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Estimativa de Pi por Monte Carlo

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

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

Uma ilustração clássica do Método de Monte Carlo está estimando o valor de [latex]pi[/latex]. Ao inscrever um círculo de raio [latex]r[/latex] em um quadrado de lado [latex]2r[/latex], a razão entre suas áreas é [latex]frac{pi r^2}{(2r)^2} = frac{pi}{4}[/latex]. Aleatoriamente dispersão pontos dentro do quadrado e contando a fração [latex]p[/latex] que caem dentro do círculo fornece uma estimativa: [latex]pi approx 4p[/latex].

The procedure for estimating [latex]\pi[/latex] is straightforward and highlights the core Monte Carlo principle. Consider a unit square in the Cartesian plane with vertices at (0,0), (1,0), (1,1), and (0,1). A quarter circle of radius 1 is inscribed within this square, centered at the origin. The area of the square is 1, and the area of the quarter circle is [latex]\frac{\pi(1)^2}{4} = \frac{\pi}{4}[/latex]. The ratio of the quarter circle’s area to the square’s area is therefore [latex]\frac{\pi}{4}[/latex].

Para estimar essa proporção, geramos um grande número, [latex]N[/latex], de pontos aleatórios [latex](x, y)[/latex] onde tanto [latex]x[/latex] quanto [latex]y[/latex] são uniformemente distribuídos entre 0 e 1. Cada ponto tem a mesma probabilidade de cair em qualquer lugar dentro do quadrado. Um ponto [latex](x, y)[/latex] cai dentro do quarto de círculo se sua distância da origem for menor ou igual a 1, o que é determinado pela condição [latex]x^2 + y^2 le 1[/latex]. Contamos o número de pontos, [latex]M[/latex], que satisfazem essa condição. A proporção [latex]frac{M}{N}[/latex] é uma estimativa da proporção das áreas, [latex]frac{pi}{4}[/latex]. Portanto, podemos aproximar π como π ≈ 4M/N. De acordo com a lei dos grandes números, à medida que N tende ao infinito, essa aproximação converge para o valor verdadeiro de π. No entanto, a convergência é lenta, com o erro diminuindo proporcionalmente a 1/√N, tornando-se um método muito ineficiente para calcular π com alta precisão em comparação com algoritmos determinísticos.

UNESCO Nomenclature: 1202
Ciências da Computação

Tipo

Software/Algoritmo

Interrupção

Incremental

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • O conceito de pi como a razão entre a circunferência de um círculo e seu diâmetro.
  • coordenada cartesiana sistema
  • pythagorean theorem
  • distribuição de probabilidade uniforme
  • desenvolvimento de geradores de números pseudoaleatórios

Aplicações

  • Ferramenta pedagógica para o ensino de probabilidade e simulação.
  • Critério de avaliação simples para geradores de números aleatórios
  • problema introdutório em cursos de ciência computacional

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • estimating volumes of high-dimensional geometric objects in data analysis
  • calculating probabilities of rare events in complex systems
  • a simplified method for students to test and visualize the law of large numbers
  • developing intuitive interfaces for teaching statistical concepts
  • gamified apps that use user-generated randomness to approximate constants
  • benchmarking performance of parallel computing architectures
  • estimating the area of fractal shapes
  • a basis for more complex stochastic geometry algorithms
  • visualizing sampling bias in statistical experiments
  • creating procedural art based on random point distributions
Relacionado a: pi, estimativa, Monte Carlo, simulação, números aleatórios, área, probabilidade, integração numérica, círculo, quadrado.

Contexto histórico

Estimativa de Pi por Monte Carlo

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

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

10º ano aniversário

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