1
可简单取3个随机数构成一个随机点，即
(1,2,3)(,4,5,6),.......
相应地，
1 bf(x)dx1n
baa
ni1
f(xi)
(d c ) 1 b ( a )c da bf(x ,y )d x d y1 ni n 1f(x i,y i)
一般地，
A f( x ) d ( mo e A ) a f (a so u v fo f r en e v r ra a e p n g ro id e A n io n
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当科学家们使用计算机来试图预测复杂的趋势和事件时, 他们通常应用一类需要长串的随机数的复杂计算。
设计这种用来预测复杂趋势和事件的数字模型越来越依赖于一种称为蒙特卡罗模似的统计手段, 而这种模拟进一步又要取决于可靠的无穷尽的随机数目来源。
蒙特卡罗模拟因摩纳哥著名的赌场而得名。
它能够帮助人们从数学上表述物理、化学、工程、经济学以及环境动力学中一些非常复杂的相互作用。
数学家们称这种表述为“模式”, 而当一种模式足够精确时, 他能产生与实际操作中对同一条件相同的反应。
但蒙特卡罗模拟有一个危险的缺陷: 如果必须输入一个模式中的随机数并不像设想的那样是随机数, 而却构成一些微妙的非随机模式, 那么整个的模拟(及其预测结果)都可能是错的。
最近, 由美国佐治亚大学的费伦博格博士作出的一分报告证明了最普遍用以产生随机数串
的计算机程序中有5个在用于一个简单的模拟磁性晶体中原子行为的数学模型时出现错误。
科学家们发现, 出现这些错误的根源在于这5个程序产生的数串其实并不随机, 它们实际上隐藏了一些相互关系和样式, 这一点只是在这种微小的非随机性歪曲了晶体模型的已知特
性时才表露出来。
贝尔实验室的里德博士告诫人们记住伟大的诺伊曼的忠告:“任何人如果相信计算机能够产生出真正的随机的数序组都是疯子。
”
蒙特卡罗方法（MC）
蒙特卡罗（Monte Carlo）方法：
蒙特卡罗（Monte Carlo）方法，又称随机抽样或统计试验方法，属于计算数学的一个分支，它是在本世纪四十年代中期为了适应当时原子能事业的发展而发展起来的。
传统的经验方法由于不能逼近真实的物理过程，很难得到满意的结果，而蒙特卡罗方法由于能够真实地模拟实际物理过程，故解决问题与实际非常符合，可以得到很圆满的结果。
这也是我们采用该方法的原因。
蒙特卡罗方法的基本原理及思想如下：
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。
这就是蒙特卡罗方法的基本思想。
蒙特卡罗方法通过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。
可以把蒙特卡罗解题归结为三个主要步骤：构造或描述概率过程；实现从已知概率分布抽样；建立各种估计量。
蒙特卡罗解题三个主要步骤：
构造或描述概率过程：
对于本身就具有随机性质的问题，如粒子输运问题，主要是正确描述和模拟这个概率过程，对于本来不是随机性质的确定性问题，比如计算定积分，就必须事先构造一个人为的概率过程，它的某些参量正好是所要求问题的解。
即要将不具有随机性质的问题转化为随机性质的问题。
实现从已知概率分布抽样：
构造了概率模型以后，由于各种概率模型都可以看作是由各种各样的概率分布构成的，因此产生已知概率分布的随机变量（或随机向量），就成为实现蒙特卡罗方法模拟实验的基本手段，这也是蒙特卡罗方法被称为随机抽样的原因。
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）。
随机数就是具有这种均匀分布的随机变量。
随机数序列就是具有这种分布的总体的一个简单子样，也就是一个具有这种分布的相互独立的随机变数序列。
产生随机数的问题，就是从这个分布的抽样问题。
在计算机上，可以用物理方法产生随机数，但价格昂贵，不能重复，使用不便。
另一种方法是用数学递推公式产生。
这样
产生的序列，与真正的随机数序列不同，所以称为伪随机数，或伪随机数序列。
不过，经过多种统计检验表明，它与真正的随机数，或随机数序列具有相近的性质，因此可把它作为真正的随机数来使用。
由已知分布随机抽样有各种方法，与从(0,1)上均匀分布抽样不同，这些方法都是借助于随机序列来实现的，也就是说，都是以产生随机数为前提的。
由此可见，随机数是我们实现蒙特卡罗模拟的基本工具。
建立各种估计量：
一般说来，构造了概率模型并能从中抽样后，即实现模拟实验后，我们就要确定一个随机变量，作为所要求的问题的解，我们称它为无偏估计。
建立各种估计量，相当于对模拟实验的结果进行考察和登记，从中得到问题的解。
1、定义：蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟是一种通过设定随机过程，反复生成时间序列，计算参数估计量和统计量，进而研究其分布特征的方法。
2、基于计算机的蒙特卡洛模拟实现步骤：
（1）对每一项活动，输入最小、最大和最可能估计数据（注意这里不是三点估算），并根据提出的问题构造或选择一个简单、适用的概率分布模型，使问题的解对应于该模型中随机变量的某些特征（如概率、均值和方差等），这些特征都可以通过模拟出的概率分布图得到。
（2）根据模型中各个随机变量的分布，利用给定的某种规则，在计算机上快速实施充分大量的随机抽样。
（3）对随机抽样的数据进行必要的数学计算，统计分析模拟试验结果，给出问题的概率解以及解的精度估计，即最小值、最大值以及数学期望值和单位标准偏差。
（4）按照所建立的模型进行仿真试验、计算，求出问题的随机解。
（5）根据求出的统计学处理数据，让计算机自动生成概率分布图，通常为正态分布图。
（6）根据概率分布图读出所需信息，如某项目成本200万情况下的完工概率，或确保70%完工概率时需要的成本等。
3、基于EXCEL与Crystal Ball的蒙特卡洛成本模拟过程实例：
文字文字文字
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