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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].

O procedimento para estimar π é simples e destaca o princípio fundamental de Monte Carlo. Considere um quadrado unitário no plano cartesiano com vértices em (0,0), (1,0), (1,1) e (0,1). Um quarto de círculo de raio 1 está inscrito neste quadrado, centrado na origem. A área do quadrado é 1 e a área do quarto de círculo é π(1)²/4 = π/4. A razão entre a área do quarto de círculo e a área do quadrado é, portanto, π/4.

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.
  • cartesian coordinate system
  • teorema de Pitágoras
  • 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

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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)

Princípios relacionados à invenção, inovação e tecnologia

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