Monte-Carlo-Schätzung von Pi
A classic illustration of the Monte-Carlo-Methode schätzt den Wert von π. Indem man einen Kreis mit Radius r in ein Quadrat mit Seitenlänge 2r einbeschreibt, beträgt das Verhältnis ihrer Flächen πr²/(2r) = π/4. Streuung Wenn man die Punkte innerhalb des Quadrats betrachtet und den Anteil [latex]p[/latex] zählt, die innerhalb des Kreises liegen, erhält man eine Schätzung: [latex]pi approx 4p[/latex].
Das Verfahren zur Schätzung von [latex]\pi[/latex] ist einfach und verdeutlicht das zentrale Monte-Carlo-Prinzip. Betrachten wir ein Einheitsquadrat in der kartesischen Ebene mit den Eckpunkten (0,0), (1,0), (1,1) und (0,1). In dieses Quadrat ist ein Viertelkreis mit dem Radius 1 eingeschrieben, dessen Mittelpunkt der Ursprung ist. Der Flächeninhalt des Quadrats ist 1, und der Flächeninhalt des Viertelkreises ist [latex]\frac{\pi(1)^2}{4} = \frac{\pi}{4}[/latex]. Das Verhältnis der Fläche des Viertelkreises zur Fläche des Quadrats ist also [latex]\frac{\pi}{4}[/latex].
Zur Schätzung dieses Verhältnisses wird eine große Anzahl [latex]N[/latex] zufälliger Punkte [latex](x, y)[/latex] erzeugt, wobei sowohl [latex]x[/latex] als auch [latex]y[/latex] gleichmäßig zwischen 0 und 1 verteilt sind. Jeder Punkt hat die gleiche Chance, irgendwo innerhalb des Quadrats zu liegen. Ein Punkt [latex](x, y)[/latex] liegt innerhalb des Viertelkreises, wenn sein Abstand vom Ursprung kleiner oder gleich 1 ist, was durch die Bedingung [latex]x^2 + y^2 \le 1[/latex] bestimmt wird. Wir zählen die Anzahl der Punkte, [latex]M[/latex], die diese Bedingung erfüllen. Das Verhältnis [latex]\frac{M}{N}[/latex] ist eine Schätzung des Verhältnisses der Flächen, [latex]\frac{\pi}{4}[/latex]. Daher können wir [latex]\pi[/latex] als [latex]\pi \approx 4 \frac{M}{N}[/latex] approximieren. Nach dem Gesetz der großen Zahlen konvergiert diese Näherung gegen den wahren Wert von [latex]\pi[/latex], wenn sich [latex]N[/latex] der Unendlichkeit nähert. Die Konvergenz ist jedoch langsam, wobei der Fehler proportional zu [latex]\frac{1}{\sqrt{N}}[/latex] abnimmt, so dass es sich im Vergleich zu deterministischen Algorithmen um eine sehr ineffiziente Methode zur Berechnung von [latex]\pi[/latex] mit hoher Genauigkeit handelt.
UNESCO Nomenclature: 1202
- Computerwissenschaften
Verwendung
Weitverbreitete Verwendung
Vorläufer
- das Konzept von Pi als Verhältnis des Umfangs eines Kreises zu seinem Durchmesser
- kartesisches Koordinatensystem
- Satz des Pythagoras
- gleichmäßige Wahrscheinlichkeitsverteilung
- Entwicklung von Pseudozufallszahlengeneratoren
Anwendungen
- pädagogisches Werkzeug für den Unterricht in Wahrscheinlichkeit und Simulation
- einfacher Benchmark für Zufallszahlengeneratoren
- Einführungsproblem in Informatikkursen
Potenzielle Innovationsideen
Aufgrund des hohen Datenverkehrs durch Web-Scraping-Bots, der derzeit mehr als 40.000 Anfragen pro Tag umfasst, ist dieser Inhalt ausschließlich Community-Mitgliedern vorbehalten.
> Anmelden < oder > Registrieren < (100% kostenlos) Zugriff darauf sowie auf alle anderen eingeschränkten Inhalte und Tools.
Verwandt mit: Pi, Schätzung, Monte Carlo, Simulation, Zufallszahlen, Fläche, Wahrscheinlichkeit, numerische Integration, Kreis, Quadrat.