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円周率のモンテカルロ推定

1950
Classroom demonstration of Monte Carlo method for estimating Pi in numerical analysis.

(画像はイメージです)

古典的なイラスト モンテカルロ法 円周率πの値を推定します。半径rの円を辺の長さ2rの正方形に内接させると、面積比はπr²/(2r)² = π/4となります。 散乱 正方形内の点を数え、円の内側に入る割合 [latex]p[/latex] を数えると、推定値が得られます: [latex]pi approx 4p[/latex]。

π を推定する手順は簡単で、モンテカルロ法の基本原理を明確に示しています。デカルト座標系において、頂点が (0,0)、(1,0)、(1,1)、(0,1) である単位正方形を考えます。この正方形の内側に、原点を中心とする半径 1 の四分円を内接させます。正方形の面積は 1 であり、四分円の面積は π(1)²/4 = π/4 です。したがって、四分円の面積と正方形の面積の比は π/4 です。

この比率を推定するために、[latex]x[/latex]と[latex]y[/latex]の両方が0から1の間で一様に分布する多数のランダムな点[latex](x, y)[/latex]を[latex]N[/latex]生成します。各点は正方形内のどこにでも着地する確率が等しくなります。点[latex](x, y)[/latex]は、原点からの距離が1以下である場合に四分円内に収まります。これは条件[latex]x^2 + y^2 le 1[/latex]によって決定されます。この条件を満たす点の数[latex]M[/latex]を数えます。比率[latex]frac{M}{N}[/latex]は、面積の比率[latex]frac{pi}{4}[/latex]の推定値です。したがって、[latex]pi[/latex] は [latex]pi approx 4 frac{M}{N}[/latex] と近似できます。大数の法則によれば、[latex]N[/latex] が無限大に近づくにつれて、この近似値は [latex]pi[/latex] の真の値に収束します。しかし、収束は遅く、誤差は [latex]frac{1}{sqrt{N}}[/latex] に比例して減少するため、決定論的アルゴリズムと比較して、高精度で [latex]pi[/latex] を計算するには非常に非効率的な方法です。

UNESCO Nomenclature: 1202
コンピュータサイエンス

タイプ

ソフトウェア/アルゴリズム

混乱

増分

使用法

広く普及している

前駆物質

  • 円周率πの概念は、円周と直径の比として定義される。
  • cartesian coordinate system
  • ピタゴラスの定理
  • 一様確率分布
  • 擬似乱数発生器の開発

アプリケーション

  • 確率とシミュレーションを教えるための教育ツール
  • 乱数発生器の簡単なベンチマーク
  • 計算科学コースにおける入門問題

特許:

NA

潜在的なイノベーションのアイデア

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関連キーワード:円周率、推定、モンテカルロ法、シミュレーション、乱数、面積、確率、数値積分、円、正方形。

歴史的背景

円周率のモンテカルロ推定

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(日付が不明または関連性がない場合、例えば「流体力学」などでは、その注目すべき出現時期の概算値が提示されます。)

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