Véletlen szám generálás

Hasonló dokumentumok
Véletlen bolyongás. Márkus László március 17. Márkus László Véletlen bolyongás március / 31

12. előadás - Markov-láncok I.

Markov-láncok stacionárius eloszlása

(Diszkrét idejű Markov-láncok állapotainak

Abszolút folytonos valószín ségi változó (4. el adás)

Legyen adott egy S diszkrét halmaz. Leggyakrabban S az egész számoknak egy halmaza, például S = {0, 1, 2,..., N}, {0, 1, 2,... }.

Sztochasztikus folyamatok alapfogalmak

Valószínűségi változók. Várható érték és szórás

Véletlenszám generátorok és tesztelésük HORVÁTH BÁLINT

egyenletesen, és c olyan színű golyót teszünk az urnába, amilyen színűt húztunk. Bizonyítsuk

Lehetséges vizsgálatok III: Szimmetrikus bolyongás Jobbra => +1; Balra => -1 P(jobbra) = P(balra) = ½

Készítette: Fegyverneki Sándor

A következő feladat célja az, hogy egyszerű módon konstruáljunk Poisson folyamatokat.

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

Megoldások. ξ jelölje az első meghibásodásig eltelt időt. Akkor ξ N(6, 4; 2, 3) normális eloszlású P (ξ

Jármőtervezés és vizsgálat I. VALÓSZÍNŐSÉGSZÁMÍTÁSI ALAPFOGALMAK Dr. Márialigeti János

minden x D esetén, akkor x 0 -at a függvény maximumhelyének mondjuk, f(x 0 )-at pedig az (abszolút) maximumértékének.

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

Eseményalgebra. Esemény: minden amirl a kísérlet elvégzése során eldönthet egyértelmen hogy a kísérlet során bekövetkezett-e vagy sem.

Gazdasági matematika II. vizsgadolgozat megoldása, június 10

Véletlen bolyongás. 2. rész. Márkus László jegyzete alapján Tóth Tamás december 10.

0,424 0,576. f) P (X 2 = 3) g) P (X 3 = 1) h) P (X 4 = 1 vagy 2 X 2 = 2) i) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2 X 0 = 2) j) P (X 7 = 3, X 4 = 1, X 2 = 2)

Matematikai alapok és valószínőségszámítás. Valószínőségi eloszlások Binomiális eloszlás

Véletlenszám generátorok és tesztelésük. Tossenberger Tamás

BIOMATEMATIKA ELŐADÁS

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

1. Példa. A gamma függvény és a Fubini-tétel.

előadás Diszkrét idejű tömegkiszolgálási modellek Poisson-folyamat Folytonos idejű Markov-láncok Folytonos idejű sorbanállás

Yule és Galton-Watson folyamatok

Továbblépés. Általános, lineáris modell. Példák. Jellemzık. Matematikai statisztika 12. elıadás,

Mesterséges Intelligencia I.

x, x R, x rögzített esetén esemény. : ( ) x Valószínűségi Változó: Feltételes valószínűség: Teljes valószínűség Tétele: Bayes Tétel:

Gyakorló feladatok I.

3. előadás Stabilitás

4. Az A és B események egymást kizáró eseményeknek vagy idegen (diszjunkt)eseményeknek nevezzük, ha AB=O

Matematika III. harmadik előadás

3. Lineáris differenciálegyenletek

Matematika A3 Valószínűségszámítás, 5. gyakorlat 2013/14. tavaszi félév

f(x) vagy f(x) a (x x 0 )-t használjuk. lim melyekre Mivel itt ɛ > 0 tetszőlegesen kicsi, így a a = 0, a = a, ami ellentmondás, bizonyítva

Bevezetés az algebrába 2

e (t µ) 2 f (t) = 1 F (t) = 1 Normális eloszlás negyedik centrális momentuma:

A lineáris algebrában központi szerepet betöltı vektortér fogalmát értelmezzük most, s megvizsgáljuk e struktúra legfontosabb egyszerő tulajdonságait.

6. Függvények. Legyen függvény és nem üreshalmaz. A függvényt az f K-ra való kiterjesztésének

FEGYVERNEKI SÁNDOR, Valószínűség-sZÁMÍTÁs És MATEMATIKAI

CHT& NSZT Hoeffding NET mom. stabilis november 9.

Gazdasági matematika II. vizsgadolgozat, megoldással,

Valószín ségszámítás és statisztika

Centrális határeloszlás-tétel

1. Diagonalizálás. A Hom(V) diagonalizálható, ha van olyan bázis, amelyben A mátrixa diagonális. A diagonalizálható van sajátvektorokból álló bázis.

Exponenciális, logaritmikus függvények

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Gazdasági matematika II. tanmenet

2012. október 2 és 4. Dr. Vincze Szilvia

VIK A1 Matematika BOSCH, Hatvan, 5. Gyakorlati anyag

Valószínűségszámítás összefoglaló

VIK A2 Matematika - BOSCH, Hatvan, 3. Gyakorlati anyag. Mátrix rangja

Sorozatok, sorok, függvények határértéke és folytonossága Leindler Schipp - Analízis I. könyve + jegyzetek, kidolgozások alapján

1. feladatsor: Vektorterek, lineáris kombináció, mátrixok, determináns (megoldás)

Funkcionálanalízis. n=1. n=1. x n y n. n=1

Szám. szim. labor ea. Tőke Csaba U(0,1) GSL. Adott eloszlás. Brown-mozgás. Hivatkozások. BME Fizika Intézet október 7.

Biomatematika 2 Orvosi biometria

Elméleti összefoglaló a Valószín ségszámítás kurzushoz

Radioaktív bomlási sor szimulációja

Mérhetőség, σ-algebrák, Lebesgue Stieltjes-integrál, véletlen változók és eloszlásfüggvényeik

Matematikai statisztika I. témakör: Valószínűségszámítási ismétlés

Feladatok a Gazdasági matematika II. tárgy gyakorlataihoz

Boros Zoltán február

Nemparaméteres próbák

2. SZÉLSŽÉRTÉKSZÁMÍTÁS. 2.1 A széls érték fogalma, létezése

Hidden Markov Model. March 12, 2013

Sztochasztikus folyamatok

A sorozat fogalma. függvényeket sorozatoknak nevezzük. Amennyiben az értékkészlet. az értékkészlet a komplex számok halmaza, akkor komplex

Matematikai alapok és valószínőségszámítás. Normál eloszlás

A fontosabb definíciók

Egyváltozós függvények 1.

alakú számot normalizált lebegőpontos számnak nevezik, ha ,, és. ( : mantissza, : mantissza hossza, : karakterisztika) Jelölés: Gépi számhalmaz:

Statisztika - bevezetés Méréselmélet PE MIK MI_BSc VI_BSc 1

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy ősz

4. rész. Nevezetes eloszlások és generálásuk. Játék a véletlennel. Komputerstatisztika kurzus

Biometria gyakorló feladatok BsC hallgatók számára

Tanmenet a évf. fakultációs csoport MATEMATIKA tantárgyának tanításához

Számítási feladatok a Számítógépi geometria órához

Gazdasági matematika II. vizsgadolgozat megoldása A csoport

Szemidenit optimalizálás és az S-lemma

6. Függvények. 1. Az alábbi függvények közül melyik szigorúan monoton növekvő a 0;1 intervallumban?

Infobionika ROBOTIKA. X. Előadás. Robot manipulátorok II. Direkt és inverz kinematika. Készült a HEFOP P /1.0 projekt keretében

VEKTORTEREK I. VEKTORTÉR, ALTÉR, GENERÁTORRENDSZER október 15. Irodalom. További ajánlott feladatok

1. Homogén lineáris egyenletrendszer megoldástere

KÖZELÍTŐ INFERENCIA II.

Matematika alapjai; Feladatok

Fraktálok. Kontrakciók Affin leképezések. Czirbusz Sándor ELTE IK, Komputeralgebra Tanszék. TARTALOMJEGYZÉK Kontrakciók Affin transzformációk

[Biomatematika 2] Orvosi biometria

6. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 6. előadás Bázis, dimenzió

Fraktálok. Hausdorff távolság. Czirbusz Sándor ELTE IK, Komputeralgebra Tanszék március 14.

Nagy Gábor compalg.inf.elte.hu/ nagy ősz

Valós függvények tulajdonságai és határérték-számítása

TERMÉKEK MŐSZAKI TERVEZÉSE Megbízhatóságra, élettartamra tervezés I.

Diszkrét Matematika MSc hallgatók számára. 4. Előadás

Hamming-kód. Definíció. Az 1-hibajavító, perfekt lineáris kódot Hamming-kódnak nevezzük. F 2 fölötti vektorokkal foglalkozunk.

f(x) a (x x 0 )-t használjuk.

Átírás:

2. elıadás Véletlen szám generálás LCG: (0 < m, 0 <a< m, 0 <c< m, 0 <X 0 < m) Jól bevált paraméterválasztások:. Borland C/C ++ m=2 32, a=664525, c=03904223 2. Delphi, Pascal m=2 32, a=3477583, c=

Véletlen szám generálás inverz módszerrel Tétel: Legyen X val. vált., F eloszlásfüggvénnyel, amely monoton növekedı és folytonos. Ekkor i. F(X) egyenletes eloszlású [0,] en ii. Ha U ~ U(0,) akkor F - (U) eloszlásfüggvénye F. Pl.: Ha X ~ exp(λ) F(x)=-exp(-λx) F - (x)= -ln(-x)/ λ -ln(-u)/ λ ~ exp(λ) Kiterjesztése: általánosított inverz: F - (x)= inf{x F(x)=y} Exponenciális minta (λ=5) 2

Exponenciális minta (λ=5) Neumann módszer Legyen f(x) tetszıleges sőrőségfüggvény,g(x) pedig olyan sőrőségfüggvény, amelyre f(x) < Mg(x), valamely M> esetén és g(x)-bıl könnyen tudunk mintát venni (tipikus példa az egyenletes eloszlás). Algoritmus:. Vegyünk mintát: u=>u(0,) -bıl, x=>g(x) - bıl 2. Ha u<f(x)/mg(x), akkor x-et elfogadjuk 3. Különben elutasítjuk, és -be lépünk. 3

Normális eloszlású véletlen szám Box-Müller módszer Legyen U,V független, E[0;] eloszlású. Ekkor 2lnU sin(2πv ), 2lnU cos(2πv ) két független standard normális eloszlású változó lesz. Véletlen bolyongás S n = X +X 2 + +X n a bolyongást végzı részecske helyzete n lépés után. A lépések egymástól függetlenek. + p valószínőséggel X i = -p valószínőséggel Tipikusan p=/2 (szimmetrikus bolyongás) Stein tétele értelmében minden korlátos intervallumból kilép a bolyongás. Példa: X i az i-dik érmedobásnál a nyereményünk ( Ft-ot nyerünk, ha fej, Ft-ot vesztünk, ha írás), S n pedig az össznyereményünk n játék után. 4

A tükrözési elv Elıbb: szimuláció A,B egész koordinátájú pontok az x 0 félsíkon. A-ból B-be vezetı út: olyan trajektória, melyet a véletlen bolyongás be tud járni. Tükrözési elv: legyen A és B az x tengely azonos oldalán levı két pont. Jelölje A az A tükörképét az x tengelyre. Ekkor az A- ból B-be vezetı azon utak száma, amelyeknek az x tengellyel van közös pontjuk, megegyezik az A -bıl B-be vezetı utak számával. Bizonyítás. Az A B tengelyt metszı útnál tükrözzük az x tengelyre az elsı metszéspontig terjedı szakaszt. Így egy A B utat kapunk. A megfeleltetés kölcsönösen egyértelmő, tehát a két típusú utak száma azonos. 5

Elemi valószínőségek Legyen q 2n,2k =P(S 2n =2k). Megállapodás szerint S 0 =0, így q 0,0 =. 2n 2n q2 n,2k = 2 k = 0,,2,... n n + k Ballot lemma. Ha két jelölt közül az egyik (A) a db, míg a másik (B) b db szavazatot kapott (a>b) akkor annak a valószínősége, hogy az A végig vezetett, (a-b)/(a+b). A szimmetrikus bolyongás jelöléseivel ez a b P( S > 0, S2 > 0,... Sa+ b = a b) = a + b + b a Az (,) pontból az (a+b,a-b) szimuláció a pontba vezetı jó utak száma: a b a + b + a a Az origóba való visszatérés u 2k : annak valószínősége, hogy a részecske 2k lépés után az origóban van. 2k k 2 u2k = 2k Legyen t az origóba való elsı visszatérés idıpontja: t min{ k : 0 < k, S = 0} = k f 2k annak a valószínősége, hogy elıször a 2k idıpontban tér vissza az origóba (k>0): f 2k =P(t=2k). Ezek egymást kizáró események, így f 2 +f 4 +f 6 +.... 6

Az elsı visszatérés eloszlása Állítás. P(S 0,..., S 2n 0)=P(S 2n =0) Biz. ötlet: bontsuk fel a pozitív utakat a végpont szerint és alkalmazzuk a Ballot lemmánál látott leszámlálást. Ebbıl f 2n = u 2n-2 -u 2n = u 2n /(2n-), amibıl adódik, hogy a bolyongás valószínőséggel visszatér. f 2n nagyságrendje: cn -3/2, ami miatt az origóba való visszatérés idıpontjának nem véges a várható értéke. Utolsó visszatérés A bolyongást 2n-ig vizsgálva, annak valószínősége, hogy a részecske a 2k-dik idıpontban tér vissza utoljára az origóba: 2k 2n 2k k n k u2u k 2n 2k = 2n 2 π k( n k) ha k és n is nagy. Ennek a függvénynek az n/2 ben minimuma van és szimmetrikus is n/2-re. szimuláció 7

A vezetés aránya Állítás. Annak a valószínősége, hogy a [0,2n] idıintervallumból 2k egységnyi a pozitív oldalon és 2n-2k egységnyi a negatív oldalon van: u 2k u 2n-2k.(S 2k =0 pontosan akkor pozitív, ha S 2k- >0.) Bizonyítás. Teljes indukcióval. n= triviális. Ha 0<2k<2n lépést tölt a pozitív oldalon, akkor az elsı visszatérés 2r<2n lépés után következett be. Ha eddig a pozitív oldalon volt, akkor a hátralévı idıbıl 2k-2r, míg egyébként 2k egységnyit tölt a pozitív oldalon. Ebbıl a keresett valószínőségre b 2k,2n = 2 r= ahonnan az indukciós feltevés értelmében b 2k,2n = 2 k r= f 2r u k f 2k 2ru2n 2k + 2rb2k 2r,2n 2r + 2 n k r= f 2r u 2k 2 u n k r= f 2n 2r 2k b 2r 2k,2n 2r Többdimenziós véletlen bolyongás Kétdimenzióban: Lehetséges lépések a tengelyek irányában: ¼-¼ valószínőséggel. Itt is valószínőségő a visszatérés. Három dimenzióban: Lehetséges lépések a tengelyek irányában: /6-/6 valószínőséggel. Itt már -nél kisebb valószínőségő a visszatérés (Pólya tétele). 8

Markov láncok Legyen X =(X, X 2,..., X n ): Ω I n diszkrét valószínőségi vektorváltozó. Eddig a független esetet vizsgáltuk. Most eltekintünk ettıl. Q X (k):=p {ω: X(ω)= k} az X eloszlása I d elemein.reális, de a függetlenségnél gyengébb feltételt keresünk. Tegyük fel, hogy P(X m = k m ) valószínőségeket megadásához elegendı az X m- értéket ismerni. Azaz P(X m = k m X i = k i minden i m--re)= P(X m = k m X m- = k m- ) (Markov tulajdonság). Azaz a Markov lánc következı értékének eloszlását meghatározza a lánc jelenlegi állapota. Példák Ha az X =(X, X 2,..., X n ): Ω I n diszkrét valószínőségi vektorváltozó koordinátái függetlenek, akkor a sorozat Markov lánc. Ha X n =X n- + Y n ahol Y n és X n- független, akkor X n Markov lánc. További egyszerősítés: tegyük fel, hogy a P(X m = k m X m- = k m- ) átmenetvalószínőségek nem függnek m-tıl (homogén Markov lánc). Jelölés: p ij :=P(X m = j X m- = i) átmenetvalószínőség-mátrix. A hımérséklet napi értéke feltehetıen nem homogén Markov lánc, mert ha ma 0 fok volt, akkor ha nyár van, akkor holnap inkább melegebb lesz, míg télen inkább hidegebb. 9

Többlépéses átmenetvalószínőségek P(X m = j X m-2 = i) kiszámítása: P( X = j Xm = i) = P( Xm = j Xm = k) P( Xm = k Xm 2 m 2 = i k I (elnevezés: Chapman-Kolmogorov egyenlet). azaz a P (2) kétlépéses átmenetvalószínőség-mátrixra P (2) = P 2 (mátrix-hatvány). Ugyanígy a k-lépésesre P (k) = P k. Példa: a szimmetrikus bolyongásnál p i,i+ = p i,i- =/2, a többi j-re p i,j =0. Ebbıl a kétlépéses átmenetvalószínőségek: p i,i+2 = p i,i-2 =/4, p i,i =/2, a többi j-re p i,j =0 ) Tulajdonságok P minden elemére p i,j 0. pk, j = P( Xm = j Xm = k) = j I j I A fenti tulajdonságok P k -ra is igazak. Az i-bıl a j elérhetı (i j), ha van olyan k, melyre p (k) i,j >0. Az i-és a j állapotok érintkezıek, ha i j és j i. Az állapotok (I elemei) osztályozhatóak aszerint, hogy érintkezıek-e. 0

Példák A szimmetrikus bolyongásnál bármely két állapot érintkezı. Az elnyelı falas bolyongásnál (addig játszunk, míg vagy a a pontba vagy a b pontba nem jutunk), a két végállapot csak önmagával érintkezik. A populációs modelleknél (I a populáció egyedszáma) a 0 csak önmagával érintkezik. További definíciók A Markov lánc irreducibilis, ha csak egy osztályból áll. f i (k) :=P(X k =i, X k- i, X k-2 i,, X i X 0 =i) az i-be való elsı visszatérés valószínősége. p i (k) :=P(X k =i X 0 =i) az i-be való, k-lépésben történı visszatérés valószínősége. Az i állapot visszatérı, ha ( k ) f i = Az i állapot periódusa d, ha d=lnko{k: p i (k) >0}. A visszatérıség és a periódus is osztálytulajdonság. k

Stacionér eloszlás Ha megadható olyan π eloszlás az állapottéren, melyre teljesül, hogy πp=π, akkor ezt a Markov lánc stacionér eloszlásának nevezzük. Lineáris egyenletrendszer megoldásaként kaphatjuk meg. Nem irreducibilis esetben nem egyértelmő. Ha teljesül, hogy tetszıleges X 0 kiinduló eloszlás esetén az X n eloszlása konvergál a stacionér eloszláshoz, akkor azt mondjuk, hogy a Markov-lánc ergodikus. Ergodikus láncok Tétel. Ha a Markov-lánc aperiodikus (d=), irreducibilis és van olyan n, hogy P n -nek van csupa pozitív elembıl álló oszlopa, akkor a Markov-lánc ergodikus. A konvergencia általában meglehetısen gyors, bár függ a kiinduló eloszlástól. Ergodikus esetben a π funkcionáljai (pl. Eπ) közelíthetıek a tapasztalati értékeivel: f (π ) n i= f ( X i ) / n 2