Ya , ada banyak cara untuk menghasilkan urutan angka yang lebih merata daripada seragam acak. Bahkan, ada seluruh bidang yang didedikasikan untuk pertanyaan ini; itu adalah tulang punggung quasi-Monte Carlo (QMC). Di bawah ini adalah tur singkat dari dasar-dasar absolut.
Mengukur keseragaman
Ada banyak cara untuk melakukan ini, tetapi cara yang paling umum memiliki rasa geometris yang kuat, intuitif. Misalkan kita prihatin dengan menghasilkan poin x 1 , x 2 , … , x n di [ 0 , 1 ] d untuk beberapa bilangan bulat positif d . Tetapkan
mana adalah persegi panjang di sedemikian rupa sehingganx1, x2, ... , xn[ 0 , 1 ]ddR [ a 1 , b 1 ] × ⋯ × [ a d , b d ]
Dn: = supR ∈ R∣∣∣1n∑i = 1n1( xsaya∈ R )- v o l ( R ) ∣∣∣,
R[ a1, b1] × ⋯ × [ ad, bd] 0 ≤ a i ≤ b i ≤ 1 R R R v o l ( R ) = ∏ i ( b i - a i )[ 0 , 1 ]d0 ≤ asaya≤ bsaya≤ 1 dan adalah himpunan semua persegi panjang tersebut. Istilah pertama di dalam modulus adalah proporsi titik "yang diamati" di dalam dan istilah kedua adalah volume , .
RRRv o l (R)= ∏saya( bsaya- asaya)
Kuantitas sering disebut ketidaksesuaian atau perbedaan ekstrim dari himpunan titik . Secara intuitif, kita menemukan kotak "terburuk" mana proporsi poin menyimpang paling banyak dari apa yang kita harapkan di bawah keseragaman yang sempurna. ( x i ) RDn( xsaya)R
Ini sulit dalam praktik dan sulit untuk dihitung. Sebagian besar, orang lebih suka bekerja dengan perbedaan bintang ,
Satu-satunya perbedaan adalah set di mana supremum diambil. Ini adalah himpunan persegi panjang berlabuh (pada titik asal), yaitu, di mana .A a 1 = a 2 = ⋯ = a d = 0
D⋆n= supR ∈ A∣∣∣1n∑i = 1n1( xsaya∈ R )- v o l ( R ) ∣∣∣.
SEBUAHSebuah1= a2= ⋯ = ad= 0
Lemma : untuk semua , . Bukti . Tangan kiri terikat jelas karena . Batas kanan mengikuti karena setiap dapat dikomposisikan melalui serikat pekerja, persimpangan dan pelengkap tidak lebih dari persegi panjang berlabuh (yaitu, dalam ).D⋆n≤ Dn≤ 2dD⋆nd A ⊂ R R ∈ R 2 d And
SEBUAH⊂ RR ∈ R2dSEBUAH
Jadi, kita melihat bahwa bintang dan adalah ekuivalen dalam arti bahwa jika satu kecil seperti tumbuh, yang lain akan juga. Berikut adalah gambar (kartun) yang menunjukkan persegi panjang kandidat untuk setiap perbedaan.D ⋆ n nDnD⋆nn
Contoh urutan "baik"
Urutan dengan perbedaan bintang yang dapat dibuktikan rendah, bintang sering disebut, tidak mengejutkan, urutan perbedaan yang rendah .D⋆n
van der Corput . Ini mungkin contoh paling sederhana. Untuk , urutan van der Corput dibentuk dengan memperluas integer dalam biner dan kemudian "mencerminkan digit" di sekitar titik desimal. Secara lebih formal, ini dilakukan dengan fungsi invers radikal di basis ,
mana dan adalah digit dalam basis ekspansi . Fungsi ini membentuk dasar untuk banyak urutan lainnya juga. Sebagai contoh, dalam biner adalah dan seterusnyai b ϕ b ( i ) = ∞ ∑ k = 0 a k b - k - 1d= 1sayabi = ∑ ∞ k = 0 a k b k a k b i 41 101001 a 0 = 1 a 1 = 0 a 2 = 0 a 3 = 1 a 4 = 0 a 5 = 1 x 41 = ϕ 2 ( 41 ) = 0,100101
ϕb( i ) = ∑k = 0∞Sebuahkb- k - 1,
i = ∑∞k = 0SebuahkbkSebuahkbsaya41101001Sebuah0= 1 , , , , dan . Oleh karena itu, titik ke-41 dalam urutan van der Corput adalah .
Sebuah1= 0Sebuah2= 0Sebuah3= 1Sebuah4= 0Sebuah5= 1x41= ϕ2( 41 ) = 0,100101(basis 2) = 37 / 64
Perhatikan bahwa karena bit paling tidak signifikan dari berosilasi antara dan , poin untuk odd ada di , sedangkan poin untuk even berada di .0 1 x i i [ 1 / 2 , 1 ) x i i ( 0 , 1 / 2 )saya01xsayasaya[ 1 / 2 , 1 )xsayasaya( 0 , 1 / 2 )
Urutan halton . Di antara yang paling populer dari urutan perbedaan rendah klasik, ini adalah ekstensi dari urutan van der Corput ke beberapa dimensi. Biarkan menjadi prime terkecil. Kemudian, th titik dari berdimensi urutan Halton adalah
Untuk low ini berfungsi dengan baik, tetapi memiliki masalah di dimensi yang lebih tinggi . j i x i d x i = ( ϕ p 1 ( i ) , ϕ p 2 ( i ) , … , ϕ p d ( i ) )haljjsayaxsayadd
xsaya= ( ϕhal1( i ) , ϕhal2( i ) , ... , ϕhald( i ) ).
d
Urutan memenuhi . Mereka juga baik karena mereka dapat diperluas dalam hal konstruksi titik tidak tergantung pada pilihan a priori dari panjang urutan .nD⋆n= O ( n- 1( logn )d)n
Urutan Hammersley . Ini adalah modifikasi yang sangat sederhana dari urutan Halton. Kami menggunakan
Mungkin secara mengejutkan, keuntungannya adalah mereka memiliki perbedaan bintang yang lebih baik, .D ⋆ n = O ( n - 1 ( log n ) d - 1 )
xsaya= ( i / n , ϕhal1( i ) , ϕhal2( i ) , ... , ϕhald- 1( i ) ).
D⋆n= O ( n- 1( logn )d- 1)
Berikut adalah contoh dari urutan Halton dan Hammersley dalam dua dimensi.
Urutan Halton yang diijinkan oleh Faure . Serangkaian permutasi khusus (ditetapkan sebagai fungsi ) dapat diterapkan pada ekspansi digit untuk setiap saat memproduksi urutan Halton. Ini membantu memperbaiki (sampai taraf tertentu) masalah yang disinggung dalam dimensi yang lebih tinggi. Setiap permutasi memiliki properti yang menarik dengan menjaga dan sebagai titik tetap.a k i 0 b - 1sayaSebuahksaya0b - 1
Aturan kisi . Biarkan menjadi bilangan bulat. Ambil
mana menunjukkan bagian pecahan dari . Pilihan yang bijaksana dari nilai menghasilkan properti keseragaman yang baik. Pilihan yang buruk dapat menyebabkan urutan buruk. Mereka juga tidak dapat diperluas. Berikut ini dua contoh. x i = ( i / n , { i β 1 / n } , … , { i β d - 1 / n } )β1, ... , βd- 1{ y } y β
xsaya= ( i / n , { i β1/ n},...,{i βd- 1/ n}),
{ y}yβ
( t , m , s ) jaring . jaring dalam basis adalah sekumpulan titik sedemikian rupa sehingga setiap persegi panjang volume di berisi poin. Ini adalah bentuk keseragaman yang kuat. kecil adalah teman Anda, dalam hal ini. Urutan Halton, Sobol 'dan Faure adalah contoh dari jaring . Ini cocok untuk pengacakan melalui pengacakan. Perebutan acak (dilakukan dengan benar) dari jaring menghasilkan jaring lain . Proyek MinT menyimpan koleksi sekuens semacam itu.( t , m , s )bbt - m[ 0 , 1 ]sbtt( t , m , s )( t , m , s )( t , m , s )
Pengacakan sederhana: Rotasi Cranley-Patterson . Biarkan menjadi urutan titik. Biarkan . Kemudian poin didistribusikan secara seragam dalam .xsaya∈ [ 0 , 1 ]dU∼ U( 0 , 1 )x^saya= { xsaya+ U}[ 0 , 1 ]d
Berikut adalah contoh dengan titik-titik biru sebagai titik-titik asli dan titik-titik merah menjadi titik-titik yang dirotasi dengan garis-garis yang menghubungkannya (dan ditunjukkan melilit, jika perlu).
Urutan terdistribusi secara seragam . Ini adalah gagasan keseragaman yang bahkan lebih kuat yang terkadang ikut bermain. Misalkan menjadi urutan titik dalam dan sekarang bentuk blok tumpang tindih dengan ukuran untuk mendapatkan urutan . Jadi, jika , kita ambil maka , dll. Jika, untuk setiap , , maka dikatakan sepenuhnya terdistribusi secara merata . Dengan kata lain, urutan menghasilkan satu set poin apa pun( kamusaya)[ 0 , 1 ]d( xsaya)s = 3x1= ( kamu1, kamu2, kamu3)x2= ( kamu2, kamu3, kamu4) s ≥ 1D⋆n( x1, ... , xn) → 0( kamusaya)dimensi yang memiliki properti diinginkan .D⋆n
Sebagai contoh, urutan van der Corput tidak sepenuhnya terdistribusi secara merata karena untuk , titik berada di dalam kotak dan titik dalam . Oleh karena itu tidak ada titik dalam kuadrat yang menyiratkan bahwa untuk , untuk semua .s = 2x2 i( 0 , 1 / 2 ) × [ 1 / 2 , 1 )x2 i - 1[ 1 / 2 , 1 ) × ( 0 , 1 / 2 )( 0 , 1 / 2 ) × ( 0 , 1 / 2 )s = 2D⋆n≥ 1 / 4n
Referensi standar
The Niederreiter (1992) monografi dan Fang dan Wang (1994) teks tempat untuk pergi untuk eksplorasi lebih lanjut.