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Metodi Monte Carlo

1940
  • Stanislaw Ulam
  • John von Neumann
  • Nicholas Metropolis
Laboratorio computazionale con ricercatori che eseguono simulazioni Monte Carlo nell'analisi numerica.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

I metodi Monte Carlo sono un'ampia classe di algoritmi computazionali che si basano su campionamenti casuali ripetuti per ottenere risultati numerici. Il concetto di base è quello di utilizzare la casualità per risolvere problemi che potrebbero essere deterministici in linea di principio. Sono spesso utilizzati quando è difficile o impossibile utilizzare altri approcci, in particolare per simulare sistemi complessi o integrare funzioni ad alta dimensionalità.

L'idea fondamentale alla base dei metodi Monte Carlo è quella di approssimare la soluzione di un problema eseguendo una simulazione statistica. Invece di risolvere un insieme di equazioni deterministiche, si definisce un dominio di possibili input, si genera un gran numero di input casuali da una distribuzione di probabilità su tale dominio, si esegue un calcolo deterministico su ciascun input e quindi si aggregano i risultati. Ad esempio, per trovare l'area di una forma complessa, la si può racchiudere in una forma semplice di area nota (come un rettangolo), distribuire uniformemente un gran numero di punti casuali all'interno del rettangolo e contare la frazione di punti che ricadono all'interno della forma complessa. Questa frazione, moltiplicata per l'area del rettangolo, approssima l'area della forma complessa. L'accuratezza di questa approssimazione generalmente migliora con la radice quadrata del numero di campioni, una proprietà chiave derivata dal teorema del limite centrale. Ciò rende i metodi Monte Carlo particolarmente potenti per problemi con molte dimensioni, dove i metodi numerici tradizionali come la quadratura soffrono della "maledizione della dimensionalità". Ciò significa che il loro costo computazionale cresce esponenzialmente con il numero di dimensioni. Il costo del metodo Monte Carlo, al contrario, cresce molto più lentamente, rendendolo l'unico approccio praticabile per molti problemi ad alta dimensionalità in fisica, finanza e scienza dei dati.

Il nome "Monte Carlo" fu coniato da Nicholas Metropolis, ispirato dallo zio di Stanislaw Ulam, che prendeva in prestito denaro dai parenti per giocare al casinò di Monte Carlo. Lo sviluppo moderno del metodo fu guidato dalla necessità di simulare la diffusione dei neutroni per il Progetto Manhattan presso il Los Alamos National Laboratory. La segretezza del lavoro richiedeva un nome in codice, e "Monte Carlo" fu scelto per il ruolo centrale del caso e dei numeri casuali, analogamente ai giochi d'azzardo come la roulette.

UNESCO Nomenclature: 1202
Informatica

Tipo

Software/Algoritmo

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Il problema dell'ago di Buffon (1777)
  • primi lavori di campionamento statistico di Lord Kelvin, Student (William Sealy Gosset) e altri
  • sviluppo della teoria della probabilità (Laplace, Bernoulli)
  • la legge dei grandi numeri
  • teorema del limite centrale

Applicazioni

  • modellazione finanziaria (prezzi delle opzioni)
  • fisica computazionale (trasporto di particelle)
  • apprendimento automatico (inferenza bayesiana)
  • computer grafica (ray tracing)
  • simulazioni di scoperta di farmaci
  • ensemble di previsioni meteorologiche

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

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Argomenti correlati: Monte Carlo, campionamento casuale, simulazione, metodo numerico, stocastico, probabilità, calcolo, approssimazione, integrazione ad alta dimensionalità, statistica.

Contesto storico

Metodi Monte Carlo

1928
1930
1936
1940
1943
1950
1950
1925
1930
1931
1939
1940
1950
1950
1952

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

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