python編程通過蒙特卡洛法計算定積分詳解
想當初,考研的時候要是知道有這么個好東西,計算定積分。。。開玩笑,那時候計算定積分根本沒有這么簡單的。但這確實給我打開了一種思路,用編程語言去解決更多更復雜的數(shù)學問題。下面進入正題。

如上圖所示,計算區(qū)間[a b]上f(x)的積分即求曲線與X軸圍成紅色區(qū)域的面積。下面使用蒙特卡洛法計算區(qū)間[2 3]上的定積分:∫(x2+4*x*sin(x))dx
# -*- coding: utf-8 -*-
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
def f(x):
return x**2 + 4*x*np.sin(x)
def intf(x):
return x**3/3.0+4.0*np.sin(x) - 4.0*x*np.cos(x)
a = 2;
b = 3;
# use N draws
N= 10000
X = np.random.uniform(low=a, high=b, size=N) # N values uniformly drawn from a to b
Y =f(X) # CALCULATE THE f(x)
# 蒙特卡洛法計算定積分:面積=寬度*平均高度
Imc= (b-a) * np.sum(Y)/ N;
exactval=intf(b)-intf(a)
print "Monte Carlo estimation=",Imc, "Exact number=", intf(b)-intf(a)
# --How does the accuracy depends on the number of points(samples)? Lets try the same 1-D integral
# The Monte Carlo methods yield approximate answers whose accuracy depends on the number of draws.
Imc=np.zeros(1000)
Na = np.linspace(0,1000,1000)
exactval= intf(b)-intf(a)
for N in np.arange(0,1000):
X = np.random.uniform(low=a, high=b, size=N) # N values uniformly drawn from a to b
Y =f(X) # CALCULATE THE f(x)
Imc[N]= (b-a) * np.sum(Y)/ N;
plt.plot(Na[10:],np.sqrt((Imc[10:]-exactval)**2), alpha=0.7)
plt.plot(Na[10:], 1/np.sqrt(Na[10:]), 'r')
plt.xlabel("N")
plt.ylabel("sqrt((Imc-ExactValue)$^2$)")
plt.show()
>>>
Monte Carlo estimation= 11.8181144118 Exact number= 11.8113589251

從上圖可以看出,隨著采樣點數(shù)的增加,計算誤差逐漸減小。想要提高模擬結果的精確度有兩個途徑:其一是增加試驗次數(shù)N;其二是降低方差σ2. 增加試驗次數(shù)勢必使解題所用計算機的總時間增加,要想以此來達到提高精度之目的顯然是不合適的。下面來介紹重要抽樣法來減小方差,提高積分計算的精度。
重要性抽樣法的特點在于,它不是從給定的過程的概率分布抽樣,而是從修改的概率分布抽樣,使對模擬結果有重要作用的事件更多出現(xiàn),從而提高抽樣效率,減少花費在對模擬結果無關緊要的事件上的計算時間。比如在區(qū)間[a b]上求g(x)的積分,若采用均勻抽樣,在函數(shù)值g(x)比較小的區(qū)間內產生的抽樣點跟函數(shù)值較大處區(qū)間內產生的抽樣點的數(shù)目接近,顯然抽樣效率不高,可以將抽樣概率密度函數(shù)改為f(x),使f(x)與g(x)的形狀相近,就可以保證對積分計算貢獻較大的抽樣值出現(xiàn)的機會大于貢獻小的抽樣值,即可以將積分運算改寫為:

x是按照概率密度f(x)抽樣獲得的隨機變量,顯然在區(qū)間[a b]內應該有:

因此,可容易將積分值I看成是隨機變量 Y = g(x)/f(x)的期望,式子中xi是服從概率密度f(x)的采樣點

下面的例子采用一個正態(tài)分布函數(shù)f(x)來近似g(x)=sin(x)*x,并依據(jù)正態(tài)分布選取采樣值計算區(qū)間[0 pi]上的積分個∫g(x)dx
# -*- coding: utf-8 -*-
# Example: Calculate ∫sin(x)xdx
# The function has a shape that is similar to Gaussian and therefore
# we choose here a Gaussian as importance sampling distribution.
from scipy import stats
from scipy.stats import norm
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
mu = 2;
sig =.7;
f = lambda x: np.sin(x)*x
infun = lambda x: np.sin(x)-x*np.cos(x)
p = lambda x: (1/np.sqrt(2*np.pi*sig**2))*np.exp(-(x-mu)**2/(2.0*sig**2))
normfun = lambda x: norm.cdf(x-mu, scale=sig)
plt.figure(figsize=(18,8)) # set the figure size
# range of integration
xmax =np.pi
xmin =0
# Number of draws
N =1000
# Just want to plot the function
x=np.linspace(xmin, xmax, 1000)
plt.subplot(1,2,1)
plt.plot(x, f(x), 'b', label=u'Original $x\sin(x)$')
plt.plot(x, p(x), 'r', label=u'Importance Sampling Function: Normal')
plt.xlabel('x')
plt.legend()
# =============================================
# EXACT SOLUTION
# =============================================
Iexact = infun(xmax)-infun(xmin)
print Iexact
# ============================================
# VANILLA MONTE CARLO
# ============================================
Ivmc = np.zeros(1000)
for k in np.arange(0,1000):
x = np.random.uniform(low=xmin, high=xmax, size=N)
Ivmc[k] = (xmax-xmin)*np.mean(f(x))
# ============================================
# IMPORTANCE SAMPLING
# ============================================
# CHOOSE Gaussian so it similar to the original functions
# Importance sampling: choose the random points so that
# more points are chosen around the peak, less where the integrand is small.
Iis = np.zeros(1000)
for k in np.arange(0,1000):
# DRAW FROM THE GAUSSIAN: xis~N(mu,sig^2)
xis = mu + sig*np.random.randn(N,1);
xis = xis[ (xis<xmax) & (xis>xmin)] ;
# normalization for gaussian from 0..pi
normal = normfun(np.pi)-normfun(0) # 注意:概率密度函數(shù)在采樣區(qū)間[0 pi]上的積分需要等于1
Iis[k] =np.mean(f(xis)/p(xis))*normal # 因此,此處需要乘一個系數(shù)即p(x)在[0 pi]上的積分
plt.subplot(1,2,2)
plt.hist(Iis,30, histtype='step', label=u'Importance Sampling');
plt.hist(Ivmc, 30, color='r',histtype='step', label=u'Vanilla MC');
plt.vlines(np.pi, 0, 100, color='g', linestyle='dashed')
plt.legend()
plt.show()

從圖中可以看出曲線sin(x)*x的形狀和正態(tài)分布曲線的形狀相近,因此在曲線峰值處的采樣點數(shù)目會比曲線上位置低的地方要多。精確計算的結果為pi,從上面的右圖中可以看出:兩種方法均計算定積分1000次,靠近精確值pi=3.1415處的結果最多,離精確值越遠數(shù)目越少,顯然這符合常規(guī)。但是采用傳統(tǒng)方法(紅色直方圖)計算出的積分值方的差明顯比采用重要抽樣法(藍色直方圖)要大。因此,采用重要抽樣法計算可以降低方差,提高精度。另外需要注意的是:關于函數(shù)f(x)的選擇會對計算結果的精度產生影響,當我們選擇的函數(shù)f(x)與g(x)相差較大時,計算結果的方差也會加大。
總結
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python實現(xiàn)機械分詞之逆向最大匹配算法代碼示例
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