Monte Carlo Methods

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出版者:
作者:Kalos, Malvin H./ Whitlock, Paula A.
出品人:
页数:215
译者:
出版时间:2008-11
价格:1727.00元
装帧:
isbn号码:9783527407606
丛书系列:
图书标签:
  • MonteCarlo
  • MONTE
  • METHODS
  • CARLO
  • 蒙特卡洛方法
  • 数值计算
  • 随机模拟
  • 概率统计
  • 计算物理
  • 金融工程
  • 运筹学
  • 机器学习
  • 科学计算
  • 统计推断
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具体描述

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This introduction to Monte Carlo methods seeks to identify and study the unifying elements that underlie their effective application. Initial chapters provide a short treatment of the probability and statistics needed as background, enabling those without experience in Monte Carlo techniques to apply these ideas to their research.

The book focuses on two basic themes: The first is the importance of random walks as they occur both in natural stochastic systems and in their relationship to integral and differential equations. The second theme is that of variance reduction in general and importance sampling in particular as a technique for efficient use of the methods. Random walks are introduced with an elementary example in which the modeling of radiation transport arises directly from a schematic probabilistic description of the interaction of radiation with matter. Building on this example, the relationship between random walks and integral equations is outlined. The applicability of these ideas to other problems is shown by a clear and elementary introduction to the solution of the Schrödinger equation by random walks.

The text includes sample problems that readers can solve by themselves to illustrate the content of each chapter.

This is the second, completely revised and extended edition of the successful monograph, which brings the treatment up to date and incorporates the many advances in Monte Carlo techniques and their applications, while retaining the original elementary but general approach.

《蒙特卡洛方法》 内容梗概: 本书深入探讨了蒙特卡洛方法这一强大的数值计算技术,它利用随机抽样来解决一系列在经典确定性方法中难以处理的数学和工程问题。本书旨在为读者提供一套全面而严谨的蒙特卡洛方法理论框架,并辅以丰富的实践应用案例,使读者能够理解其核心原理、掌握实现技术,并能灵活应用于实际问题的分析与求解。 第一部分:理论基础与核心概念 本部分将奠定坚实的理论基础,为后续更复杂的应用打下坚实的基础。 随机数生成: 详细介绍各种伪随机数生成器的原理、特性和选择标准,包括线性同余生成器、Mersenne Twister 等。强调生成高质量随机数的必要性,并讨论其在模拟中的敏感性。 概率分布采样: 深入讲解如何从各种常见概率分布(如均匀分布、指数分布、正态分布、泊松分布等)中生成样本。重点介绍逆变换法、接受-拒绝法、Box-Muller 变换等经典采样技术,并分析其适用范围和效率。 大数定律与中心极限定理: 回顾并详细阐述这些概率论中的基石性定理,揭示了蒙特卡洛方法为何能够通过大量独立同分布的随机样本来逼近真实值。重点分析这些定理在蒙特卡洛积分中的作用。 蒙特卡洛积分: 这是蒙特卡洛方法最核心的应用之一。本书将系统介绍如何利用蒙特卡洛方法求解高维积分,特别是那些难以用解析方法或传统数值积分方法处理的积分。详细讲解不同形式的蒙特卡洛积分算法,包括基本蒙特卡洛积分、重要性采样等。 重要性采样: 作为提高蒙特卡洛方法效率的关键技术,本书将详细解析重要性采样的原理,包括如何选择合适的“提议分布”,以及如何利用提议分布的样本来降低方差,从而提高估计的精度。会分析其理论优势和实际应用中的挑战。 方差缩减技术: 除了重要性采样,还将介绍其他一系列行之有效的方差缩减技术,例如控制变量法、分层抽样法、马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)中的一些基础思想(如细致平衡条件)等,并分析它们在不同场景下的适用性。 第二部分:核心算法与实现技术 本部分将聚焦于具体的蒙特卡洛算法,并指导读者如何实现它们。 离散事件模拟(Discrete Event Simulation): 介绍如何利用蒙特卡洛方法模拟具有离散事件的系统,如排队系统、生产线、通信网络等。详细讲解状态空间、事件队列、时钟推进等核心概念,并辅以具体案例。 马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)方法: 深入介绍 MCMC 的基本思想,包括如何构建马尔可夫链来采样目标概率分布。详细讲解 Metropolis-Hastings 算法和 Gibbs 采样等核心 MCMC 算法,并讨论其在贝叶斯统计、物理学等领域的广泛应用。 粒子滤波(Particle Filtering): 介绍粒子滤波作为一种基于蒙特卡洛方法的状态估计技术,特别适用于非线性、非高斯系统。详细讲解其基本原理、粒子表示、重采样策略等,并展示其在目标跟踪、导航等领域的应用。 随机游走(Random Walks): 探讨各种形式的随机游走,包括简单随机游走、有偏随机游走等,并分析其与图论、统计物理等领域的联系。 第三部分:高级应用与实际案例 本部分将展示蒙特卡洛方法在各个领域的强大应用能力,并通过具体的案例进行深入剖析。 金融建模与风险管理: 期权定价: 详细讲解如何利用蒙特卡洛方法模拟股票价格路径,从而对各种复杂期权(如美式期权、亚式期权)进行定价。 VaR (Value at Risk) 计算: 介绍如何使用蒙特卡洛方法估计金融资产组合的风险敞口,即在一定置信水平下可能的最大损失。 投资组合优化: 展示如何利用蒙特卡洛模拟来探索不同的投资组合策略,并评估其风险收益特征。 科学计算与工程仿真: 物理学: 统计力学: 介绍蒙特卡洛方法在模拟大量粒子系统中的应用,如 Ising 模型、蒙特卡洛晶格量子场论等,用于研究相变、热力学性质等。 中子输运计算: 讲解如何使用蒙特卡洛方法模拟中子在介质中的传播过程,在核反应堆设计和辐射屏蔽领域至关重要。 化学: 分子动力学模拟: 介绍蒙特卡洛方法在模拟分子结构、能量和动力学性质中的作用。 工程学: 可靠性分析: 演示如何使用蒙特卡洛方法评估复杂工程系统的可靠性,考虑各种随机因素的影响。 计算流体力学(CFD)的初步接触: 探讨蒙特卡洛方法在某些 CFD 问题中的潜在应用。 优化问题: 模拟退火(Simulated Annealing): 介绍模拟退火算法,一种受物理退火过程启发的全局优化算法,其核心即是蒙特卡洛采样。 遗传算法与粒子群优化中的蒙特卡洛思想: 探讨这些进化算法中随机搜索的原理。 计算机图形学: 路径追踪(Path Tracing): 详细介绍路径追踪渲染器如何利用蒙特卡洛方法模拟光线的传播,实现逼真的全局光照效果。 全局光照模拟: 探讨蒙特卡洛方法在模拟复杂光照现象中的作用。 本书特点: 理论与实践并重: 既深入讲解了蒙特卡洛方法的理论基础,又提供了丰富的实际应用案例,帮助读者学以致用。 循序渐进的讲解: 从基础概念入手,逐步深入到高级算法和应用,适合不同水平的读者。 强调数学严谨性: 在讲解算法时,注重数学推导的清晰和逻辑的严密。 面向读者: 本书适合对概率论、统计学、数值计算、计算机科学等领域有一定基础的读者,包括研究生、科研人员、工程师以及对蒙特卡洛方法感兴趣的自学者。 通过阅读本书,读者将能够深刻理解蒙特卡洛方法的设计思想,掌握其核心算法,并能将其应用于解决实际问题,从而在科学研究、工程设计和金融分析等领域发挥重要作用。

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读后感

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用户评价

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老实说,这本书的装帧和排版给人的感觉是沉稳而严肃的,就像一本为研究生准备的参考书,而非面向大众读者的入门读物。在阅读过程中,我发现作者非常依赖于数学符号和缩写,很多时候,一个新概念的引入并没有伴随一个直观的、生活化的类比或者图形化的辅助说明,这使得初学者在构建心智模型时异常困难。比如,书中对重要性抽样的解释,虽然在数学上无可挑剔,但如果能配上一张清晰的示意图,说明概率密度函数(PDF)的重叠区域如何影响估计的效率,阅读体验会大大提升。遗憾的是,这种对“直观理解”的刻意回避,让整本书读起来像是在啃一块坚硬的、没有调味的食物。它要求读者具备极强的自我学习能力和抽象思维能力,才能够从中汲取营养。对于我这种偏好通过案例驱动来学习新方法的读者而言,这本书提供的案例过于稀疏和专业化,缺乏足够的梯度变化,让我感觉自己像是一个被扔进了深水区的游泳者,既缺乏救生圈,也看不到岸边。

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我带着一种近乎朝圣般的心情来对待这本著作,毕竟“蒙特卡洛方法”这个名字本身就带着一种神秘和强大的吸引力。然而,这本书的叙事结构和内容的侧重点,似乎完全倾向于构建一个宏大而坚不可摧的理论框架,而非引导读者平稳地走入应用的世界。书中对高维积分的数值逼近技巧,比如准蒙特卡洛(Quasi-Monte Carlo)方法的介绍,虽然技术上非常前沿和令人敬佩,但其论述方式更像是冷硬的学术论文集合。我发现自己经常需要跳过好几页的连续公式推导,才能找到一个勉强可以理解的几何解释或者一个实际应用场景的简短提及。这种写作风格使得全书的“可读性”直线下降,它要求读者不仅仅是阅读文字,更需要参与到一种主动的、批判性的知识重构过程中去。阅读过程中,我最大的感受是,作者对读者的要求极高,仿佛在说:“如果你不能自己推导出这个结论,那么你就不配使用这个方法。”这造成了一种强烈的疏离感,尽管我承认书中包含了领域内最精辟的数学论证,但这种“不近人情”的表达方式,极大地阻碍了知识的有效传递。

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这本书的视角是极其纯粹的数学家视角,这既是它的优点,也是它限制其影响力的关键所在。作者似乎对将这些复杂的算法转化为高效、易于部署的软件代码兴趣不大。书中关于算法实现的讨论,往往停留在伪代码的层次,并且经常使用一些高度简化的假设条件来证明定理的有效性,而这些假设在真实世界的嘈杂数据面前往往难以成立。因此,当我试图将书中学到的知识应用于实际的大型数据集时,我发现自己必须重新构建很多关于计算效率、内存管理和并行化的思考。更让我感到困惑的是,对于一些现代计算领域已经广泛使用的优化技术,比如如何有效地利用GPU进行大规模模拟,书中几乎没有涉及,仿佛它固守在经典数值分析的范畴内。这种“旧世界”的严谨性与“新世界”的工程实践之间存在着明显的脱节,使得这本书虽然在理论殿堂里地位崇高,但在快速迭代的工业界,它的实用价值被大打折扣,更像是一部珍贵的历史文献,而非当下的操作手册。

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这本关于蒙特卡洛方法的书,坦白地说,阅读体验非常复杂,像是在攀登一座陡峭却风景壮丽的山峰。初次翻开时,那些关于概率论和随机过程的基础概念,确实让人感觉有些吃力。作者在介绍基本原理时,似乎默认读者已经对高等数学和统计学有着相当扎实的背景。我记得在关于马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)的章节,讲解得极为深入和详尽,涉及到了复杂的理论证明,这对于我这样希望快速应用到实际问题中的读者来说,无疑是一个巨大的挑战。书中的例子大多是高度抽象的数学模型,虽然严谨,但在连接到实际的金融建模、物理模拟或是工程优化时,总感觉隔着一层薄膜,需要自己花费大量精力去“翻译”和“实例化”。更让我印象深刻的是,它对收敛性和误差分析的探讨,篇幅之大几乎可以算作一本独立的专著了,这体现了作者对方法论严谨性的追求,但同时也使得全书的阅读节奏变得非常缓慢和沉重。如果你期望的是一本“即插即用”的编程指南,那么你可能会感到失望,因为它更像是一本需要不断停下来,拿出笔和纸进行推导的学术教材,对于那些希望快速掌握核心思想、而非深究其数学根源的读者来说,这可能是一次略显枯燥的学术之旅。

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这本书的深度是毋庸置疑的,它在某些特定领域的覆盖面堪称百科全书式。尤其是在涉及复杂系统模拟和不确定性量化方面,作者对不同抽样策略的优劣势的比较分析,达到了教科书级别的详尽。我特别留意了关于方差缩减技术的那几章,内容之全面,几乎囊括了所有已知的经典和现代技巧,并且对每种方法背后的统计学原理都进行了细致入微的剖析。但是,这种全面性也带来了另一个问题:信息过载。对于一个正在尝试将蒙特卡洛方法应用于特定工程问题的工程师来说,这本书提供的信息量是爆炸性的,缺乏清晰的层级划分和“最佳实践”的指引。它更像是提供了一个知识的海洋,让读者自行去辨别哪些是导航灯塔,哪些只是海上的泡沫。我尝试着按照目录顺序阅读,但很快就发现,如果不事先确定好自己的应用目标,很容易在各种细节的泥潭里迷失方向,耗费大量时间去研究那些可能永远用不到的高深理论,这对于追求效率的实践者来说,是一种难以忍受的时间损耗。

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比较精练(只有217页)的一本蒙特卡洛方法的教材,讲述方法不啰嗦,抓住要点,值得推荐!

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