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基于梯型密度函数的连续分布随机数近似

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万方数据高校应用数学学报A辑Appl. Math. J. Chinese Univ. Set. A2004,19(1):】18-124基于梯型密度函数的连续分布随机数近似生成方法                张杰1,杨振海“(1.北京工业大学经济与管理学院管理信忠系,北京100022;2.北京工业大学应用数学系,北京100022)            摘要:讨论了产生连续分布随机数的近似方法,给出了基于梯型密度函数表示的连续分布随机数近似算法,应用近似算法给出了儿种常见类型随机数的实验结果.关键词:Monte Carlo模拟;梯型密度A数;误差精度中图分类号:0212.2文献标识码:A文章编号:1000-4424(2004)01-0118-07'1引言    蒙特K洛方法是基于统计抽样实验来模拟求解物理和数学问题的技术,随机数的产生是模型技术的基础.由于实际问题中会遇到各种类型的分布,产生一般分布随机数的通用算法一直为人们关注.Hermann",研究了取对数后为凹函数的一类密度函数随机数的产生方F!; , Evan"J应用函数凸[!9性研究了一般分布函数随机数的产生方法.Pang, W. K.等:31提出了产生密度函数随机数的垂直带状方法.本文讨论了产生随机数的近似方法,给出了基于梯型密度函数表示的连续分布随机数近似算法和几种常见类型随机数的实验结果.'2梯型密度函数随机数产生方法    首先给出一个引理,作为例子给出三角型密度函数和梯型密度函数随机数的产生方法.引理t    +:由函数f(x)确定的平面区域Dz(f)为D2                     (f)={x,=(x󰀀x, ):。镇x; < f (x0 }.X:二(X󰀀X2)为D2(f)上的均匀分布随机向量.若f(x)为概率密度函数,则有以下结论:1.     X的密度函数为f(二).收稿日期2003-11-10万方数据张杰等:基于梯型密度函数的连续分布随机数近似生成方法1192.X,     "W度29数XJ L(Df(x)).其中Df(v)一左x写1收)乡勺},乙()为一维勒贝格#!9 a函数.    3. X:一二时,X的条件分布为Dr(v)上均匀分布随机变量.三角型区域Tr     ,-.,j和梯型区域Ta。d.h]如下图表示,若(X,Y)为7'r[o.b,c.b.l均匀随机向量时,X的密度函数为三角型密度函数,若(X ,Y)为Taco.b.,.d.h)上的均匀随机向量时,X的密度函数为梯型密度函数.由引理结论可直接求出三角型密度函数和梯型密度函数,三角型密度函数tr。,)(劝与三角型区域的高度h无关,梯型密度函数La,a,b,a}d(对与梯型区域的高度h无关.b  d图1梯型、三角型区域例1三角型密度函数随机数的产生三角型密度函数为:‘2(z一b)!(‘一b) (a一b)’b趁x<a,tr.‘,(s)。、2(c一s)    (c一b) (c一a)’a(J<‘,0,x<b或二)c.三角型密度函数随机数可由反函数法生成,但计算反函数需要开方运算,运算量较大,若(X,Y)为Tr,b.},n)上的均匀分布随机向量,则X的密度函数为tr(a,b.,)(二).Devroyels)给出Tr<-_^上均匀分布随机向量产生方法,由此得三角型密度函数,r(..b.,) (X)随机数算法为:    ].产生[O,I〕均匀分布随机数U,V;如果U>V,      交换U和V的数值;2.     X<-Ua+(V-U)b+(1-V)c,返回X;    例2梯型密度函数随机数的产生.梯型密度函数为两个三角型密度函数和一个常数型密度函数的混合型密度函数:    ta(a,n.}.d(二)=atr(a.e.b) (X)+Rtr<<.<.d, (X)+(1一a一R>x(二),。一石几a d+b- - (ca+s)'R一T耳b不二i_d一b不兀万,Kir)二Icb一‘    -)丝其随机数的算法为:1.产生印,I口随机数U;    。二二r,、L. 5(u禾U--i一a-户,。,,U.--一一二万,人-a十曰叻-a),返四入;U_,.,.“,___1—                                                    以—尸万方数据120高校应用数学学报A辑第19卷第1期3.如果1-.-月毛U<l一夕,U-毛厂一(1一。一R),产生「0,1]随机数V;如果U>V,  交换U和V;X-Uc+(1-U)  a,返回X;4.如果1一夕砚U,U--〔厂一(1一R)1      3,产生「0,1〕随机数V;如果U>V,交换U和V;X -Ud-+ (1一U)b,返回X;'3密度函数的梯型函数近似本节内容包括:密度函数的混合型密度函数表示;密度函数的混合型梯型函数近似表    不;近似公式的调整方法.3.1密度函数的混合型密度函数表示本文仅考虑单峰密度函数.设密度函数f(二)在〔一二,二。]单调上升,在陈。,二)单调下降给定概率序列伽},P;)。,艺P一1,则存在正数序列伍},满足:h,>h,>…;从(‘)一h.其中:={(二,y):(二,y)EDjf),h-<y}h,}.设“,b,。,d,为:,的项点横坐标,满足:。  ,<“,蕊b,<d f(a)一f (b)一h,f(c)=f(d)=h,+,,i=1,2,"""若(X,Y)为:,上均匀分布时X的密度函数为f, (x),则f (x)可表示为混合型密度函数f (x)一艺n,f,(x)f;(二)为第;个曲边梯型密度函数:产.一h一h,—-,a<x<b,关(二)二、‘lf (x)一h;-,eep,      ,c毛x<a或b毛x<城、二<c;或x李试.3.2密度函数的混合型梯型密度函数近似对于上述每个s,    求出一等面积的梯型区域la, =taLa,,k,.;.,}.、一、-,‘,La左端点横坐标满足条件:过to,左边两端点的直线与过:,左边端点的直线平行,:,的左边界由to,左边界取代后面积不变,to的右端点的坐标满足类似条件(图助.to对应的梯型密度函数为刀(x)=to,,n.od,an (x).若由梯形区域扭近似代替s,则得到密度函数的梯型近似公式f(x)、f' (x)一叉p:J,:(x) .3.3近似公式的调整F"     (x)为f'(二)的分布函数,F' (x)近似F (x)的一致误差为。=sup一F(x)-F' (x)}.万方数据张杰等:基于梯型密度函数的连续分布随机数近似生成方法12]设。>。为任意给定的一致误差要满足的精度,若。>‘,则a,q鱿认需要对近似密度函数做调整,调整后用于随机数的产生.具体调整步骤如下:确定近似公式中最大误差产生项fk (X),调整f; 0);求调整后的密度函数混合型表示及近似公式;检验调整后的近似密度函数是否满足误差精度要求.文[2」用抽样法调整密度函数的包络函数(    adaptiverejection sampling),本文用类似思想由抽样法确定近似密度函数的调整步骤.由本节末定理知,若L,(D,(f) nd';d,D,(f"))一1一,.则分布误差精度满足supIF(二)一图2求ta,的示意图F(二)}<‘.若(X, Y)为D,(f) U Dz(f')上的均匀随机向量,定义事件A二{(二,,)E D, (f)门D,(f'))。则P(A)=L, L,<z((D, (f) f) U n D,D,((f')f')))一1-}・若了’为事件A连续发生的平均次数,则T-2<1-} 一一1」水 一 州  .5,该值为满足分布误 差精度的充分条件,如对(X ,Y)抽样时事件A的连续发生次数小于70,则分布误差精度无法保障,需要对的近似密度函数进行调整.由T确定的近似密度函数的抽样法调整步骤为:1产生D2    (f) UDz(f')上的均匀随机向量((xy,),i=L,2"・  ,2.如(    二,,YJED,(f)nD,(f*),,二1,2 ... k,且k>T,结束调整;3如存在(    二*,y,)诺D,(f)nD,(f'),k<T +1且(xx,yx)Es,Uta,调整近似公式中的第t项,将f; (x)表示为两个新的梯型密度函数的混合形式,求出新的近似密度函数,转1;    若近似公式中第k项需调整时,将s*等高分解为、,、 4,'S            ,一{(x,.N),(x,Y) E D,(f),(h,+h,十)/2镇Y<hk},“,一(            (二,y):(X, Y)任D2(f),(从十镇y<(h,+h-)12},                      P<,\L2 (Sk, ) I Pk:一Lz (skz ).由前述方法求出sk,与‘的等面积梯型区域tak,与tak,得到调整后密度函数的混合型表示和近似密度函数.D,     (f)UD,(f')上的均匀随机数由舍选法产生,设B,为,,ta的包络矩形区域(图2所示),、CB,,t a, CB,令B二UB,则                              D2(f)仁B,D,(f`)仁B产生B上的均匀随机向量抽样,由舍选法即可得到D, (f) U D, (f')上的均匀随机向量序列(x,夕).    初始近似密度函数求出后,对近似密度函数做若干次调整即可得到满足精度条件的近似密度函数.以下定理给出了分布误差精度与密度函数之间的关系.定理    f(x),f0(劝为密度函数,F(x),F' (x)为其分布函数,若L,                               (D, (f) n D2(f))二1一;则sup } F (x)-F' (x) 1<(. L2()为二维勒贝格测度函数.万方数据122高校应用数学学报A辑第19卷第1期证    {(X,Y):(X, Y)ED,(f),X<二)}={(X,Y)ED,(f)nD,<'),X<x} U{(X,Y):(X,Y)‘D, (f),(X,Y)磷D,(f`),X<刘,{(X,Y):(X,Y) E D,(!),X<二}一{(X,Y)〔D2(f) n D,(f),X<二)U{(X,Y):(X, Y)供D,(f),(X,Y) E D, (f'),X<z}.1,(;X,Y):(X,Y)〔D (f), (X ,Y)苦D,(f'),X<二})<I,({(X,Y):(X, Y) E D, (f),(X,Y)磷D, (f")})一L,({(X,Y):(X,Y)〔D, (f)})一Lz({(X,Y):(X,Y)〔D2 (f)门Dx(_f.)))=。,I,({(X,Y):(X,Y)举D,(f),(X,Y) E D, (t),X<二})<L({(X,Y):(X,Y)诺D, (f),(X,Y) E D,(f')})一Lz({(X,Y):(X,Y)〔D, (f')})一L}(L(X,Y):(X,Y)〔ne(f) n D,(f*)})=‘一F(x)一F(二)一一IL,({(X,Y):(X,Y) E D,(f),X<、})一LQ({ (X,Y):(X,Y) E D}(}'),X<二})一毛。'4密度函数随机数的近似算法满足精度要求的近似密度函数求出后,    保存参数{pa; , bi , c} ,武,i=1,2-二}供产生近似随机数使用.由近似密度函数产生随机数的步骤为:    I.产生[0,1]的随机数U;2.求k,    使得艺p.<U<艺p} ,U-( U一万P.) /pk夕d,a; i - b; , -念不-‘生丽,Qd,一从d,+b;一(a',+c,)’3.如果U<l一a-P  U-U    I一a-刀,XEa;+U(b;一a',),返回X;4.如果I一。一0镇U< l一R,U--U一(1一。一R)产生「0,1]随机数v,如果U>v,交换U,V;X-(!乙+(1一ii )心,返回X;5.如果U>1一i3, U-之了一(1一P)1      3产生仁。.门随机数V,如果U>V,变换U,V;X- -Ud; +(I一UM,,返回X;'5几种常见密度函数近似随机数的实验结果    实验结果包括近似算法随机数的精度指标及近似随机数5精确随机数的时间性能比较.实验中分布误差满足的精度。=0. 0005,近似随机数个数和精确随机数个数皆为100.近万方数据张杰等:基于梯型密度函数的连续分布随机数近似生成方法123似随机数的精度指标由近似分布函数与理论分布函数的最大误差和平均误差给出e=sup I F.(二)一F' (z)  ,rne一{IF(z)一,,・‘・,if‘二,ds.近似密度函数只需计算一次,与产生大量的随机数的运算量相比,其运算量可以不考虑.表1给出了近似算法的精度指标,表2给出了近似算法与精确算法产生一个随机数的平均时间,单位为微秒(10 _if秒).实验中{P.}取几何概率,P; = 2--密度函数包括正态(Normal),伽玛(Gamma), t, F,拜他(Beta)、卡方(Chi).  (0,1)均匀随机数由乘积同余法生成,参数为{663608941,2"}.精确算法随机数的产生力法为正态随机数由Box-mul ler方法产生川、Gamma随机数和Chi随机数由Ahrens方法产生「认Beta随机数由Cheng方法给出Ls1、 1随机数由Polar方法产生L伙F随机数两个Chi随机数的比值产生Nl.实验用机为奔m 550,内存64M,编程语言为C表1误差精度分布  最大误差n1o. r5m18 alX (01牛a5m36 mX a 1(05)-'t(5)}leta(5,5)F(5,6)chi(")1. 416又10-"4. 562又10,1. 466X10-'4. 512只10 '平均误差l                  2. 523 X 10-}‘・405 X’。一‘1. 903沐109. 742 X 10-1. 871又108. 258只10 s表2精确方法和近似方法生成一个随机数的平均时间(微秒)分布normal (0.1)Gumma(5)t(5)beta(5.5)F(5,5)clu5)精确算法0. 7637:11.192312.186813. 247252.408721.20891近似算法0. 48901〔}.483510. 509490. 489560- 549450. 48574由给定分布误差满足的精度‘=。0005的近似随机数实验结果知,满足给定误差精度要求的近似算法是可行的和有效的.参考文献:Hormann W. A rejection technique for sampling from T-concave distribution[J]. ACM .snarTMath. Software .1995,21 (2) :182-193.Evans M. Schwartz T. Random variable generation using concavity properties of transformeddensities[J]. J. Comput. Graph. Statist. .1998,7(4) :514-528.贾Pang W K.Yang Z H.Hou S H. The vertical strip method for generation of random number withgiven density[J]. European Journal of Operation Research,2002.142(3):595-609匡Fang Kauai, Yang Zhenhai, Samuel Kotz. Generation of multivariate distributions by verticaldensity representation.-J]. Statistics, 2001, 35:281-293.{:」Devroye L. Non-uniform Random Variate Generation仁M]. New York: SpringerVerlag, 1986.Fishman G S. Monte Carlo: Concept. Algorithm and Applications [M]. New York: SpringerVcdag,1996.厂7]Bailey R W. Polar generation of random variares with the t-distribution 'J]. Mathematics ofComputation, 1994,62:779-781.万方数据124高校应用数学学报A辑第19卷第1期Approximate method of generating random numberswi        th given trapezoid density functionZHANG                       Jie`, YANG Zhen-hai`(1. Dept. of Manag。二£ni Infomation,Beijing Polytechnic Univ. ,Beijing 100022,China2.         Dept. of Math. ,Beijing Polytechnic Un,二.,Beijing 100022,Chino)Abstract:In this paper, an approximate methodto generate randomnumbers ofcontinuous random variables is proposed. Density function is r叩resented asmixture oftrapezoid density functions,the exact method is replaced by generating randomnumhers ofa few trapezoid density functions.Key Words: Monte Carlosimulation; trapezo记density function;error accuracyMR Subject Classification: 62D05

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