شبیه سازی مونت کارلو

روش شبیه سازی مونت کارلو نمونه و شاخه ای از ریاضیات عملی یا آزمایشی بوده که بدنبال کشف و استنتاج روابط مربوط به اعداد تصادفی می باشد. در طول دهه گذشته کاربردها و کارکردهای مربوط به روش شبیه سازی مونت کارلو رو به گسترش و فزونی بوده و دامنه گسترده ای از پزشکی و بیولوژی تا فیزیک هسته ای و تحقیق در عملیات را در برگرفته است.

یکی از مباحث کلیدی در مورد شبیه سازی مونت کارلو استفاده از تولیدکننده های اعداد تصادفی بوده است. یک تولیدکننده اعداد تصادفی وسیله ای فیزیکی و یا روشی محاسباتی است که برای تولید دنباله ای از اعداد که از الگوی خاصی تبعیت نموده ( یعنی بطور تصادفی ظاهر شده اند) به کار می رود.سیستم های رایانه ای بطور وسیعی برای تولید اعداد تصادفی مورد استفاده قرار می گیرند در حالی که تولیدکننده های خوبی نبوده اند هر چند الگوهای آنها به راحتی قابل تشخیص نبوده است. کاربرد بسیار این اعداد موجب گوناگونی و فراوانی روش های تولید این اعداد ( از لحاظ مدت زمانی که برای تولید این اعداد سپری می شود و الگوهای مورد استفاده آنها) شده است.

برای اولین بار استفاده عملی از روش شبیه سازی مونت کارلو در خلال جنگ جهانی دوم و در خصوص تحقیقاتی پیرامون نحوه عمل بمب های اتمی صورت پذیرفت و از آن تاریخ تا کنون بر گستره کارکردها و کاربردهای این روش روز به روز افزوده شده است.یکی از دلایل اصلی این افزایش، ظهور نسل های جدیدی از رایانه ها با قدرت پردازش فوق العاده بوده که توانسته اند سرعت و دقت روش شبیه سازی مونت کارلو را به مقدار قابل توجهی افزایش دهند.

روش شبیه سازی مونت کارلو راه حل هایی تقریبی با بهره گرفتن از نمونه گیری آماری و فرآیندهای تصادفی برای دامنه گسترده ای از مسائل موجود از ریاضیات و دیگر شاخه های علوم بوجود آورده است. این روش نوعی روش شبیه سازی آماری بوده که توانسته شبیه سازی مربوطه را با بهره گرفتن از دنباله هایی از اعداد تصادفی محقق نماید. روش شبیه سازی مونت کارلو در واقع مجموعه ای از روش هایی متفاوت بوده که اساسا فرایند یکسانی را طی می نمایند. این فرایند، شبیه سازی های متعددی را با بهره گرفتن از اعداد تصادفی در جهت دستیابی به جوابی تقریبی برای مسئله موردنظر ممکن می سازد. ویژگی و مشخصه اصلی روش شبیه سازی مونت کارلو این بوده است که می تواند با بهره گرفتن از تولید کننده های اعداد تصادفی و تولید اینگونه اعداد در حجم بسیار زیاد جواب هایی منطقی و درست در خصوص پدیده های فیزیکی ارائه نماید. ( معارفیان، 1389، ص16-17)

2-5-1. تاریخچه شبیه سازی مونت کارلو

مونت کارلو نام شهری در ناحیه موناکو واقع در جنوب شرقی فرانسه است که به خاطر قمارخانه هایش بسیار معروف بوده است. ظهور روش مونت کارلو اغلب به کار استنیسلو یولام ریاضی دان لهستانی برمی گردد که در طی جنگ جهانی دوم برای شرکت نومن در پروژه منهتن کار می کرد. یولام در سال 1951 میلادی به همراه ادوارد یلر، بمب هیدروژنی را طراحی نمود. وی بیشتر شهرت خود را به همین دلیل کسب کرده است. یولام در سال 1946 میلادی هنگامی که در مورد احتمال برد بازی ورق تعمق می کرد، فکر استفاده از روشی را که بعدا مونت کارلو نامیده شد را در ذهن پروراند. او بعد از تلاش فراوان برای حل این مسئله از طریق محاسبات ترکیبی، به فکر افتاد که اگر چندین دست داشت می توانست بازی را به کرات انجام دهد و فراوانی بردها را عینا ملاحظه نماید. این اندیشه او را بر آن داشت تا مسائل مربوط به انتشار نوترون و دیگر سوالات مرتبط با حوزه های ریاضیات و فیزیک را به گونه ای مورد ملاحظه قرار دهد که بر اساس توالی عملکردهای تصادفی قابل تبیین و تفسیر باشند.

امروزه از شبیه سازی مونت کارلو به عنوان روشی یاد می شود که در برگیرنده هر تکنیک نمونه برداری آماری، جهت ارائه پاسخ هایی تقریبی از مسائل کمی بوده است. این نکته را بایستی مدنظر قرار داد که یولام نمونه برداری آماری را کشف نکرده بود بلکه این کار قبلا برای حل مسائل کمی از طریق فرآیندهای فیزیکی مانند پرتاب تاس یا برداشت کارت مورد استفاده قرار گرفته بود.

در واقع کمک یولام به بسط شبیه سازی مونت کالو، تشخیص امکان استفاده از رایانه ها به منظور خودکارسازی نمونه برداری تصادفی بوده است. ادامه همکاری های او با نومن و نیکلاس متروپلیس به توسعه الگوریتم های رایانه ای و نیز بسط ابزار تبدیل مسائل غیرتصادفی به شکلی تصادفی منجر گردید که باعث تسهیل حل آنها از طریق نمونه برداری آماری شده بود. این بسط و توسعه، نمونه برداری آماری را از امری مهجور در ریاضیات به یک متدولوژی رسمی مبدل نمود که برای طیف وسیعی از مسائل متنوع قابل استفاده و بکارگیری بوده است. شرکت متروپلیس این روش و ایده جدید را شبیه سازی مونت کالو نام نهاد. در سال 1949 میلادی یولام و متروپلیس اولین مقاله خود را در زمینه روش شبیه سازی مونت کارلو در مجله انجمن آماری آمریکا به چاپ رساندند.

در حوزه علوم مالی، شبیه سازی مونت کارلو از سال 1970 برای قیمت گذاری اوراق مشتقه و برآورد نسبت های پوشش یونانی مورد استفاده قرار گرفته است. ( معارفیان، 1389 ،ص64-65)

. S. Ulam

. Nicholas Metropolis