Estimativa de Pi por Monte Carlo
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
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
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Relacionado a: pi, estimativa, Monte Carlo, simulação, números aleatórios, área, probabilidade, integração numérica, círculo, quadrado.