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Einleitung / Motivation Fehlerabschätzung für QMC-Integration Quasi-Zufallsgeneratoren Quasi Monte-Carlo Methoden Marcel Horstmann 26.06.2008 Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

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Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Quasi Monte-Carlo Methoden

Marcel Horstmann

26.06.2008

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Einleitung / MotivationBeispiel: Bestimmung von π

mit der Monte-Carlo Methodemit der Quasi Monte-Carlo Methode

Fehlerabschätzung für QMC-IntegrationMaß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Quasi-Zufallsgeneratorenintuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

Bestimmung von π mit Monte-Carlo

Ermittlung von π über dasVerhältnis von Kreisfläche Ak zuQuadratfläche AQ

◮ AQ = r2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.20.40.60.8 1

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

Bestimmung von π mit Monte-Carlo

Ermittlung von π über dasVerhältnis von Kreisfläche Ak zuQuadratfläche AQ

◮ AQ = r2

◮ Viertelkreis: Ak = 14πr2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.20.40.60.8 1

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

Bestimmung von π mit Monte-Carlo

Ermittlung von π über dasVerhältnis von Kreisfläche Ak zuQuadratfläche AQ

◮ AQ = r2

◮ Viertelkreis: Ak = 14πr2

◮ π = 4 · AkAQ

= 4 · AnzahlTrefferAnzahlWuerfe

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.20.40.60.8 1

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

Bestimmung von π mit Monte-Carlo

Ermittlung von π über dasVerhältnis von Kreisfläche Ak zuQuadratfläche AQ

◮ AQ = r2

◮ Viertelkreis: Ak = 14πr2

◮ π = 4 · AkAQ

= 4 · AnzahlTrefferAnzahlWuerfe

◮ nebenstehendes Beispiel:8 Würfe, 7 Treffer

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.20.40.60.8 1

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

Bestimmung von π mit Monte-Carlo

Ermittlung von π über dasVerhältnis von Kreisfläche Ak zuQuadratfläche AQ

◮ AQ = r2

◮ Viertelkreis: Ak = 14πr2

◮ π = 4 · AkAQ

= 4 · AnzahlTrefferAnzahlWuerfe

◮ nebenstehendes Beispiel:8 Würfe, 7 Treffer

◮ π = 4 · 78 = 3, 5 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.20.40.60.8 1

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 2 π = 0

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

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0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 4 π = 2

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 8 π = 2

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 16 π = 2.75

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 32 π = 3

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 64 π = 2.75

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 128 π = 3.062

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 256 π = 3.031

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 512 π = 3.055

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 1024 π = 3.086

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 2048 π = 3.158

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 4096 π = 3.126

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 8192 π = 3.121

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

1 10 100 1000100001000001e+061e+071e+08

rela

tive

Gen

auig

keit

Anzahl Punkte N

MC1√n

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

Monte-Carlo Methoden

f d V ≈ 1N

N−1∑

i=0

f(xi) ± V

Var(f)N

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

Monte-Carlo Methoden

f d V ≈ 1N

N−1∑

i=0

f(xi) ± V

Var(f)N

◮1√N

- Konvergenz bedeutet:

eine Größenordnung mehr Genauigkeit-> zwei Größenordnungen mehr Rechenaufwand!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

Monte-Carlo Methoden

f d V ≈ 1N

N−1∑

i=0

f(xi) ± V

Var(f)N

◮1√N

- Konvergenz bedeutet:

eine Größenordnung mehr Genauigkeit-> zwei Größenordnungen mehr Rechenaufwand!

◮ Das dieser Wurzelterm so vertraut ist bedeutet aber nicht,das es nicht auch besser geht!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

Monte-Carlo Methoden

f d V ≈ 1N

N−1∑

i=0

f(xi) ± V

Var(f)N

◮1√N

- Konvergenz bedeutet:

eine Größenordnung mehr Genauigkeit-> zwei Größenordnungen mehr Rechenaufwand!

◮ Das dieser Wurzelterm so vertraut ist bedeutet aber nicht,das es nicht auch besser geht!

◮ Eine bessere Konvergenz lässt sich durch gleichmäßigerePunktwahl erreichen

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

Monte-Carlo Methoden

f d V ≈ 1N

N−1∑

i=0

f(xi) ± V

Var(f)N

◮1√N

- Konvergenz bedeutet:

eine Größenordnung mehr Genauigkeit-> zwei Größenordnungen mehr Rechenaufwand!

◮ Das dieser Wurzelterm so vertraut ist bedeutet aber nicht,das es nicht auch besser geht!

◮ Eine bessere Konvergenz lässt sich durch gleichmäßigerePunktwahl erreichen

◮ Quasi Monte-Carlo Methoden!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 2 π = 4

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

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Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 4 π = 4

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 8 π = 3.5

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 16 π = 3.25

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 32 π = 3.125

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 64 π = 3.125

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 128 π = 3.188

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 256 π = 3.188

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 512 π = 3.164

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 1024 π = 3.16

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 2048 π = 3.146

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 4096 π = 3.146

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 8192 π = 3.144

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-ZufallsgeneratorenBeispiel: Bestimmung von π

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 8192 π = 3.121

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

1e-06

1e-05

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

1 10 100 1000 100001000001e+061e+07

rela

tive

Gen

auig

keit

Anzahl Punkte N

MC1√N

QMCN−0.73

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Wie groß ist der Fehler bei QMC-Integration?

[0,1)df(x)dx ≈ 1

n

n∑

i=1

f(xi) (1)

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Wie groß ist der Fehler bei QMC-Integration?

[0,1)df(x)dx ≈ 1

n

n∑

i=1

f(xi) (1)

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Wie groß ist der Fehler bei QMC-Integration?

[0,1)df(x)dx ≈ 1

n

n∑

i=1

f(xi) (1)

◮ Fehler hängt offensichtlich von Anzahl der Punkte undderen „Gleichmäßigkeit“ ab

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Wie groß ist der Fehler bei QMC-Integration?

[0,1)df(x)dx ≈ 1

n

n∑

i=1

f(xi) (1)

◮ Fehler hängt offensichtlich von Anzahl der Punkte undderen „Gleichmäßigkeit“ ab

◮ Um konkretere Aussagen machen zu können benötigenwir zunächst ein Maß für diese „Gleichmäßigkeit“

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Wie groß ist der Fehler bei QMC-Integration?

[0,1)df(x)dx ≈ 1

n

n∑

i=1

f(xi) (1)

◮ Fehler hängt offensichtlich von Anzahl der Punkte undderen „Gleichmäßigkeit“ ab

◮ Um konkretere Aussagen machen zu können benötigenwir zunächst ein Maß für diese „Gleichmäßigkeit“

◮ Die Diskrepanz!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Definition der Diskrepanz

Diskrepanz D: Abweichung der Punkte x1 · · · xn von idealerGleichförmigkeit auf dem Intervall B: [0, 1)d

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Definition der Diskrepanz

Diskrepanz D: Abweichung der Punkte x1 · · · xn von idealerGleichförmigkeit auf dem Intervall B: [0, 1)d

D(x1, · · · , xn; B) = supA∈B

#{xi ∈ A }n

− V(A)

(2)

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Definition der Diskrepanz

Diskrepanz D: Abweichung der Punkte x1 · · · xn von idealerGleichförmigkeit auf dem Intervall B: [0, 1)d

D(x1, · · · , xn; B) = supA∈B

#{xi ∈ A }n

− V(A)

(2)

Dabei stellt A eine Teilmenge von B der Form:

Πdj=1[uj , vj), 0 ≤ uj < vj ≤ 1

dar.

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Beispiel: LCG und Sobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 2048 π = 3.141

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 2048 π = 3.146

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Diskrepanz eindimensionaler Folgen

◮ Für alle geeigneten Folgen xi muss die Diskrepanz D fürn→∞ verschwinden!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Diskrepanz eindimensionaler Folgen

◮ Für alle geeigneten Folgen xi muss die Diskrepanz D fürn→∞ verschwinden!

◮ Für endliche n:

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Diskrepanz eindimensionaler Folgen

◮ Für alle geeigneten Folgen xi muss die Diskrepanz D fürn→∞ verschwinden!

◮ Für endliche n:◮ in einer Dimension: D(x1, · · · , xn) ≥ 1

n

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Diskrepanz eindimensionaler Folgen

◮ Für alle geeigneten Folgen xi muss die Diskrepanz D fürn→∞ verschwinden!

◮ Für endliche n:◮ in einer Dimension: D(x1, · · · , xn) ≥ 1

n◮ Minimum wird durch: xi = 2i−1

n , i = 1, ...., n realisiert.Problem hier: alle xi werden durch Wahl von n festgelegtund unterscheiden sich sämtlich von der Folge zu n + 1 -die Genauigkeit der Integration lässt sich also nicht beliebigsteigern!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Diskrepanz eindimensionaler Folgen

In der Praxis relevanter:

◮ Durch einen Generator wird eine unendliche Folgex1, x2, · · · festgelegt

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Diskrepanz eindimensionaler Folgen

In der Praxis relevanter:

◮ Durch einen Generator wird eine unendliche Folgex1, x2, · · · festgelegt

◮ Uns interessiert nun die Diskrepanz der n ersten Elementedieser Folge!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Diskrepanz eindimensionaler Folgen

In der Praxis relevanter:

◮ Durch einen Generator wird eine unendliche Folgex1, x2, · · · festgelegt

◮ Uns interessiert nun die Diskrepanz der n ersten Elementedieser Folge!

◮ Für diese existiert eine untere Schranke:

D(xi , ...., xn) ≥c logn

n, c = const

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Diskrepanz mehrdimensionaler Folgen

Wesentlich relevanter: Diskrepanz mehrdimensionaler Folgen!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Diskrepanz mehrdimensionaler Folgen

Wesentlich relevanter: Diskrepanz mehrdimensionaler Folgen!◮ wesentlich weniger gesicherte Erkenntisse vorhanden

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Diskrepanz mehrdimensionaler Folgen

Wesentlich relevanter: Diskrepanz mehrdimensionaler Folgen!◮ wesentlich weniger gesicherte Erkenntisse vorhanden◮ weit verbreitete Annahme: Die ersten n Elemente einer

Folge xi , ..., xn in Dimensionen d ≥ 2 besitzen eineDiskrepanz von

D(x1, ..., xn) ≥ cd(logn)d

n.

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Diskrepanz mehrdimensionaler Folgen

Wesentlich relevanter: Diskrepanz mehrdimensionaler Folgen!◮ wesentlich weniger gesicherte Erkenntisse vorhanden◮ weit verbreitete Annahme: Die ersten n Elemente einer

Folge xi , ..., xn in Dimensionen d ≥ 2 besitzen eineDiskrepanz von

D(x1, ..., xn) ≥ cd(logn)d

n.

◮ Folgen die dies erreichen werden häufig als„low-discrepancy sequences“ bezeichnet

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Dimensionsabhängigkeit

Obwohl 1n schneller fällt wie jede Potenz von log n:

◮ für große Dimensionen wird (log n)d schnell sehr groß

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Dimensionsabhängigkeit

Obwohl 1n schneller fällt wie jede Potenz von log n:

◮ für große Dimensionen wird (log n)d schnell sehr groß◮ QMC-Methoden sind daher für sehr hochdimensionale

Probleme tendenziell weniger geeignet

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Dimensionsabhängigkeit

Obwohl 1n schneller fällt wie jede Potenz von log n:

◮ für große Dimensionen wird (log n)d schnell sehr groß◮ QMC-Methoden sind daher für sehr hochdimensionale

Probleme tendenziell weniger geeignet◮ allerdings zeigen viele Untersuchungen, das auch

hochdimensionale finanzmathematische Probleme mitQMC effizienter wie mit MC zu lösen sind

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Übersicht

Einleitung / MotivationBeispiel: Bestimmung von π

mit der Monte-Carlo Methodemit der Quasi Monte-Carlo Methode

Fehlerabschätzung für QMC-IntegrationMaß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Quasi-Zufallsgeneratorenintuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

1e-06

1e-05

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

1 10 100 1000 100001000001e+061e+07

rela

tive

Gen

auig

keit

Anzahl Punkte N

MC1√N

QMCN−0.73

3.14

3.142

3.144

3.146

3.148

3.15

3.152

3.154

3.156

3.158

1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

n

Bestimmung von π mit QMC - wo abbrechen?

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Fehlerschranke

[0,1)df(x)dx − 1

n

n∑

i=1

f(xi)

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Fehlerschranke

Koksma-Hlawka Ungleichung∣

[0,1)df(x)dx − 1

n

n∑

i=1

f(xi)

≤ V(f) D(x1, ..., xn)

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Fehlerschranke

Koksma-Hlawka Ungleichung∣

[0,1)df(x)dx − 1

n

n∑

i=1

f(xi)

≤ V(f) D(x1, ..., xn)

◮ V(f) hängt nur von f ab

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Fehlerschranke

Koksma-Hlawka Ungleichung∣

[0,1)df(x)dx − 1

n

n∑

i=1

f(xi)

≤ V(f) D(x1, ..., xn)

◮ V(f) hängt nur von f ab◮ Diskrepanz D hängt nur vom verwendeten Generator ab

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Fehlerschranke

Die Koksma-Hlawka Ungleichung ist zur Fehlerabschätzungleider relativ wertlos◮ V(f) ist kaum bestimmbar

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Fehlerschranke

Die Koksma-Hlawka Ungleichung ist zur Fehlerabschätzungleider relativ wertlos◮ V(f) ist kaum bestimmbar◮ vor allem meistens schwerer bestimmbar wie das

eigentliche Integral!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Fehlerschranke

Die Koksma-Hlawka Ungleichung ist zur Fehlerabschätzungleider relativ wertlos◮ V(f) ist kaum bestimmbar◮ vor allem meistens schwerer bestimmbar wie das

eigentliche Integral!◮ auch die Diskrepanz D ist im allgemeinen nicht bekannt

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Fehlerschranke

Die Koksma-Hlawka Ungleichung ist zur Fehlerabschätzungleider relativ wertlos◮ V(f) ist kaum bestimmbar◮ vor allem meistens schwerer bestimmbar wie das

eigentliche Integral!◮ auch die Diskrepanz D ist im allgemeinen nicht bekannt◮ Erheblicher Nachteil der Quasi-Monte-Carlo Methode

gegenüber MC!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

Maß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Fehlerschranke

Die Koksma-Hlawka Ungleichung ist zur Fehlerabschätzungleider relativ wertlos◮ V(f) ist kaum bestimmbar◮ vor allem meistens schwerer bestimmbar wie das

eigentliche Integral!◮ auch die Diskrepanz D ist im allgemeinen nicht bekannt◮ Erheblicher Nachteil der Quasi-Monte-Carlo Methode

gegenüber MC!◮ Ansatz hier: Randomized QMC (nur als Ausblick...)

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Übersicht

Einleitung / MotivationBeispiel: Bestimmung von π

mit der Monte-Carlo Methodemit der Quasi Monte-Carlo Methode

Fehlerabschätzung für QMC-IntegrationMaß für Gleichmäßigkeit von PunktfolgenFehlerschranke: Koksma-Hlawka

Quasi-Zufallsgeneratorenintuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

k = 1 N = 1

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

k = 2 N = 9

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

k = 3 N = 49

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

k = 4 N = 225

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

k = 5 -> N = 312 = 25·2 − 25 = 961

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Gitter

N = 2kd − 2k

◮ Zahl der Punkte steigt sehr schnell mit k und der Anzahlder Dimensionen an!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Gitter

N = 2kd − 2k

◮ Zahl der Punkte steigt sehr schnell mit k und der Anzahlder Dimensionen an!

◮ typische Probleme in der Finanzmathematik: d ≈ 50

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Gitter

N = 2kd − 2k

◮ Zahl der Punkte steigt sehr schnell mit k und der Anzahlder Dimensionen an!

◮ typische Probleme in der Finanzmathematik: d ≈ 50◮ im ersten Durchlauf N ≈ 250

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Gitter

N = 2kd − 2k

◮ Zahl der Punkte steigt sehr schnell mit k und der Anzahlder Dimensionen an!

◮ typische Probleme in der Finanzmathematik: d ≈ 50◮ im ersten Durchlauf N ≈ 250

◮ viel, aber noch machbar!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Gitter

N = 2kd − 2k

◮ Zahl der Punkte steigt sehr schnell mit k und der Anzahlder Dimensionen an!

◮ typische Probleme in der Finanzmathematik: d ≈ 50◮ im ersten Durchlauf N ≈ 250

◮ viel, aber noch machbar!◮ für k = 2: N ≈ 2100

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Gitter

N = 2kd − 2k

◮ Zahl der Punkte steigt sehr schnell mit k und der Anzahlder Dimensionen an!

◮ typische Probleme in der Finanzmathematik: d ≈ 50◮ im ersten Durchlauf N ≈ 250

◮ viel, aber noch machbar!◮ für k = 2: N ≈ 2100

◮ läuft auf heute verfügbaren Computern länger als dasUniversum alt ist!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 9 π = 2.667

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 25 π = 2.72

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 81 π = 2.864

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 289 π = 2.99

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 1089 π = 3.067

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 4225 π = 3.103

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 16641 π = 3.122

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

weitere Nachteile

◮ zwischen den Punkten bleiben relativ große quadratischeLöcher

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

weitere Nachteile

◮ zwischen den Punkten bleiben relativ große quadratischeLöcher

◮ wie gerade am π-Beispiel gesehen resultiert darausschlechte Konvergenz!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Van der Corput Sequenz

0 0 0 0

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Van der Corput Sequenz

0 0 0 01 1 0.

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Van der Corput Sequenz

0 0 0 01 1 0.1

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Van der Corput Sequenz

0 0 0 01 1 0.1 1/2

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Van der Corput Sequenz

0 0 0 01 1 0.1 1/22 10 0.

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Van der Corput Sequenz

0 0 0 01 1 0.1 1/22 10 0.

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Van der Corput Sequenz

0 0 0 01 1 0.1 1/22 10 0. 1

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Van der Corput Sequenz

0 0 0 01 1 0.1 1/22 10 0.01 1/4

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Van der Corput Sequenz

0 0 0 01 1 0.1 1/22 10 0.01 1/43 11 0.11 3/4

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Van der Corput Sequenz

0 0 0 01 1 0.1 1/22 10 0.01 1/43 11 0.11 3/44 100 0.001 1/8

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Van der Corput Sequenz

0 0 0 01 1 0.1 1/22 10 0.01 1/43 11 0.11 3/44 100 0.001 1/85 101 0.101 5/8

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Van der Corput Sequenz

0 0 0 01 1 0.1 1/22 10 0.01 1/43 11 0.11 3/44 100 0.001 1/85 101 0.101 5/86 110 0.011 3/8

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Van der Corput Sequenz

0 0 0 01 1 0.1 1/22 10 0.01 1/43 11 0.11 3/44 100 0.001 1/85 101 0.101 5/86 110 0.011 3/87 111 0.111 7/8

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Van der Corput Sequenz

0 0 0 01 1 0.1 1/22 10 0.01 1/43 11 0.11 3/44 100 0.001 1/85 101 0.101 5/86 110 0.011 3/87 111 0.111 7/8

Das sieht doch ganz erfolgsversprechend aus!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Van der Corput Sequenz

0 0 0 01 1 0.1 1/22 10 0.01 1/43 11 0.11 3/44 100 0.001 1/85 101 0.101 5/86 110 0.011 3/87 111 0.111 7/8

Das sieht doch ganz erfolgsversprechend aus!

◮ versuchen wir doch mal damit π zu bestimmen...

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 5000 π = 4

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 5000 π = 3.507

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Erweiterung auf mehrere Dimensionen

Ups! So gehts also nicht

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Erweiterung auf mehrere Dimensionen

Van der Corpus Sequenz auf mehrere Dimensionen erweitern◮ Halton Sequenz!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Erweiterung auf mehrere Dimensionen

Van der Corpus Sequenz auf mehrere Dimensionen erweitern◮ Halton Sequenz!◮ für jede Dimension eine andere VdC Sequenz mit

aufeinanderfolgenden Primzahlen b = 2, 3, 5, 7, 11, · · · alsBasen

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16

i

VdC mit Basen 2 und 4

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 1250 π = 3.002

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16

i

VdC mit Basen 2 und 10

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 1250 π = 3.13

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Erweiterung auf mehrere Dimensionen

Van der Corpus Sequenz auf mehrere Dimensionen erweitern◮ Halton Sequenz!◮ für jede Dimension eine andere VdC Sequenz mit

aufeinanderfolgenden Primzahlen b = 2, 3, 5, 7, 11, · · · alsBasen

◮ π bestimmen!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 10 π = 3.6

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 50 π = 3.12

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 250 π = 3.216

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 1250 π = 3.139

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 6250 π = 3.142

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

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Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

höhere Dimensionen

Die Bestimmung von π mit Halton funktioniert also.

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

höhere Dimensionen

Die Bestimmung von π mit Halton funktioniert also.

◮ Allerdings ist dieses Problem auch nur 2-dimensional!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

höhere Dimensionen

Die Bestimmung von π mit Halton funktioniert also.

◮ Allerdings ist dieses Problem auch nur 2-dimensional!◮ Um höherdimensionale Probleme zu lösen werden

entsprechend größere Primzahlen benötigt

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 2 4 6 8 10 12 14 16

i

6 Dimensionen: b1 = 2 und b6 = 13

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

höhere Dimensionen

Die Bestimmung von π mit Halton funktioniert also.

◮ Allerdings ist dieses Problem auch nur 2-dimensional!◮ Um höherdimensionale Probleme zu lösen werden

entsprechend größere Primzahlen benötigt◮ Allerdings wird dadurch die Diskrepanz der Folgen immer

größer, und damit die Konvergenz immer schlechter ...

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

höhere Dimensionen

Die Bestimmung von π mit Halton funktioniert also.

◮ Allerdings ist dieses Problem auch nur 2-dimensional!◮ Um höherdimensionale Probleme zu lösen werden

entsprechend größere Primzahlen benötigt◮ Allerdings wird dadurch die Diskrepanz der Folgen immer

größer, und damit die Konvergenz immer schlechter ...◮ Beispiel: 50 Dimensionen

b49 = 227 und b50 = 229 sind dann die größten Basen

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Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

höhere Dimensionen

Die Bestimmung von π mit Halton funktioniert also.

◮ Allerdings ist dieses Problem auch nur 2-dimensional!◮ Um höherdimensionale Probleme zu lösen werden

entsprechend größere Primzahlen benötigt◮ Allerdings wird dadurch die Diskrepanz der Folgen immer

größer, und damit die Konvergenz immer schlechter ...◮ Beispiel: 50 Dimensionen

b49 = 227 und b50 = 229 sind dann die größten Basen◮ π bestimmen!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 10 π = 4

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 50 π = 4

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 250 π = 2.96

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 1250 π = 2.909

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 6250 π = 3.112

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

1e-06

1e-05

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

1 10 100 1000 100001000001e+061e+07

rela

tive

Gen

auig

keit

Anzahl Punkte N

MC1√N

QMCN−0.73

d = 50

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Nachteile des Halton-Generators

◮ nicht für hochdimensionale Probleme geeignet

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Nachteile des Halton-Generators

◮ nicht für hochdimensionale Probleme geeignet◮ ausserdem nur relativ ineffizient auf Computern zu

implementieren, da Berechnungen in Basen b , 2

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Die Lösung - Sobol!

◮ geringe Diskrepanz auch bei vielen Dimensionen

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Die Lösung - Sobol!

◮ geringe Diskrepanz auch bei vielen Dimensionen◮ Berechnungen nur in einer Basis b = 2 nötig

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Die Lösung - Sobol!

◮ geringe Diskrepanz auch bei vielen Dimensionen◮ Berechnungen nur in einer Basis b = 2 nötig

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Die Lösung - Sobol!

◮ geringe Diskrepanz auch bei vielen Dimensionen◮ Berechnungen nur in einer Basis b = 2 nötig

◮ daher schnelle Berechnung mit dem Computer

◮ allerdings: mathematische Basis nichttrivial

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 1024 π = 3.16

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

N = 2048 π = 3.146

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Vergleich MC / QMC bei stetigem Anschluss am Rand

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Fun

ktio

nsw

ertf

(r)

Radius r

Funktion auf der Kreisscheibe

f(r) = (1 − r) · e−r

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

1e-07

1e-06

1e-05

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

1 10 100 1000 10000 100000 1e+06

rela

tive

Gen

auig

keit

Anzahl Punkte N

MC vs QMC soft boundary

MC1√N

QMC1N

QMC hard

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Zusammenfassung Quasi-MC

Vorteile

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Zusammenfassung Quasi-MC

Vorteile◮ wesentlich schnellere Konvergenz für Probleme

mittlerer Dimensionalität

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Zusammenfassung Quasi-MC

Vorteile◮ wesentlich schnellere Konvergenz für Probleme

mittlerer Dimensionalität◮ besonders bei stetigem Anschluss am Rand!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Zusammenfassung Quasi-MC

Vorteile◮ wesentlich schnellere Konvergenz für Probleme

mittlerer Dimensionalität◮ besonders bei stetigem Anschluss am Rand!

Nachteile

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Zusammenfassung Quasi-MC

Vorteile◮ wesentlich schnellere Konvergenz für Probleme

mittlerer Dimensionalität◮ besonders bei stetigem Anschluss am Rand!

Nachteile◮ Dimensionsabhängigkeit

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

Zusammenfassung Quasi-MC

Vorteile◮ wesentlich schnellere Konvergenz für Probleme

mittlerer Dimensionalität◮ besonders bei stetigem Anschluss am Rand!

Nachteile◮ Dimensionsabhängigkeit◮ schwierige Fehlerabschätzung

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

nur so ganz am Rande...

◮ Monte-Carlo Integration lässt sich sehr gut parallelisieren

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

nur so ganz am Rande...

◮ Monte-Carlo Integration lässt sich sehr gut parallelisieren◮ gut geeignet für SIMD-Architekturen

(Single Instruction, Multiple Data)

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

nur so ganz am Rande...

◮ Monte-Carlo Integration lässt sich sehr gut parallelisieren◮ gut geeignet für SIMD-Architekturen

(Single Instruction, Multiple Data)◮ wie z.B. Grafikkarten!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden

1e-05

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

1 10 100 1000 10000 100000 1e+06 1e+07 1e+08 1e+09

Sta

ndar

dabw

eich

ung

Anzahl Punkte N

C2D E6750 vs 8800GT

CPU

GPU

Einleitung / MotivationFehlerabschätzung für QMC-Integration

Quasi-Zufallsgeneratoren

intuitiver Ansatz: GitterVan der Corput SequenzHaltonSobol

nur so ganz am Rande...

◮ Monte-Carlo Integration lässt sich sehr gut parallelisieren◮ gut geeignet für SIMD-Architekturen

(Single Instruction, Multiple Data)◮ wie z.B. Grafikkarten!

◮ 50x schneller!

Marcel Horstmann Quasi Monte-Carlo Methoden