第8讲-计算机模拟

实验目的实验目的实验内容实验内容学习计算机模拟的基本过程与方法。学习计算机模拟的基本过程与方法。1 1、模拟的概念。、模拟的概念。4 4、实验作业、实验作业。3、计算机模拟实例。、计算机模拟实例。2、产生随机数的计算机命令。、产生随机数的计算机命令。连续系统模拟实例:追逐问题追逐问题离散系统模拟实例:排队问题排队问题用蒙特卡洛法解非线性规划问题用蒙特卡洛法解非线性规划问题返回计算机模拟实例计算机模拟实例模拟的概念模拟的概念 模拟就是利用物理的、数学的模型来类比、模仿现实系统及其演变过程，以寻求过程规律的一种方法。模拟的基本思想是建立一个试验模型，这个模型包含所研究系统的主要特点通过对这个实验模型的运行，获得所要研究系统的必要信息模拟的方法模拟的方法1、物理模拟：对实际系统及其过程用功能相似的实物系统去模仿。例如，军事演习、船艇实验、沙盘作业等。物理模拟通常花费较大、周期较长，且在物理模型上改变系统结构和系数都较困难。而且，许多系统无法进行物理模拟，如社会经济系统、生态系统等。在实际问题中，面对一些带随机因素的复杂系统，用分析方法建模常常需要作许多简化假设，与面临的实际问题可能相差甚远，以致解答根本无法应用。这时，计算机模拟几乎成为唯一的选择。在一定的假设条件下，运用数学运算模拟系统的运行，称为数学模拟。现代的数学模拟都是在计算机上进行的，称为计算机模拟。2、数学模拟 计算机模拟可以反复进行，改变系统的结构和系数都比较容易。蒙特卡洛（蒙特卡洛（Monte CarloMonte Carlo）方法）方法是一种应用随机数来进行计算机模拟的方法此方法对研究的系统进行随机观察抽样，通过对样本值的观察统计，求得所研究系统的某些参数例例1 1在我方某前沿防守地域，敌人以一个炮排（含两门火炮）为单位对我方进行干扰和破坏为躲避我方打击，敌方对其阵地进行了伪装并经常变换射击地点 经过长期观察发现，我方指挥所对敌方目标的指示有50是准确的，而我方火力单位，在指示正确时，有1/3的射击效果能毁伤敌人一门火炮，有1/6的射击效果能全部消灭敌人 现在希望能用某种方式把我方将要对敌人实施的20次打击结果显现出来，确定有效射击的比率及毁伤敌方火炮的平均值。分析分析：这是一个概率问题，可以通过理论计算得到相应的概率和期望值.但这样只能给出作战行动的最终静态结果，而显示不出作战行动的动态过程.为了能显示我方20次射击的过程，现采用模拟的方式。需要模拟出以下两件事：1.问题分析问题分析2 2 当指示正确时，我方火力单位的射击结果情况当指示正确时，我方火力单位的射击结果情况1 1 观察所对目标的指示正确与否观察所对目标的指示正确与否模拟试验有两种结果，每一种结果出现的概率都是1/2 因此，可用投掷一枚硬币的方式予以确定可用投掷一枚硬币的方式予以确定，当硬币出现正面时为指示正确，反之为不正确 模拟试验有三种结果：毁伤一门火炮的可能性为1/3(即2/6)，毁伤两门的可能性为1/6，没能毁伤敌火炮的可能性为1/2(即3/6)这时可用投掷骰子的方法来确定可用投掷骰子的方法来确定：如果出现的是、三个点：则认为没能击中敌人；如果出现的是、点：则认为毁伤敌人一门火炮；若出现的是点：则认为毁伤敌人两门火炮2.符号假设符号假设i：要模拟的打击次数；k1：没击中敌人火炮的射击总数；k2：击中敌人一门火炮的射击总数；k3：击中敌人两门火炮的射击总数E：有效射击比率；E1：20次射击平均每次毁伤敌人的火炮数3.模拟框图模拟框图初始化:i=0,k1=0,k2=0,k3=0i=i+1骰子点数?k1=k1+1k2=k2+1k3=k3+1k1=k1+1i20?E=(k2+k3)/20 E1=0*k1/20+1*k2/20+2*k3/20停止硬币正面?YNNY1，2，34，564.模拟结果模拟结果5.理论计算理论计算6.结果比较结果比较 理论计算和模拟结果的比较分类项目无效射击有效射击平均值模拟理论 返回 虽然模拟结果与理论计算不完全一致，但它却能更加真实地表虽然模拟结果与理论计算不完全一致，但它却能更加真实地表达实际战斗动态过程达实际战斗动态过程 用蒙特卡洛方法进行计算机模拟的步骤用蒙特卡洛方法进行计算机模拟的步骤：1 设计一个逻辑框图，即模拟模型这个框图要正确反映系统各部分运行时的逻辑关系。2 模拟随机现象可通过具有各种概率分布的模拟随机数来模拟随机现象产生模拟随机数的计算机命令产生模拟随机数的计算机命令 在Matlab软件中，可以直接产生满足各种分布的随机数，命令如下：2产生mn阶，均匀分布的随机数矩阵：rand(m,n)rand(m,n)产生一个，均匀分布的随机数：randrand1产生mn阶a，b均匀分布U（a，b）的随机数矩阵：unifrnd(a,b,m,n)unifrnd(a,b,m,n)产生一个a，b均匀分布的随机数：unifrnd(a,b)unifrnd(a,b)当只知道一个随机变量取值在（a，b）内，但不知道（也没理由假设）它在何处取值的概率大，在何处取值的概率小，就只好用U（a，b）来模拟它。例 1的计算机模拟 To Matlab（rnd）当研究对象视为大量相互独立的随机变量之和，且其中每一种变量对总和的影响都很小时，可以认为该对象服从正态分布。机械加工得到的零件尺寸的偏差、射击命中点与目标的偏差、各种测量误差、人的身高、体重等，都可近似看成服从正态分布。若连续型随机变量X的概率密度函数为 其中 0为常数，则称X服从参数为 的指数分布指数分布。000)(xxexft指数分布的期望值为 1排队服务系统中顾客到达率为常数时的到达间隔、故障率为常数时零件的寿命都服从指数分布。指数分布在排队论、可靠性分析中有广泛应用。注意：注意：Matlab中，产生参数为 的指数分布的命令为exprnd()1例例 顾客到达某商店的间隔时间服从参数为顾客到达某商店的间隔时间服从参数为0.10.1的指数分布的指数分布 指数分布的均值为指数分布的均值为1/0.1=101/0.1=10。指两个顾客到达商店的平均间隔时间是指两个顾客到达商店的平均间隔时间是1010个单位时间个单位时间.即平均即平均1010个个单位时间到达单位时间到达1 1个顾客个顾客.顾客到达的间隔时间可用顾客到达的间隔时间可用exprnd(10)exprnd(10)模拟。模拟。设离散型随机变量X的所有可能取值为0,1,2,且取各个值的概率为其中 0为常数，则称X服从参数为 的帕松分布帕松分布。,2,1,0,!)(kkekXPk帕松分布在排队系统、产品检验、天文、物理等领域有广泛应用。帕松分布的期望值为如相继两个事件出现的间隔时间服从参数为 的指数分布，则在单位时间间隔内事件出现的次数服从参数为 的泊松分布即单位时间内该事件出现k次的概率为：,2,1,0,!)(kkekXPk反之亦然。指数分布与帕松分布的关系：(1)(1)指两个顾客到达商店的平均间隔时间是指两个顾客到达商店的平均间隔时间是1010个单位时间个单位时间.即平均即平均1010个单位时间到达个单位时间到达1 1个顾客个顾客.(2)(2)指一个单位时间内平均到达指一个单位时间内平均到达0.10.1个顾客个顾客例例 (1)(1)顾客到达某商店的间隔时间服从参数为顾客到达某商店的间隔时间服从参数为0.10.1的指数分布的指数分布 (2)(2)该商店在单位时间内到达的顾客数服从参数为该商店在单位时间内到达的顾客数服从参数为0.10.1的帕松分布的帕松分布 返回例例2 2敌坦克分队对我方阵地实施突袭，其到达规律服从泊松分布，平均每分钟到达辆（1）模拟敌坦克在分钟内到达目标区的数量，以及在第、分钟内各到达几辆坦克（2）模拟在3分钟内每辆敌坦克的到达时刻。（1）用poissrnd(4)进行模拟。To Matlab（poiss）（2）坦克到达的间隔时间应服从参数为4的负指数分布，用exprnd（1/4）模拟。To Matlab（time）连续系统模拟实例:追逐问题追逐问题 状态随时间连续变化的系统称为连续系统连续系统。对连续系统的计算机模拟只能是近似的，只要这种近似达到一定的精度，也就可以满足要求。例例 追逐问题追逐问题:如图,正方形ABCD的四个顶点各有一人.在某一时刻,四人同时出发以匀速v=1米/秒按顺时针方向追逐下一人,如果他们始终保持对准目标,则最终按螺旋状曲线于中心点O.试求出这种情况下每个人的行进轨迹.OBCDA1.建立平面直角坐标系:A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3),D(x4,y4).2.取时间间隔为t,计算每一点在各个时刻的坐标.4.对每一个点，连接它在各时刻的位置,即得所求运动轨迹.求解过程求解过程:To Matlab(chase)返回v=1;dt=0.05;x=0 0 10 10;y=0 10 10 0;for i=1:4 plot(x(i),y(i),.),hold onendd=20;while(d0.1)x(5)=x(1);y(5)=y(1);for i=1:4 d=sqrt(x(i+1)-x(i)2+(y(i+1)-y(i)2);x(i)=x(i)+v*dt*(x(i+1)-x(i)/d;y(i)=y(i)+v*dt*(y(i+1)-y(i)/d;plot(x(i),y(i),.),hold on end end计算程序计算程序:To Matlab(chase)返回鱼雷击舰问题鱼雷击舰问题一、问题一、问题 一敌舰在某海域内沿正北方向航行时，我方战舰恰位于敌舰的正西方向1n mile处。我舰向敌舰发射制导鱼雷，敌舰速度为0.42n mile/min，鱼雷速度为敌舰速度的2倍。试问敌舰航行多远时将被击中?用计算机模拟方法模拟鱼雷追击敌舰的过程。二、实验过程二、实验过程 建立直角坐标系(如图)，设敌舰为动点Q，鱼雷为动点P，Q点的初始位置为Q0(1,0)，P点的初始位置为P0(0,0).为了计算出追击过程中每一时刻P点和Q点的具体位置，需分别描述P、Q两点运动的方向、速度及位置变化规律.QxyOP(x,y)1 由于Q点从初始点出发沿 y 轴方向运动且速度为常数v0，故Q点在t=tk时刻的位置为Qk(1,v0 tk).由于P点的运动方向始终指向Q，设在t=tk时刻，P点位置是Pk(xk,yk)，则向量 ，此时P点的运动方向可由下面单位向量(方向余弦)表示),1(0kkkkkytvxQP|),()(2)(1)(kkkkkkkQPQPeee2020)(2202)(1)()1(,)()1(1kkkkkkkkkkkytvxytveytvxxe(1)(2)P点运动速度大小为常数v1=2v0.取时间步长t=2s，设在t=tk+1时刻，P点的位置为Pk+1(xk+1,yk+1)，于是P点的位置变化规律为)(211)(111kkkkkketvyyetvxx(3)现对追击过程进行模拟，当两个动点的距离小于0.02(n mile)时，则认为P点已经追上Q点。模拟过程实际上是产生平面上两个点列:Pk，Qk(k=0,1,2,.)的过程。p=0 0;t=0;dt=2;v0=0.42/60;v1=2*v0;for k=1:100t=t+dt;q=1 v0*t;u(k)=1;v(k)=q(2);w=q-p;d=norm(w);if dMAXK或PMAXP时停止迭代框框 图图初始化:给定MAXK,MAXP;k=0,p=0,Q:大整数xj=aj+R(bj-aj)j=1,2,nj=0j=j+1,p=p+1PMAXP?YNxj=aj+R(bj-aj)gi(X)0?i=1,2nYNjMAXK?YN输出X,Q,停止YN 在Matlab软件包中编程，共需三个文件:randlp.m,mylp.m,lpconst.m.主程序为randlp.m.%mylp.m%mylp.mfunction z=mylp(x)%目标函数z=2*x(1)2+x(2)2-x(1)*x(2)-8*x(1)-3*x(2);%转化为求最小值问题%randlp.m%randlp.m function sol,r1,r2=randlp(a,b,n)%随机模拟解非线性规划debug=1;a=0;%试验点下界b=10;%试验点上界n=1000;%试验点个数r1=unifrnd(a,b,n,1);%n1阶的a,b均匀分布随机数矩阵r2=unifrnd(a,b,n,1);sol=r1(1)r2(1);z0=inf;for i=1:n x1=r1(i);x2=r2(i);lpc=lpconst(x1 x2)；if lpc=1 z=mylp(x1 x2)；if zz0 z0=z；sol=x1 x2；end endendTo Matlab(randlp)返回实验作业实验作业1、编一个福利彩票电脑选号的程序。4.某设备上安装有四只型号规格完全相同的电子管，已知电子管寿命为1000-2000小时之间的均匀分布。当电子管损坏时有两种维修方案，一是每次更换损坏的那一只；二是当其中一只损坏时四只同时更换。已知更换时间为换一只时需1小时，4只同时换为2小时。更换时机器因停止运转每小时的损失为20元，又每只电子管价格10元，试用模拟方法决定哪一个方案经济合理？5.导弹追踪问题：导弹追踪问题：设位于坐标原点的甲舰向位于x轴上点A(1,0)处的乙舰发射导弹，导弹头始终对准乙舰.如果乙舰以最大的速度(是常数)沿平行于y轴的直线行驶，导弹的速度是5，模拟导弹运行的轨迹.又乙舰行驶多远时，导弹将它击中？初始化:i=0,k1=0,k2=0,k3=0i=i+1骰子点数?k1=k1+1k2=k2+1k3=k3+1k1=k1+1i20?E=(k2+k3)/20 E1=0*k1/20+1*k2/20+2*k3/20停止硬币正面?YNNY1，2，34，56投掷硬币的计算机模拟投掷硬币的计算机模拟1、产生服从U（0，1）的随机数R12、将区间0，1两等分：若 ，则对应硬币正面 若 ，则对应硬币反面5.001R15.01R掷骰子的计算机模拟掷骰子的计算机模拟1、产生服从U（0，1）的随机数R22、将区间0，1六等份：若 ，则对应骰子点数为1 若 ，则对应骰子点数为2 若 ，则对应骰子点数为3 若 ，则对应骰子点数为4 若 ，则对应骰子点数为5 若 ，则对应骰子点数为66102 R62612 R63622 R65642 R64632 R1652 R精品课件精品课件！精品课件精品课件！初始化:i=0,k1=0,k2=0,k3=0i=i+1R2=?k1=k1+1k2=k2+1k3=k3+1k1=k1+1i20?E=(k2+k3)/20 E1=0*k1/20+1*k2/20+2*k3/20停止R1=0.5YNNYR25/6To Matlab(liti1)