Stima Monte Carlo di Pi
A classic illustration of the Metodo Monte Carlo sta stimando il valore di [latex]pi[/latex]. Inscrivendo un cerchio di raggio [latex]r[/latex] in un quadrato di lato [latex]2r[/latex], il rapporto delle loro aree è [latex]frac{pi r^2}{(2r)^2} = frac{pi}{4}[/latex]. Casualmente diffusione contando i punti all'interno del quadrato e la frazione [latex]p[/latex] che cade all'interno del cerchio si ottiene una stima: [latex]pi approx 4p[/latex].
La procedura per stimare [latex]pi[/latex] è semplice e mette in evidenza il principio fondamentale del metodo Monte Carlo. Si consideri un quadrato unitario nel piano cartesiano con vertici in (0,0), (1,0), (1,1) e (0,1). Un quarto di cerchio di raggio 1 è inscritto in questo quadrato, centrato nell'origine. L'area del quadrato è 1 e l'area del quarto di cerchio è [latex]frac{pi(1)^2}{4} = frac{pi}{4}[/latex]. Il rapporto tra l'area del quarto di cerchio e l'area del quadrato è quindi [latex]frac{pi}{4}[/latex].
Per stimare questo rapporto, generiamo un gran numero, [latex]N[/latex], di punti casuali [latex](x, y)[/latex] in cui sia [latex]x[/latex] che [latex]y[/latex] sono distribuiti uniformemente tra 0 e 1. Ogni punto ha la stessa probabilità di trovarsi in qualsiasi punto all'interno del quadrato. Un punto [latex](x, y)[/latex] cade all'interno del quarto di cerchio se la sua distanza dall'origine è minore o uguale a 1, condizione determinata da [latex]x^2 + y^2 le 1[/latex]. Contiamo il numero di punti, [latex]M[/latex], che soddisfano questa condizione. Il rapporto [latex]frac{M}{N}[/latex] è una stima del rapporto tra le aree, [latex]frac{pi}{4}[/latex]. Pertanto, possiamo approssimare [latex]pi[/latex] come [latex]pi approx 4 frac{M}{N}[/latex]. Secondo la legge dei grandi numeri, quando [latex]N[/latex] tende all'infinito, questa approssimazione converge al vero valore di [latex]pi[/latex]. Tuttavia, la convergenza è lenta, con l'errore che diminuisce proporzionalmente a [latex]frac{1}{sqrt{N}}[/latex], rendendolo un metodo molto inefficiente per calcolare [latex]pi[/latex] con alta precisione rispetto agli algoritmi deterministici.
UNESCO Nomenclature: 1202
Informatica
Interruzione
Incrementale
Precursori
- concetto di pi greco come rapporto tra la circonferenza di un cerchio e il suo diametro
- sistema di coordinate cartesiane
- Teorema di Pitagora
- distribuzione di probabilità uniforme
- sviluppo di generatori di numeri pseudo-casuali
Applicazioni
- strumento pedagogico per l'insegnamento della probabilità e della simulazione
- semplice benchmark per generatori di numeri casuali
- problema introduttivo nei corsi di scienze computazionali
Idee e potenziali innovazioni
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Argomenti correlati: pi greco, stima, Monte Carlo, simulazione, numeri casuali, area, probabilità, integrazione numerica, cerchio, quadrato.