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Estimación de Monte Carlo de Pi

1950
Demostración en clase del método Monte Carlo para estimar Pi en el análisis numérico.

(Imagen generada únicamente con fines ilustrativos)

A classic illustration of the método de Monte Carlo está estimando el valor de [latex]pi[/latex]. Al inscribir un círculo de radio [latex]r[/latex] dentro de un cuadrado de lado [latex]2r[/latex], la razón de sus áreas es [latex]frac{pi r^2}{(2r)^2} = frac{pi}{4}[/latex]. Aleatoriamente dispersión puntos dentro del cuadrado y contando la fracción [latex]p[/latex] que caen dentro del círculo proporciona una estimación: [latex]pi approx 4p[/latex].

The procedure for estimating [latex]\pi[/latex] is straightforward and highlights the core Montecarlo principle. Consider a unit square in the Cartesian plane with vertices at (0,0), (1,0), (1,1), and (0,1). A quarter circle of radius 1 is inscribed within this square, centered at the origin. The area of the square is 1, and the area of the quarter circle is [latex]\frac{\pi(1)^2}{4} = \frac{\pi}{4}[/latex]. The ratio of the quarter circle’s area to the square’s area is therefore [latex]\frac{\pi}{4}[/latex].

Para estimar esta razón, generamos un gran número, [latex]N[/latex], de puntos aleatorios [latex](x, y)[/latex] donde tanto [latex]x[/latex] como [latex]y[/latex] se distribuyen uniformemente entre 0 y 1. Cada punto tiene la misma probabilidad de caer en cualquier lugar dentro del cuadrado. Un punto [latex](x, y)[/latex] cae dentro del cuarto de círculo si su distancia al origen es menor o igual a 1, lo cual se determina por la condición [latex]x^2 + y^2 le 1[/latex]. Contamos el número de puntos, [latex]M[/latex], que satisfacen esta condición. La razón [latex]frac{M}{N}[/latex] es una estimación de la razón de las áreas, [latex]frac{pi}{4}[/latex]. Por lo tanto, podemos aproximar [latex]pi[/latex] como [latex]pi approx 4 frac{M}{N}[/latex]. Según la ley de los grandes números, a medida que [latex]N[/latex] tiende a infinito, esta aproximación converge al valor real de [latex]pi[/latex]. Sin embargo, la convergencia es lenta, y el error disminuye proporcionalmente a [latex]frac{1}{sqrt{N}}[/latex], lo que la convierte en un método muy ineficiente para calcular [latex]pi[/latex] con alta precisión en comparación con los algoritmos deterministas.

UNESCO Nomenclature: 1202
Ciencias de la computación

Tipo

Software/Algoritmo

Ruptura

Incremental

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • concepto de pi como la relación entre la circunferencia de un círculo y su diámetro
  • coordenadas cartesianas sistema
  • pythagorean theorem
  • distribución de probabilidad uniforme
  • desarrollo de generadores de números pseudoaleatorios

Aplicaciones

  • Herramienta pedagógica para la enseñanza de probabilidad y simulación.
  • punto de referencia simple para generadores de números aleatorios
  • Problema introductorio en cursos de ciencias computacionales

Patentes:

NA

Ideas para posibles innovaciones

  • Estimación de volúmenes de objetos geométricos de alta dimensión en el análisis de datos
  • Cálculo de probabilidades de eventos raros en sistemas complejos
  • Un método simplificado para que los estudiantes prueben y visualicen la ley de los grandes números.
  • Desarrollo de interfaces intuitivas para la enseñanza de conceptos estadísticos
  • Aplicaciones gamificadas que utilizan la aleatoriedad generada por el usuario para aproximar constantes.
  • Evaluación comparativa del rendimiento de arquitecturas de computación paralela
  • Estimación del área de formas fractales
  • una base para algoritmos de geometría estocástica más complejos
  • Visualización del sesgo de muestreo en experimentos estadísticos
  • Creación de arte procedimental basado en distribuciones de puntos aleatorios
Relacionado con: pi, estimación, Monte Carlo, simulación, números aleatorios, área, probabilidad, integración numérica, círculo, cuadrado.

Contexto histórico

Estimación de Monte Carlo de Pi

1939
1940
1950
1950
1952
1956
1960
1936
1940
1943
1950
1950
1953
1960
1960

(Si la fecha es desconocida o no es relevante, por ejemplo "mecánica de fluidos", se proporciona una estimación redondeada de su aparición notable)

décimo año aniversario

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