蒙特卡洛积分的收敛

计算科学 数值分析 蒙特卡洛 一体化
2021-12-20 05:50:34

在我的研究中,其中一个步骤是选择一种数值方法来估计abf(t)dt, 在哪里f是 Lipschitz 连续但不可微。为简单起见,我使用了中点规则,但总体结果并不是那么好。我在想问题是否来自于我没有选择正确的数值求积规则。

根据我的理解,为了保证收敛,大多数确定性正交规则都要求被积函数具有一定的阶可导性。由于在这种情况下,f不够平滑,中点规则不能保证收敛是合理的。

我的主管建议我使用蒙特卡洛积分。但我不确定这种数值方法的收敛条件。我只知道不管维度,这个方法有一个1N收敛顺序。这个结果是否适用于所有人L1功能?我们是否需要对被积函数进行任何额外的假设f为了收敛?您能否提供一些有关蒙特卡洛积分收敛性分析的资源?

1个回答

设 MC 积分估计为

Sn=ban1knf(xk),
在哪里xk是否在间隔内[a,b]. 只要功能fL1,均值存在,并且
E[Sn]=I,I=abf(x)dx,
所以根据大数定律Sn会收敛到I.

要获得1/n收敛,函数也需要平方可积:

V[Sn]=|ba|nab(f(x)f¯)2dx,
(在哪里f¯是函数平均值[a,b]), 因此,如果f也是L2,则中心极限定理适用,并且Sn将呈正态分布,均值I和方差n1|ba|V[f]. 当函数不是平方可积时,大数定律仍然适用,但这种误差分布不再有效,它会有一个肥尾。

最后,不可微函数对于数值积分来说并没有那么糟糕,只要奇点易于定位,并且算法执行某种自适应区间二等分过程来隔离奇点。或者,一个常见的技巧是手动拆分区间,以便所有奇点都位于子区间端点,并在各个子区间上调用正交方案。我相信大多数成熟的正交库都可以很好地处理合理的奇点。特别是,最好的求积方案之一,双指数规则,对于区间端点处的规则奇点完全没有问题。其他规则,如 Gauss-Legendre 规则,通常会修改形式以解决奇点问题。

你不说你的功能是什么f是,但我认为它必须是非常病态的(例如,在任何地方都不可微分),然后 MC 方法才能在 1d 中胜过成熟的正交方案。不过,这不是中点——你永远不会期望它会很好地工作。