随机化算法
在我们的生活中,人们经常会去掷色子来看结果,投硬币来决定行动,这就牵涉到一个问题:随机。
计算机为我们提供好了随机方法(部分计算器也提供了),那么对于有些具有瑕疵的算法,如果配上随机化算法的话,又是可以得到一样不到的结果。
随机化算法,是一种基于随机方法,依赖于概率大小的一种算法。这种算法看上去是凭着运气做事,其实,随机化算法是有一定的理论基础的,我们可以想象,在[1,10000]这个闭区间里,随机1000次,随机到2这个数的几率是多大,何况1000次的随机在计算机程序中仅仅是一眨眼的功夫。可以看出,随机化算法有着广阔的前景。只是由于随机化算法比较难于掌控,所以并不是很多人都接触过他,但肯定有很多人都听说过。
随机数在随机化算法设计中扮演着十分重要的角色。在现实计算机上无法产生真正的随机数,因此在随机化算法中使用的随机数都是一定程度上随机的,即伪随机数。
线性同余法是产生伪随机数的最常用的方法。由线性同余法产生的随机序列a0,a1,…,an满足:
其中b≥0,c≥0,d≤m。d称为该随机序列的种子。如何选取该方法中的常数b、c和m直接关系到所产生的随机序列的随机性能。这是随机性理论研究的内容。从直观上看,m应取得充分大,因此可取m为机器大数,另外应取gcd(m,b)=1,因此可取b为一素数。
1.用随机投点法计算π值
设有一半径为r的圆及其外切四边形。向该正方形随机地投掷n个点。设落入圆内的点数为k。由于所投入的点在正方形上均匀分布,因而所投入的点落入圆内的概率为
。所以当n足够大时,k与n之比就逼近这一概率。从而。
| double Darts(int n) { // 用随机投点法计算值 static RandomNumber dart; int k=0; for (int i=1;i <=n;i++) { double x=dart.fRandom(); double y=dart.fRandom(); if ((x*x+y*y)<=1) k++; } return 4*k/double(n); } | ![]() |
2.计算定积分
设f(x)是[0,1]上的连续函数,且0≤f(x)≤1。需要计算的积分为
,积分I等于图中的面积G。
在图所示单位正方形内均匀地作投点试验,则随机点落在曲线下面的概率为:
假设向单位正方形内随机地投入n个点(xi,yi)。如果有m个点落入
G内,则随机点落入G内的概率
3.解非线性方程组
求解下面的非线性方程组
其中,x1,x2,…,xn是实变量,fi是未知量x1,x2,…,xn的非线性实函数。要求确定上述方程组在指定求根范围内的一组解
。在指定求根区域D内,选定一个随机点x0作为随机搜索的出发点。在算法的搜索过程中,假设第j步随机搜索得到的随机搜索点为xj。在第j+1步,计算出下一步的随机搜索增量Δxj。从当前点xj依Δxj得到第j+1步的随机搜索点。当x<ε时,取为所求非线性方程组的近似解。否则进行下一步新的随机搜索过程。
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