metodou Monte Carlo J. Matěna, Gymnázium Českolipská, Praha

Podobné dokumenty
Integrální počet funkcí jedné proměnné

Diskrétní náhodná veličina. November 12, 2008

Monte Carlo. Simulační metoda založená na užití stochastických procesů a generace náhodných čísel.

Vzorová písemka č. 1 (rok 2015/2016) - řešení

1. Náhodný vektor (X, Y ) má diskrétní rozdělení s pravděpodobnostní funkcí p, kde. p(x, y) = a(x + y + 1), x, y {0, 1, 2}.

STATISTICKÉ ODHADY Odhady populačních charakteristik

Integrace. Numerické metody 7. května FJFI ČVUT v Praze

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od jara 2014

GEODETICKÉ VÝPOČTY I.

Základy matematiky pro FEK

Zkouška ze Základů vyšší matematiky ZVMTA (LDF, ) 60 minut. Součet Koeficient Body

Teorie. Hinty. kunck6am

MATEMATIKA II V PŘÍKLADECH

Vzdělávací materiál. vytvořený v projektu OP VK. Název školy: Gymnázium, Zábřeh, náměstí Osvobození 20. Číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/34.

VYUŽITÍ PRAVDĚPODOBNOSTNÍ METODY MONTE CARLO V SOUDNÍM INŽENÝRSTVÍ

Někdy lze výsledek pokusu popsat jediným číslem, které označíme X (nebo jiným velkým písmenem). Hodíme dvěma kostkami jaký padl součet?

Teorie. Hinty. kunck6am

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od podzimu 2016

Kombinatorická minimalizace

KŘIVKOVÝ INTEGRÁL V SYSTÉMU MAPLE

Vzdělávací materiál. vytvořený v projektu OP VK. Název školy: Gymnázium, Zábřeh, náměstí Osvobození 20. Číslo projektu: CZ.1.07/1.5.00/34.

ÚSTAV MATEMATIKY A DESKRIPTIVNÍ GEOMETRIE. Matematika 0A1. Cvičení, zimní semestr. Samostatné výstupy. Jan Šafařík

Náhodná veličina a její charakteristiky. Před provedením pokusu jeho výsledek a tedy ani sledovanou hodnotu neznáte. Proto je proměnná, která

5.3. Implicitní funkce a její derivace

Nalezněte hladiny následujících funkcí. Pro které hodnoty C R jsou hladiny neprázdné

Příklad 1. Řešení 1a Máme určit obsah rovinné plochy ohraničené křivkami: ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 14. a) =0, = 1, = b) =4, =0

Seznámíte se s pojmem primitivní funkce a neurčitý integrál funkce jedné proměnné.

Náhodné chyby přímých měření

Wolfram Alpha. v podobě html stránky, samotný výsledek je často doplněn o další informace (např. graf, jiné možné zobrazení výsledku a

CVIČNÝ TEST 40. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 13 IV. Záznamový list 15

PRIMITIVNÍ FUNKCE. Primitivní funkce primitivní funkce. geometrický popis integrály 1 integrály 2 spojité funkce konstrukce prim.

K OZA SE PASE NA POLOVINĚ ZAHRADY Zadání úlohy

PRIMITIVNÍ FUNKCE DEFINICE A MOTIVACE

CVIČNÝ TEST 51. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

, = , = , = , = Pokud primitivní funkci pro proměnnou nevidíme, pomůžeme si v tuto chvíli jednoduchou substitucí = +2 +1, =2 1 = 1 2 1

Náhodné (statistické) chyby přímých měření

9. T r a n s f o r m a c e n á h o d n é v e l i č i n y

Kritický stav jaderného reaktoru

Q(y) dy = P(x) dx + C.

Obsah Obyčejné diferenciální rovnice

(5) Primitivní funkce

rovnic), Definice y + p(x)y = q(x), Je-li q(x) = 0 na M, nazývá se y + p(x)y =

X = x, y = h(x) Y = y. hodnotám x a jedné hodnotě y. Dostaneme tabulku hodnot pravděpodobnostní

Dvojné a trojné integrály příklad 3. x 2 y dx dy,

Vícerozměrná rozdělení

ekologie Pavel Fibich rovnice rovnice Pavel Fibich Shrnutí Literatura

KGG/STG Statistika pro geografy

8 Střední hodnota a rozptyl

Kapitola 7: Integrál. 1/17

Matematické modelování dopravního proudu

Goniometrie a trigonometrie

NÁHODNÁ VELIČINA. 3. cvičení

Integrální počet funkcí jedné proměnné

Odhady - Sdružené rozdělení pravděpodobnosti

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

Seznámíte se s principem integrace metodou per partes a se základními typy integrálů, které lze touto metodou vypočítat.

Gymnázium Česká a Olympijských nadějí, České Budějovice, Česká 64, 37021

Ukázka závěrečného testu

MATEMATIKA III. Olga Majlingová. Učební text pro prezenční studium. Předběžná verze

CVIČNÝ TEST 41. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 7 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ V ROVINĚ

NMAF 051, ZS Zkoušková písemná práce 26. ledna x. x 1 + x dx. q 1. u = x = 1 u2. = 1 u. u 2 (1 + u 2 ) (1 u 2 du = 2.

a počtem sloupců druhé matice. Spočítejme součin A.B. Označme matici A.B = M, pro její prvky platí:

Příklady ke čtvrtému testu - Pravděpodobnost

9. T r a n s f o r m a c e n á h o d n é v e l i č i n y

Zadání. Goniometrie a trigonometrie

MATEMATIKA III. π π π. Program - Dvojný integrál. 1. Vypočtěte dvojrozměrné integrály v obdélníku D: ( ), (, ): 0,1, 0,3, (2 4 ), (, ) : 1,3, 1,1,

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od jara 2016

Matematická analýza III.

na magisterský studijní obor Učitelství matematiky pro střední školy

INTEGRÁLY S PARAMETREM

Substituce ve vícenásobném integrálu verze 1.1

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek ( 2015)


Lekce 4 Statistická termodynamika

2. Numerické výpočty. 1. Numerická derivace funkce

Derivace. 1. Užitím definice derivace vypočtěte derivaci funkce v daném bodě x 0.

NÁHODNÉ VELIČINY JAK SE NÁHODNÁ ČÍSLA PŘEVEDOU NA HODNOTY NÁHODNÝCH VELIČIN?

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek v letech

Zadání a řešení testu z matematiky a zpráva o výsledcích přijímacího řízení do magisterského navazujícího studia od podzimu 2015

Pojmy z kombinatoriky, pravděpodobnosti, znalosti z kapitoly náhodná veličina, znalost parciálních derivací, dvojného integrálu.

2 Zpracování naměřených dat. 2.1 Gaussův zákon chyb. 2.2 Náhodná veličina a její rozdělení

APROXIMACE KŘIVEK V MATLABU TRIGONOMETRICKÉ POLYNOMY CURVE FITTING IN MATLAB TRIGONOMETRIC POLYNOMIAL

URČITÝ INTEGRÁL OBSAH PLOCHY ROVINNÉHO OBRAZCE OHRANIČENÉHO ZADANÝMI KŘIVKAMI

Matematika NÁRODNÍ SROVNÁVACÍ ZKOUŠKY DUBNA 2017

10. cvičení z PST. 5. prosince T = (n 1) S2 X. (n 1) s2 x σ 2 q χ 2 (n 1) (1 α 2 ). q χ 2 (n 1) 2. 2 x. (n 1) s. x = 1 6. x i = 457.

Pravděpodobnost a matematická statistika

Počítačové simulace fyzikálních problému TASEP

Buffonova jehla. Jiří Zelenka. Gymnázium Zikmunda Wintra Rakovník

Numerické řešení variačních úloh v Excelu

Určete zákon rozložení náhodné veličiny, která značí součet ok při hodu a) jednou kostkou, b) dvěma kostkami, c) třemi kostkami.

Radiační zátěž na palubách letadel

CVIČNÝ TEST 11. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 19 IV. Záznamový list 21

MATEMATIKA II - vybrané úlohy ze zkoušek (2015)

Matematická analýza ve Vesmíru. Jiří Bouchala

Příklady pro předmět Aplikovaná matematika (AMA) část 1

Vybraná rozdělení náhodné veličiny

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

Rezonanční jevy na LC oscilátoru a závaží na pružině

Řešení. Označme po řadě F (z) Odtud plyne, že

Transkript:

Výpočet obsahu plošných obrazců metodou Monte Carlo J. Löwit, Gymnázium Českolipská, Praha jakub.lowit@gmail.com J. Matěna, Gymnázium Českolipská, Praha matenajakub@gmail.com J. Novotná, Gymnázium, Chomutov jane.novotna@seznam.cz L. Švamberová, Gymnázium Na Pražačce, Praha lucie.svamberova@seznam.cz Abstrakt V tomto miniprojektu jsme se věnovali výpočtům obsahů ploch obrazců. Porovnávali jsme použití metody Monte Carlo, obdélníkové metody a integrace. Metodu Monte Carlo jsme použili jak pro případy, kde lze snadno vypočítat integrál, tak i tam, kde použití integrace není možné. Pro obdélníkovou metodu jsme používali programovací jazyk C++, pro metodu Monte Carlo jazyk C# a pro vykreslování grafů Maple a Gnuplot. 1 Úvod V různých odvětvích vědy a techniky často potřebujeme znát obsahy různých ploch. Ve většině případů je nejsnazší a nejpřesnější metoda integrování. U složitých funkcí, které neumíme zintegrovat, lze použít obdélníkovou metodu (ta však na rozdíl od integrace není zcela přesná). Metoda Monte Carlo je kromě těchto případů využitelná také tehdy, když není integrály ani obdélníkovou metodu možné použít, např. v případě uzavřených křivek. I metoda Monte Carlo ale je pouze přibližná. Naším cílem bylo ověřit efektivitu obdélníkové metody a metody Monte Carlo ve srovnání s integrací a v případě metody Monte Carlo také stanovit směrodatnou odchylku pro větší počet měření. 2 Metody Určitý integrál Určitý integrál označujeme symbolem b a f(x) dx.

Udává obsah plochy, která je ohraničena grafem funkce f(x), osou x a přímkami x = a a x = b. Obdélníková metoda V případě obdélníkové metody konstruujeme obdélníky, které se jedním svým daným bodem horní hrany (např. levý nebo pravý kraj) dotýkají grafu funkce a jsou stejně široké (viz obrázek 1). Plochu pod grafem křivky získáme jako součet obsahů těchto obdélníků. Čím jsou obdélníky užší (a tedy jich je větší počet), tím je metoda přesnější. Pokud by takových obdélníků bylo nekonečně mnoho, blížila by se výsledná plocha určitému integrálu. Monte Carlo Metoda Monte Carlo je pravděpodobnostní metoda, používaná kromě výpočtu obsahů ploch i v mnoha dalších odvětvích, např. v biologii, částicové fyzice či u hazardních her. Obecný princip spočívá v určení střední hodnoty z náhodně generovaných čísel. Konkrétně u plošných útvarů to provádíme tak, že daný útvar ohraničíme plochou, jejíž obsah umíme vypočítat, a poté počítačem generujeme body a zjišťujeme, zda bod leží uvnitř daného útvaru či nikoli. Následně postupujeme podle vztahu N in S obr = S oblast, N celkem kde S obr je hledaný obsah plochy, S oblast je obsah plochy, která ohraničuje daný útvar, N in je počet vygenerovaných bodů, které jsou podmnožinou daného útvaru, a N celkem je celkový počet vygenerovaných bodů. Dále je pro metodu Monte Carlo možné odvodit směrodatnou odchylku [1]. Pokud jako N označíme celkový počet vygenerovaných bodů, chová se odchylka jako 1 N, (1) nezávisle na počtu dimenzí. Znamená to, že pokud počet generovaných bodů zvýšíme např. stokrát, zmenší se odchylka zhruba desetkrát. 3 Výsledky Plocha pod křivkou. Měli jsme dánu funkci f(x) = sin 2 (x) cos(x), (2) kterou lze zintegrovat a zjistit tak přesný obsah plochy. Pro určitý integrál platí π 2 π 2 sin 2 (x) cos(x) dx = [ ] π 1 2 3 sin3 (x) π 2 = 2 3. Poté jsme určovali obsah plochy pod tímto grafem pomocí obdélníkové metody. Výsledky našich měření jsou v tabulce 1.

# obdélníků součet ploch 100 0,666505 200 0,666627 300 0,66665 400 0,666656 500 0,66666 600 0,66666 700 0,666664 800 0,666662 900 0,666664 1000 0,666665 Obr 1. Obdélníková metoda pro (2), použito dělení na 16 obdélníků. Tab 1. Výsledky obdélníkové metody Plocha pod křivkou podruhé. Druhá zadaná funkce ( ) sin(x 2 ) f(x) = exp sin(x) (3) (x + 0,5) 2 je složitější a neumíme ji zintegrovat. Zde jsme porovnávali metodu Monte Carlo a obdélníkovou metodu. # obdélníků součet ploch 100 4,31628 200 4,31654 300 4,31657 400 4,31659 500 4,3166 600 4,31659 700 4,31662 800 4,31665 900 4,31657 1000 4,31657 Obr 2. Monte Carlo pro (3), body pod křivkou jsou tmavší barvou Tab 2. Výsledky obdélníkové metody Při určování plochy metodou Monte Carlo jsme zvyšovali počet generovaných bodů a pro každý počet prováděli deset opakování. Výsledky jsou v tabulce 3. Ve sloupcích jsou různé počty bodů a v řádcích jednotlivá opakování. E je aritmetický průměr deseti pokusů, který považujeme za náš výsledek, σ je směrodatná odchylka. Z tabulky vidíme, že hodnoty směrodatné odchylky se chovají přibližně jako (1).

10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 1. 5,6549 5,2779 4,1846 4,3222 4,3352 4,3201 4,3159 4,3171 2. 6,5973 3,9584 4,2788 4,3250 4,3380 4,3222 4,3162 4,3167 3. 6,5973 4,5239 4,4673 4,4287 4,3313 4,3134 4,3175 4,3173 4. 4,7124 4,3354 4,1092 4,2430 4,3433 4,3129 4,3148 4,3170 5. 2,8274 4,2412 4,2506 4,3203 4,3169 4,3182 4,3177 4,3168 6. 2,8274 4,1469 4,3637 4,3806 4,3168 4,3126 4,3140 4,3164 7. 5,6549 3,8642 4,2129 4,3618 4,3241 4,3150 4,3139 4,3159 8. 5,6549 4,9951 4,2223 4,2525 4,3224 4,3123 4,3162 4,3157 9. 5,6549 4,0527 4,1563 4,1969 4,2934 4,3104 4,3183 4,3163 10. 1,8850 3,8642 4,3637 4,3505 4,3319 4,3097 4,3177 4,3163 E 4,8066 4,3260 4,2609 4,3182 4,3253 4,3147 4,3162 4,3165 σ 1,6022 0,4548 0,1038 0,0662 0,0135 0,0040 0,0015 0,0005 Tab 3. Výsledky Monte Carlo pro (3) Plocha uvnitř křivky. Ve třetím případě jsme měli zadanou uzavřenou křivku o rovnici x 2 + y 2 = ( 1 + 0,5 cos ( 6 arctan ( y x))) 2. (4) Obsah její plochy jsme počítali pouze s užitím metody Monte Carlo, ostatní metody nelze použít. Obr 3. Monte Carlo pro (4)

10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 1. 4,2000 3,3600 3,3768 3,5087 3,5445 3,5357 3,5351 3,5342 2. 2,5200 3,3600 3,5700 3,4633 3,5292 3,5423 3,5348 3,5345 3. 0,8400 3,1080 3,6372 3,5078 3,5062 3,5373 3,5335 3,5336 4. 4,2000 3,8640 3,5280 3,4927 3,5230 3,5322 3,5333 3,5350 5. 3,3600 3,2760 3,3684 3,5196 3,5332 3,5346 3,5340 3,5349 6. 5,0400 3,5280 3,6540 3,4986 3,5357 3,5333 3,5334 3,5346 7. 1,6800 3,6960 3,6708 3,5524 3,5397 3,5287 3,5329 3,5348 8. 2,5200 3,6960 3,5616 3,5599 3,5519 3,5290 3,5335 3,5342 9. 2,5200 3,7800 3,6204 3,5759 3,5454 3,5331 3,5342 3,5346 10. 1,6800 2,8560 3,5532 3,5272 3,5550 3,5422 3,5360 3,5342 E 2,8560 3,4524 3,5540 3,5206 3,5364 3,5348 3,5341 3,5344 σ 1,2572 0,3039 0,1009 0,0324 0,0138 0,0045 0,0009 0,0004 Tab 4. Výsledky Monte Carlo pro (4) 4 Závěr Vyzkoušením jmenovaných tří metod jsme ověřili, že při velkém počtu obdélníků je obdélníková metoda velmi přesná, a velmi přesná je i metoda Monte Carlo při velkém počtu generovaných bodů. Došli jsme k tomu, že pokud lze danou funkci integrovat, je integrál nejpřesnější metodou výpočtu plochy. Pokud máme funkci, kterou zintegrovat neumíme, je obdélníková metoda výhodnější. Metoda Monte Carlo je pro tyto případy časově nejnáročnější, ale v některých případech jde o jedinou možnost výpočtu plochy. Poděkování Rádi bychom poděkovali našemu supervisorovi Ing. Petrovi Ambrožovi, Ph.D. za seznámení s tématem miniprojektu a pomoc při jeho zpracovávání. Dále bychom chtěli poděkovat organizátorům Týdnu vědy na Jaderce za možnost realizování tohoto miniprojektu. Reference [1] Stefan Weinzierl, Introduction to Monte Carlo Methods, Nikhef Lecture Notes (2000), ArXiv: http://arxiv.org/abs/hep-ph/0006269 [2] Vojtěch Jarník, Integrální počet (I), Academia Praha (1984)