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Estimation de Pi par Monte-Carlo

1950
Démonstration en classe de la méthode Monte Carlo pour l'estimation de Pi en analyse numérique.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

A classic illustration of the méthode de Monte Carlo On estime la valeur de π. En inscrivant un cercle de rayon r dans un carré de côté 2r, le rapport de leurs aires est πr²/(2r)² = π/4. diffusion points à l'intérieur du carré et en comptant la fraction [latex]p[/latex] qui tombent à l'intérieur du cercle fournit une estimation : [latex]pi approx 4p[/latex].

La procédure d'estimation de π est simple et met en évidence le principe fondamental de la méthode de Monte-Carlo. Considérons un carré unitaire dans le plan cartésien, de sommets (0,0), (1,0), (1,1) et (0,1). Un quart de cercle de rayon 1 est inscrit dans ce carré et centré à l'origine. L'aire du carré est 1, et l'aire du quart de cercle est π(1)²/4 = π/4. Le rapport de l'aire du quart de cercle à l'aire du carré est donc π/4.

Pour estimer ce rapport, nous générons un grand nombre N de points aléatoires (x, y) où x et y sont uniformément distribués entre 0 et 1. Chaque point a une probabilité égale d'être situé n'importe où à l'intérieur du carré. Un point (x, y) se trouve à l'intérieur du quart de cercle si sa distance à l'origine est inférieure ou égale à 1, ce qui est déterminé par la condition x² + y² ≤ 1. Nous comptons le nombre M de points qui satisfont cette condition. Le rapport M/N est une estimation du rapport des aires, π/4. Par conséquent, on peut approcher π par π ≈ 4M/N. D'après la loi des grands nombres, lorsque N tend vers l'infini, cette approximation converge vers la valeur exacte de π. Cependant, la convergence est lente, l'erreur diminuant proportionnellement à 1/√N, ce qui en fait une méthode très inefficace pour calculer π avec une grande précision, comparée aux algorithmes déterministes.

UNESCO Nomenclature: 1202
Informatique

Taper

Logiciel/Algorithme

Perturbation

Incrémentale

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Le concept de pi comme le rapport entre la circonférence d'un cercle et son diamètre
  • système de coordonnées cartésiennes
  • théorème de Pythagore
  • distribution de probabilité uniforme
  • développement de générateurs de nombres pseudo-aléatoires

Applications

  • outil pédagogique pour l'enseignement des probabilités et de la simulation
  • référence simple pour les générateurs de nombres aléatoires
  • problème d'introduction aux cours de sciences informatiques

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

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En lien avec : pi, estimation, Monte Carlo, simulation, nombres aléatoires, aire, probabilité, intégration numérique, cercle, carré.

Contexte historique

Estimation de Pi par Monte-Carlo

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

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

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