Wielkie odkrycie 1946 — Ulam, von Neumann

Liczba π metodą Monte Carlo

Rozszerzenie tematu prawdopodobieństwa i pola koła. Losując punkty jednostajnie w kwadracie z wpisanym kołem, stosunek trafień w koło do wszystkich losowań przybliża π/4 — bo to stosunek pól: koła do kwadratu. Im więcej losowań, tym lepsze przybliżenie π. Metodę Monte Carlo wymyślił Stanisław Ulam w 1946 r. w Los Alamos, rozwiniętą z Johnem von Neumannem.

Liczba π metodą Monte Carlo
Matematyka · Prawdopodobieństwo · Liczba π metodą Monte Carlo (1946)
Liczba losowanych punktów NN80 pkt
Zwiększając liczbę losowanych punktów, przybliżenie π…
N (punkty)
80
trafienia w koło
67
estymacja π
3.3500
błąd |Δ|
0.2084
🎯 Wyzwanie: trafuj estymację π
seria: 0

Dam Ci docelową wartość estymaty π — dobierz liczbę losowań N suwakiem tak, by ją uzyskać.

Co się właśnie stało?

Losujemy punkty jednostajnie w kwadracie o boku 2 (od −1 do 1), w który wpisane jest koło o promieniu r = 1. Zliczamy, ile punktów wpadło do koła. Stosunek trafień do wszystkich losowań przybliża stosunek pól: im więcej losowań, tym bliżej prawdziwej wartości.

Wzór Monte Carlo:

π≈4⋅trafienia w kołoN\pi \approx 4\cdot\frac{\text{trafienia w koło}}{N}

— bo pole koła to P=πr2P=\pi r^2, a przy r = 1 pole kwadratu wynosi (2r)2=4(2r)^2 = 4. Stosunek pól to więc dokładnie π/4\pi/4, a losowanie tylko go estymuje.

Niezmiennik — czego losowanie NIE zmienia:

PkołaPkwadratu=πr24r2=π4\frac{P_{koła}}{P_{kwadratu}} = \frac{\pi r^2}{4r^2} = \frac{\pi}{4}

Ten stosunek jest zawsze dokładnie taki sam, niezależnie od N — to czysta geometria. Losowanie punktów tylko go szacuje, z błędem malejącym wraz ze wzrostem N (prawo wielkich liczb).

Skąd wzięła się ta metoda?

Pomysł wpadł do głowy Stanisławowi Ulamowi w 1946 r. w Los Alamos, podczas rekonwalescencji po chorobie — rozmyślając nad grą w pasjansa, zauważył, że zamiast liczyć kombinatorycznie szanse ułożenia kart, można rozegrać wiele losowych partii i zliczyć statystyki. Wspólnie z Johnem von Neumannem rozwinął tę ideę do obliczeń dyfuzji neutronów przy pracach nad bombą wodorową. Nazwę „Monte Carlo" zaproponował Nicholas Metropolis, nawiązując do kasyna w Monte Carlo, gdzie hazardem parał się wuj Ulama.

Co to znaczy w praktyce?

Metoda Monte Carlo to ogólna technika: gdy dokładne obliczenie jest zbyt skomplikowane, losowe próbkowanie daje dobre przybliżenie. Dziś stosuje się ją w fizyce (symulacje jądrowe, cząsteczkowe), finansach (wycena opcji, ryzyko), uczeniu maszynowym i inżynierii.

Po co Ci to na maturze:

Zadania z prawdopodobieństwa geometrycznego liczy się dokładnie ze stosunku pól (jak tutaj: π/4), bez losowania — Monte Carlo to tylko wizualna intuicja, jak taki stosunek estymować, gdy dokładny wzór jest nieznany lub zbyt trudny.

Zapamiętaj: więcej losowań ⇒ mniejszy błąd estymacji, ale stosunek pól P(koła)/P(kwadratu) = π/4 jest stały od zawsze — losowanie go tylko odkrywa.

Model poglądowy · Wirtualne laboratorium NexTutor

Spodobał Ci się eksperyment? Udostępnij go.

Jest darmowy — podeślij znajomym ze szkoły.

Teoria i wzory

Stosunek pól

Koło o promieniu rr wpisane w kwadrat o boku 2r2r: pole kołapole kwadratu=πr2(2r)2=π4\frac{\text{pole koła}}{\text{pole kwadratu}}=\frac{\pi r^2}{(2r)^2}=\frac{\pi}{4}

Szacowanie π

Losując punkty jednostajnie w kwadracie, odsetek trafień w koło dąży do π4\tfrac{\pi}{4}, więc: π≈4⋅trafieniawszystkie losowania\pi\approx 4\cdot\frac{\text{trafienia}}{\text{wszystkie losowania}}

Dokładność

Błąd maleje jak 1N\dfrac{1}{\sqrt{N}} — czterokrotnie więcej losowań daje około dwa razy lepszą dokładność.

Oznaczenia: rr promień, NN liczba losowań, π≈3,14159\pi\approx 3{,}14159.

Uczysz? Umieść ten eksperyment na swojej stronie.

Darmowy widget — wklej na stronę szkoły, bloga lub notatki. Linkuje do pełnej wersji.

Uczysz w klasie albo korepetujesz? Prowadź uczniów w NexTutor →

Najczęstsze pytania

›

Jak losowanie punktów przybliża liczbę π?

Stosunek punktów trafiających w koło do wszystkich losowań przybliża π/4, bo to stosunek pola koła do pola kwadratu.

›

Kto wymyślił metodę Monte Carlo?

Stanisław Ulam w 1946 r. w Los Alamos, rozwiniętą we współpracy z Johnem von Neumannem.

›

Gdzie dziś stosuje się metodę Monte Carlo?

W fizyce, finansach i uczeniu maszynowym — wszędzie, gdzie dokładne obliczenie jest zbyt skomplikowane.