روش مونت-کارلو یک الگوریتم محاسباتی است که از نمونهگیری تصادفی برای محاسبه نتایج استفاده میکند. روشهای مونت-کارلو معمولاً برای شبیهسازی سیستمهای فیزیکی، ریاضیاتی و اقتصادی استفاده میشوند.
بهدیگر سخن روش مونت کارلو یک طبقه از الگوریتمهای محاسبه گر میباشند که برای محاسبه نتایج خود بر نمونه گیریهای تکرار شوند تصادفی اتکاء میکنند. روشهای مونته کارلو اغلب زمان انجام شبیه سازی یک سامانه ریاضیاتی یا فیزیکی میشوند استفاده میشوند. به دلیل اتکای آنها بر محاسبات تکراری و اعداد تصادفی یا تصادفی کاذب، روشها ی مونته کارو اغلب به گونهای نتظیم میشوند که توسط رایانه اجرا شوند. گرایش به استفده از روشهای مونته کارلو زمانی بیشتر میشود که محاسبه پاسخ دقیق با کمک الگوریتمهای قطعی ناممکن یا ناموجه باشد. روشهای شبیه سازی مونته کارلو مخصوصا در مطالعه سیستمهایی که در آن تعداد زیادی متغییر با درجه آزادیهای دو به دو مرتبط وجود دارد مفید است، از جمله این سیستمها میتوان به سیالات، جامداتی که به شدت کوپل شدهاند، مواد بی نظم و ساختارهای سلولی (مدل سلولی پاتز – Potts- را ببیند) اشاره نمود. از آن گذشته، روشهای مونته کارلو برای شبیه سازی پدیدههایی که عدم قطعیت زیادی در ورودیهای آنها وجود دارد نیز مفید هستند، مثلا محاسبه ریسک در تجارت. همچنین این روشها به طور گستردهای در ریاضیات مورد استفاده قرار میگیرند: یک نمونه استفاده سنتی کاربرد این روشها در برآورد انتگرالهای معین است، به خصوص انتگرالهای چند بعدی با محدودههای مرزی پیچیده.واژه مونته کارلو در دهه ۱۹۴۰ (دهه ۱۳۱۰ شمسی) به وسیله فیزیکدانانی که روی پروژه ساخت یک سلاح اتمی در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس آمریکا کار میکردند رایج شدهاست.
توضیح عکس:
روش مونته کارلو را میتوان به بازی نبرد کشتیها تشبیه کرد. ابتدا یکی از بازیکنان شلیکهای تصادفی را انجام میدهد. سپس بازیکن از الگوریتم استفاده میکند(مثلا یک کشتی جنگی به فاصله چهار خانه در جهت عمودی یا افقی قرار گرفتهاست). در نهایت بر اساس خروجی نمونههای تصادفی و الگوریتم، بازیگر میتواند محلهای احتمالی کشتیهای جنگی بازیکن مقابل را حدس بزند
نگاه کلی
تنها یک روش مونته کارلو وجود ندارد، بلکه این واژه به گستره وسیعی از روشهایی که بسیار به کار گرفته میشوند اطلاق میگردد. به هر حال، این رویکردها یک الگوی مشخصی را پیروی میکنند:
1. محدودهای از ورودیهای ممکن را تعریف میکنند.
2. از آن محدوده ورودیهای تصادفی را تولید میکنند.
3. با استفاده از ورودیهای بدست آمده یک سری محاسبات مشخص را انجام میدهند.
4. نتایج هر یک از اجراهای محاسباتی را در پاسخ نهایی ادغام میکنند. برای مثال میتوان مقدار عددπ را با استفاده از روش مونته کارلو محاسبه نمود.
5. یک مربع روی صفحه ترسیم کنید، سپس یک دایره را درون آن محاط کنید. در ادامه چندین شکل با اندازه یکسان را روی آن به طور یکنواختپخش کنید(برای مثال, دانههای شن یا برنج) در سرتاسر مربع.
6. سپس تعداد اشیاء درون دایره را بشمارید، در چهار ضرب کنید و عدد به دست آمده را بر تعداد کل اشیاء درون مربع تقسیم نمایید.
7. نسبت اشیاء درون دایره در مقابل اشیاء درون مربع تقریبا برابر خواهد بود با π/4 , که همان نسبت سطح دایرهاست به سطح مربع. بنابراین شما تخمینی از عدد π را به دست آوردهاید.. توجه داشته باشید که چگونه تخمین عدد π پیروی میکند از یک الگوی مشخص شده در روش مونته کارلو. ابتدا ما یک محدوده از متغییرها را تعریف کردیم، که یک مربع بود که دایره ما را محاط کرده بود. سپس ورودیها را به طور تصادفی تولید کردیم (پخش دانهها به طور یکنواخت درون مربع), سپس محاسبات را برای هر ورودی انجام دادیم (بررسی کردیم که آیا دانه درون دایره هست یا نه). در آخر، تمام جوابها را در جواب نهایی ادغام نمودیم. همچنین به این نکته توجه داشته باشید که دو ویژگی مشترک دیگر روشهای مونته کارلو ایت است: اتکای محاسبات بر اعداد تصادفی خوب، و همگرایی تدریجی به سمت تخمینهای بهتر در زمانی که دادههای بیشتری شبیه سازی میشوند
مونت کارلو نام منطقه یی بسیار مشهور در کشور خودمختار موناکو واقع در اروپای غربی است. جمعیت ساکن در مونت کارلو حدود سه هزار نفر است. منطقه مونت کارلو ثروتمندترین منطقه از کشور خودمختار موناکو است. ریشه نام مونت کارلو از زبان ایتالیایی است و به اصلیت اسم شاهزاده کارلو سوم از موناکو برمی گردد که زیر نفوذ و حمایت دربار ایتالیا قرار داشت. تا قبل از سال ۱۸۶۱ که موناکو به شکلی خودمختار درآمد، زبان رسمی آن ایتالیایی بود، اما از حدود صد سال پیش زبان رسمی مردم این منطقه به فرانسوی تغییر داده شد.
نام مونت کارلو توسط تحقیقات فیزیکدانانی چون استنلی اولام، انریکو فرمی و جان فون نیومن شهرت فراوان یافت. این اسم گرفته شده از یک کازینو در موناکو است که عموی اولام برای قمار در آن پول قرض می کرده است. تصادفی بودن و تکرار طبیعی فرآیندها، مشابه فعالیت های انجام شده در کازینو است. در واقع روش مونت کارلو یک الگوریتم محاسباتی است که از نمونه گیری تصادفی برای محاسبه نتایج استفاده می کند. روش های مونت کارلو معمولاً برای شبیه سازی سیستم های فیزیکی و ریاضیاتی استفاده می شوند. روش های تصادفی برای محاسبه و آزمایش(که عموماً به عنوان شبیه سازی تصادفی شناخته می شوند) را بدون تردید می توان تا اولین پیشگامان نظریه احتمال دنبال کرد. تفاوت اساسی که معمولاً درباره روش شبیه سازی مونت کارلو بیان می شود این است که به طور اصولی نوع روش شبیه سازی را وارون می کند و نظر مسائل را با یافتن مدل مشابه احتمالی به خود جذب می کند. روش های پیشین برای شبیه سازی و مدل سازی آماری عموماً عکس این کار را انجام می دادند یعنی استفاده از شبیه سازی برای امتحان کردن مسائل مشخص و قطعی. به هر حال همان طوری که می دانید مثال های دیدگاه «وارون» به صورت تاریخی نیز وجود دارند.
آنها تا قبل از آمدن روش مونت کارلو به عنوان یک روش عمومی در نظر گرفته نمی شدند. شاید معروف ترین استفاده اخیر از این روش توسط انریکو فرمی در سال ۱۹۳۰ باشد، هنگامی که او از یک روش تصادفی برای دستیابی به خواص نوترن تازه کشف شده استفاده کرد. همچنین روش های مونت کارلو شبیه سازی مورد نیاز در پروژه منهتن را داشتند. اگرچه در آن زمان در استفاده از ابزارهای محاسباتی در محدودیت جدی قرار داشتند. بنابراین مونت کارلو در زمانی مورد مطالعه و بررسی توسط دانشمندان قرار گرفت که کامپیوترهای الکترونیکی برای اولین بار پا به عرصه گذاشتند(از سال ۱۹۴۵ تا امروز)، در سال ۱۹۵۰ در لس آلاموس برای تحقیقات جدیدی که درباره بمب هیدروژنی آغاز شده بود، مورد استفاده قرار گرفت و در رشته های فیزیک، شیمی فیزیک و تحقیق در عملیات مشهور شد. شرکت رند و نیروی هوایی ایالات متحده امریکا دو سازمان مرتبط برای جمع آوری و ارسال اطلاعات درباره روش های مونت کارلو در طول این زمان بوده است و کاربردهای گسترده این روش را یافته اند. استفاده از روش مونت کارلو نیاز به استفاده مقادیر زیادی اعداد تصادفی دارد و این استفاده باعث کنار رفتن و عدم گسترش زاینده های اعداد شبه تصادفی بود. به دلیل اتکای این روش به تکرار محاسبات، اعداد تصادفی و اعداد شبه تصادفی برای محاسبه توسط کامپیوتر مناسب است. روش های مونت کارلو معمولاً زمانی استفاده می شوند که امکان محاسبه نتیجه دقیق با یک الگوریتم قطعی نباشد. اصطلاح مونت کارلو در سال ۱۹۴۰ توسط فعالیت های فیزیکدانان روی پروژه بمب اتمی در آزمایشگاه بین المللی لس آلاموس مطرح شد.
● زمینه های کاربرد مونت کارلو
شبیه سازی مونت کارلو به طور ویژه در مطالعه سیستم ها با درجه آزادی زوج، متعدد مورد استفاده قرار می گیرد؛ مانند مایعات، مواد متخلخل و... همچنین این روش به صورت وسیعی در مدل سازی پدیده ها با مقادیر قابل توجهی عدم اطمینان در ورودی ها مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان مثال محاسبه ریسک در تجارت.
روش های مونت کارلو همچنین برای محاسبه ارزش سرمایه شرکت ها و ارزیابی سرمایه پروژه ها نیز استفاده می شود. این روش در فیزیک محاسباتی، شیمی فیزیک و زمینه های مرتبط با این دو کاربرد فراوان دارند.
مونت کارلو تاثیر بسزای خود را در حل معادله دیفرانسیل های زوج انتگرالی در زمینه تشعشع و انتقال انرژی ثابت کرده است. روش های مونت کارلو در ریاضیات محاسباتی مورد استفاده قرار می گیرد که فقط یک خوش شانس می تواند نتیجه صحیح بگیرد. یک مثال کلاسیک الگوریتم رابین است که برای آزمایش اول بودن اعداد مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین الگوریتم لاس وگاس نیز به همین موضوع می پردازد، ولی ایده آن متفاوت است. از رایج ترین کاربردهای روش مونت کارلو در ریاضیات، انتگرال گیری مونت کارلو است. این روش برای به دست آوردن جواب عددی سوالاتی که برای حل آن باید از تجزیه استفاده کنیم بسیار مفید است. البته روش مونت کارلو در گرافیک، اقتصاد، بیولوژیک، مهندسی اطمینان، کامپیوتر و مهندسی هسته یی هم کاربرد زیادی دارد.
● استفاده از روش مونت کارلو در کد محاسبات نوترونیک هسته یی
در این کد هسته یی روش های کاهش واریانس (که برای کاهش زمان محاسبه و همچنین کاهش خطا است) مورد بحث قرار می گیرد. یکی از مشکلات روش های مونت کارلو وقت گیری و خطای آماری نتایج آن است. روش های کاهش واریانس در کد MCNP (محاسبات نوترونیک هسته یی) وجود دارند که هر کدام با روش متفاوت و بسته به نوع مساله می توانند زمان محاسبه و خطا را در حد قابل قبول پایین آورند. این روش ها شامل رولت روسی، Forced collision weight window، DXTRAN و... است. تعریف هندسه های پیچیده و تکراری و روش به کارگیری تالی ها و چشمه ها در هندسه های مکرر و تئوری اختلال و کاربرد آن از دیگر موارد مورد بحث این کد مهم هسته یی است. این کد محاسباتی در محاسبات نوترونیک قلب رآکتور، میزان سوختن سوخت و همچنین حفاظت سازی کاربرد بسیاری دارد.
نظرات شما عزیزان: