Simulation and the Monte Carlo Method

Simulation and the Monte Carlo Method pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:Wiley
作者:Reuven Y. Rubinstein
出品人:
页数:432
译者:
出版时间:2016-11-7
价格:USD 130.00
装帧:Hardcover
isbn号码:9781118632161
丛书系列:
图书标签:
  • 统计学
  • 数值方法
  • MonteCarlo
  • Mathematics
  • Bayesian
  • 模拟方法
  • 蒙特卡洛方法
  • 数值计算
  • 概率统计
  • 随机模拟
  • 计算科学
  • 科学计算
  • 数学建模
  • 统计模拟
  • 算法
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具体描述

This accessible new edition explores the major topics in Monte Carlo simulation that have arisen over the past 30 years and presents a sound foundation for problem solving

Simulation and the Monte Carlo Method, Third Edition reflects the latest developments in the field and presents a fully updated and comprehensive account of the state-of-the-art theory, methods and applications that have emerged in Monte Carlo simulation since the publication of the classic First Edition over more than a quarter of a century ago. While maintaining its accessible and intuitive approach, this revised edition features a wealth of up-to-date information that facilitates a deeper understanding of problem solving across a wide array of subject areas, such as engineering, statistics, computer science, mathematics, and the physical and life sciences. The book begins with a modernized introduction that addresses the basic concepts of probability, Markov processes, and convex optimization. Subsequent chapters discuss the dramatic changes that have occurred in the field of the Monte Carlo method, with coverage of many modern topics including: Markov Chain Monte Carlo, variance reduction techniques such as importance (re-)sampling, and the transform likelihood ratio method, the score function method for sensitivity analysis, the stochastic approximation method and the stochastic counter-part method for Monte Carlo optimization, the cross-entropy method for rare events estimation and combinatorial optimization, and application of Monte Carlo techniques for counting problems. An extensive range of exercises is provided at the end of each chapter, as well as a generous sampling of applied examples.

The Third Edition features a new chapter on the highly versatile splitting method, with applications to rare-event estimation, counting, sampling, and optimization. A second new chapter introduces the stochastic enumeration method, which is a new fast sequential Monte Carlo method for tree search. In addition, the Third Edition features new material on:

• Random number generation, including multiple-recursive generators and the Mersenne Twister

• Simulation of Gaussian processes, Brownian motion, and diffusion processes

• Multilevel Monte Carlo method

• New enhancements of the cross-entropy (CE) method, including the “improved” CE method, which uses sampling from the zero-variance distribution to find the optimal importance sampling parameters

• Over 100 algorithms in modern pseudo code with flow control

• Over 25 new exercises

Simulation and the Monte Carlo Method, Third Edition is an excellent text for upper-undergraduate and beginning graduate courses in stochastic simulation and Monte Carlo techniques. The book also serves as a valuable reference for professionals who would like to achieve a more formal understanding of the Monte Carlo method.

一本探讨在不确定性环境中进行决策和理解复杂系统的实用指南。 本书深入剖析了当精确计算变得困难或不可能时,我们如何利用模拟技术来探索和理解现象。它聚焦于一种强大的计算方法——蒙特卡洛方法,揭示了如何通过重复的随机抽样来逼近真实世界的行为,从而在统计学、物理学、金融学、工程学以及许多其他领域中获得深刻的洞察。 核心内容与方法论: 本书将带领读者踏上一段发现之旅,从蒙特卡洛方法的基本原理出发,逐步深入到其在实际应用中的精妙之处。 随机数的生成与应用: 任何蒙特卡洛模拟的基石都离不开高质量的随机数。本书将详尽介绍各种随机数生成器(RNG)的算法,包括伪随机数生成器(PRNG)的原理,以及如何评估其统计特性(如均匀性、独立性和周期性)。读者将学习如何从各种概率分布(如均匀分布、正态分布、指数分布、泊松分布等)中抽取随机样本,这是构建任何模拟模型的基础。 蒙特卡洛积分: 对于无法直接积分的复杂函数,蒙特卡洛方法提供了一种高效的近似手段。本书将阐述如何通过在函数定义域内随机采样并计算平均值来估计积分值,以及如何分析这种方法的收敛速度和误差。这对于计算高维积分尤为重要。 抽样技术与方差缩减: 为了提高模拟效率和减少结果的随机波动,本书将重点介绍各种方差缩减技术。读者将学习到: 重要性采样(Importance Sampling): 通过优先采样那些对结果贡献更大的区域,来显著降低估计的方差。 控制变量(Control Variates): 利用已知期望值的辅助变量来减少目标变量的方差。 分层采样(Stratified Sampling): 将采样空间划分为若干层,并在每层中进行独立采样,以获得更均匀的覆盖。 再生采样(Antithetic Variates): 利用样本之间的负相关性来抵消随机误差。 离散事件模拟(Discrete-Event Simulation): 许多系统(如排队系统、库存管理、计算机网络)的状态只在离散的时间点上发生变化。本书将介绍如何构建离散事件模拟模型,包括事件列表的管理、状态变量的更新以及统计数据的收集。读者将学习如何模拟客户到达、服务完成、资源分配等过程。 马尔可夫链蒙特卡洛(MCMC)方法: 在统计推断和贝叶斯分析中,MCMC方法扮演着至关重要的角色。本书将深入介绍MCMC的核心思想,包括如何构建马尔可夫链,使其平稳分布与目标分布一致。读者将学习到: Metropolis-Hastings算法: 一种通用且强大的MCMC算法,能够接受或拒绝候选样本。 Gibbs采样: 一种在特定条件下比Metropolis-Hastings更易于实现的MCMC算法,适用于多维分布。 MCMC的收敛性诊断和结果分析。 物理与工程中的应用: 蒙特卡洛方法在模拟物理现象中具有广泛的应用,例如: 粒子输运模拟: 如中子、光子在介质中的传播。 统计物理: 如伊辛模型、自旋玻璃等相变的研究。 材料科学: 如模拟材料的生长、扩散和性能。 计算流体力学(CFD): 在某些场景下,蒙特卡洛方法可以作为传统方法的补充。 金融与经济学中的应用: 在高度不确定的金融市场中,蒙特卡洛方法是不可或缺的工具: 期权定价: 利用蒙特卡洛模拟Black-Scholes模型的扩展,对复杂衍生品进行定价。 风险管理: 评估投资组合的VaR(Value at Risk)和CVaR(Conditional Value at Risk),进行压力测试。 投资组合优化: 探索不同资产配置下的潜在收益和风险。 经济模型模拟: 模拟宏观经济变量的演变,评估政策影响。 其他领域的应用: 生物学: 模拟基因的传播、种群动态、蛋白质折叠。 计算机科学: 算法分析、图论问题(如随机图)、机器学习中的模型推断。 运筹学: 求解组合优化问题,如旅行商问题。 环境科学: 模拟污染扩散、气候变化模型。 本书特色: 本书的编写风格旨在理论与实践并重。每介绍一种方法,都将辅以清晰的数学推导和直观的解释,确保读者能够理解其背后的逻辑。同时,书中将包含大量的计算示例,可能使用Python、R或MATLAB等常用编程语言实现,以便读者能够动手实践,亲身体验模拟的力量。通过这些示例,读者将学习如何将抽象的理论转化为可执行的代码,并分析模拟结果。 本书适合那些希望深入理解和应用概率模型、统计方法以及计算科学的学生、研究人员和从业者。它将为读者提供一套强大的工具箱,以应对现实世界中层出不穷的复杂问题,并在不确定性中做出更明智的决策。它鼓励读者跳出传统解析方法的局限,拥抱模拟驱动的探索与创新。

作者简介

Reuven Y. Rubinstein, DSc, was Professor Emeritus in the Faculty of Industrial Engineering and Management at Technion-Israel Institute of Technology. He served as a consultant at numerous large-scale organizations, such as IBM, Motorola, and NEC. The author of over 100 articles and six books, Dr. Rubinstein was also the inventor of the popular score-function method in simulation analysis and generic cross-entropy methods for combinatorial optimization and counting.

Dirk P. Kroese, PhD, is a Professor of Mathematics and Statistics in the School of Mathematics and Physics of The University of Queensland, Australia. He has published over 100 articles and four books in a wide range of areas in applied probability and statistics, including Monte Carlo methods, cross-entropy, randomized algorithms, tele-traffic c theory, reliability, computational statistics, applied probability, and stochastic modeling.

目录信息

Preface xiii
Acknowledgments xvii
1 Preliminaries 1
1.1 Introduction 1
1.2 Random Experiments 1
1.3 Conditional Probability and Independence 2
1.4 Random Variables and Probability Distributions 4
1.5 Some Important Distributions 5
1.6 Expectation 6
1.7 Joint Distributions 7
1.8 Functions of Random Variables 11
1.9 Transforms 14
1.10 Jointly Normal Random Variables 15
1.11 Limit Theorems 16
1.12 Poisson Processes 17
1.13 Markov Processes 19
1.14 Gaussian Processes 27
1.15 Information 28
1.16 Convex Optimization and Duality 34
Problems 41
References 46
2 Random Number, Random Variable, and Stochastic Process Generation 49
2.1 Introduction 49
2.2 Random Number Generation 49
2.3 Random Variable Generation 55
2.4 Generating from Commonly Used Distributions 62
2.5 Random Vector Generation 70
2.6 Generating Poisson Processes 75
2.7 Generating Markov Chains and Markov Jump Processes 77
2.8 Generating Gaussian Processes 80
2.9 Generating Diffusion Processes 81
2.10 Generating Random Permutations 83
Problems 85
References 89
3 Simulation of Discrete-Event Systems 91
3.1 Introduction 91
3.2 Simulation Models 92
3.3 Simulation Clock and Event List for DEDS 95
3.4 Discrete-Event Simulation 97
Problems 103
References 106
4 Statistical Analysis of Discrete-Event Systems 107
4.1 Introduction 107
4.2 Estimators and Confidence Intervals 108
4.3 Static Simulation Models 110
4.4 Dynamic Simulation Models 112
4.5 Bootstrap Method 126
Problems 127
References 130
5 Controlling the Variance 133
5.1 Introduction 133
5.2 Common and Antithetic Random Variables 134
5.3 Control Variables 137
5.4 Conditional Monte Carlo 139
5.5 Stratified Sampling 144
5.6 Multilevel Monte Carlo 146
5.7 Importance Sampling 149
5.8 Sequential Importance Sampling 159
5.9 Sequential Importance Resampling 165
5.10 Nonlinear Filtering for Hidden Markov Models 167
5.11 Transform Likelihood Ratio Method 171
5.12 Preventing the Degeneracy of Importance Sampling 174
Problems 179
References 184
6 Markov Chain Monte Carlo 187
6.1 Introduction 187
6.2 Metropolis–Hastings Algorithm 188
6.3 Hit-and-Run Sampler 193
6.4 Gibbs Sampler 194
6.5 Ising and Potts Models 197
6.6 Bayesian Statistics 200
6.7 Other Markov Samplers 202
6.8 Simulated Annealing 208
6.9 Perfect Sampling 212
Problems 214
References 219
7 Sensitivity Analysis and Monte Carlo Optimization 221
7.1 Introduction 221
7.2 Score Function Method for Sensitivity Analysis of DESS 224
7.3 Simulation-Based Optimization of DESS 231
7.4 Sensitivity Analysis of DEDS 246
Problems 252
References 255
8 Cross-Entropy Method 257
8.1 Introduction 257
8.2 Estimation of Rare-Event Probabilities 258
8.3 CE Method for Optimization 272
8.4 Max-Cut Problem 276
8.5 Partition Problem 282
8.6 Traveling Salesman Problem 283
8.7 Continuous Optimization 291
8.8 Noisy Optimization 292
8.9 MinxEnt Method 294
Problems 298
References 303
9 Splitting Method 307
9.1 Introduction 307
9.2 Counting Self-Avoiding Walks via Splitting 308
9.3 Splitting with a Fixed Splitting Factor 310
9.4 Splitting with a Fixed Effort 313
9.5 Generalized Splitting 314
9.6 Adaptive Splitting 318
9.7 Application of Splitting to Network Reliability 321
9.8 Applications to Counting 322
9.9 Case Studies for Counting with Splitting 325
9.10 Splitting as a Sampling Method 337
9.11 Splitting for Optimization 340
Problems 344
References 348
10 Stochastic Enumeration Method 351
10.1 Introduction 351
10.2 Tree Search and Tree Counting 352
10.3 Knuth’s Algorithm for Estimating the Cost of a Tree 355
10.4 Stochastic Enumeration 357
10.5 Application of SE to Counting 360
10.6 Application of SE to Network Reliability 368
Problems 373
References 375
Appendix 377
A.1 Cholesky Square Root Method 377
A.2 Exact Sampling from a Conditional Bernoulli Distribution 378
A.3 Exponential Families 379
A.4 Sensitivity Analysis 382
A.4.1 Convexity Results 383
A.4.2 Monotonicity Results 384
A.5 A Simple CE Algorithm for Optimizing the Peaks Function 385
A.6 Discrete-Time Kalman Filter 385
A.7 Bernoulli Disruption Problem 387
A.8 Complexity 389
A.8.1 Complexity of Rare-Event Algorithms 389
A.8.2 Complexity of Randomized Algorithms: FPRAS and FPAUS 390
A.8.3 SATs in CNF 394
A.8.4 Complexity of Stochastic Programming Problems 395
Problems 402
References 403
Abbreviations and Acronyms 405
List of Symbols 407
Index 409
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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这本书在理论与实践的结合上做得令人印象深刻。它并没有停留在纯粹的数学证明层面,而是大量融入了实际应用案例的分析。我特别欣赏作者对“为什么”而不是仅仅“怎么做”的深度探讨。例如,书中对不同采样方法收敛速度的对比分析,不仅仅给出了代码示例,更是深入剖析了每种方法背后的统计学原理和适用场景的边界条件。这种严谨的态度,让读者在掌握工具的同时,也培养了批判性思维,避免了盲目套用公式的陷阱。对于希望将这些方法应用到实际数据分析或工程优化中的人来说,这本书提供的“思维框架”比单纯的公式集要宝贵得多。它教会我的不是如何解一道题,而是如何建立一套解决同类问题的通用方法论。

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从语言风格上看,这本书的作者显然是一位极具个人魅力的表达者。他的文字充满了清晰的逻辑性,但在关键时刻又能适时地插入一些富有启发性的比喻,让复杂的概念瞬间变得透明。我尤其喜欢他那种不动声色的幽默感,偶尔在严肃的论述中出现的精妙措辞,总能让人会心一笑,有效缓解了长时间学习带来的精神压力。这种平衡感处理得非常微妙,既保持了学术的严谨性,又赋予了文本极高的可读性。我感觉自己像是在与一位知识渊博、耐心细致的专家进行一对一的交流,而不是在被动地接收信息。这种亲近感是许多专业书籍所缺失的,也极大地提升了我主动探索后续章节的动力。

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我花了好几天时间细细品味这本书的叙事结构,发现作者在构建知识体系时展现了非凡的洞察力。它不是那种枯燥的教科书堆砌,而是像一位经验丰富的导师,循序渐进地引导你进入一个复杂的领域。开篇的铺垫非常到位,用生动的生活实例而非抽象的数学定义来引入核心概念,极大地降低了初学者的畏惧感。随着章节的深入,作者巧妙地穿插了一些历史性的轶事和关键人物的贡献,这使得原本冰冷的理论变得有血有肉,充满了人文关怀。特别是对一些核心算法的推导过程,作者采用了多角度的解释方式,确保读者在不同思维路径下都能理解其精髓。整体的阅读节奏把握得非常精准,既有让人深思的慢节奏讲解,也有快速推进概念的紧凑段落,读起来酣畅淋漓,很少有“卡壳”的感觉。

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这本书的排版和装帧实在是让人眼前一亮。纸张的选择非常考究,拿在手里有一种沉甸甸的质感,内页的字体大小和行距也恰到好处,即便是长时间阅读也不会感到眼睛疲劳。封面设计简约而不失深度,那种深蓝色的主色调配上简洁的几何图形,透露出一种严谨的学术气息,让人忍不住想立刻翻开它一探究竟。更值得称赞的是,书中大量的图表和公式都印刷得极其清晰,线条锐利,即便是复杂的概率分布图也能一目了然。这种对细节的极致追求,无疑为沉浸式的学习体验奠定了坚实的基础。我可以想象,这本书会成为我书架上一个经久不衰的珍藏品,不仅仅是因为其内容的价值,更是因为它本身作为一件“阅读载体”的精美程度。对于那些珍视阅读体验的读者来说,这本书的物理呈现本身就是一种享受。

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这本书的目录结构设计本身就透露出一种深思熟虑的编排艺术。它像一张精心绘制的导航图,清晰地标示了从基础概念到高级专题的每一步路径。我注意到作者在章节过渡的设计上极为考究,每一个新概念的引入都建立在之前内容扎实理解的基础上,很少出现知识断层。尤其是对于那些需要跨领域知识储备的章节,作者都提供了恰当的回溯指引或必要的背景知识补充,显示出对不同背景读者的充分体谅。这种结构上的严密性和逻辑上的连贯性,使得读者可以根据自己的掌握程度灵活选择阅读深度,无论是想快速掌握核心技巧,还是想深入钻研底层机制,这本书都能提供清晰的路线图,体现了极高的实用价值和教学设计水准。

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