Estimación de Monte Carlo de Pi
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].
El procedimiento para estimar [latex]pi[/latex] es sencillo y resalta el principio fundamental de Monte Carlo. Consideremos un cuadrado unitario en el plano cartesiano con vértices en (0,0), (1,0), (1,1) y (0,1). Un cuarto de círculo de radio 1 está inscrito dentro de este cuadrado, centrado en el origen. El área del cuadrado es 1, y el área del cuarto de círculo es [latex]frac{pi(1)^2}{4} = frac{pi}{4}[/latex]. Por lo tanto, la razón entre el área del cuarto de círculo y el área del cuadrado es [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
Precursores
- concepto de pi como la relación entre la circunferencia de un círculo y su diámetro
- sistema de coordenadas cartesianas
- Teorema de Pitágoras
- 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
Ideas para posibles innovaciones
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Relacionado con: pi, estimación, Monte Carlo, simulación, números aleatorios, área, probabilidad, integración numérica, círculo, cuadrado.