Глава 4. Статистическое моделирование.

4.1. Статистическая модель. Сущность статистического моделирования

4.1.1. Статистическая модель. При статистическом (стохастическом) моделировании основными объектами моделирования являются случайные события, случайные величины и случайные функции.

При проведении экспериментов исследователь фиксирует появление или не появления интересующих событий, а также осуществляет измерения значений параметров, которые носят случайный характер и по своей сути являются значениями реализации некоторой случайной величины.

Статистическое моделирование дает возможность не проводя реальных экспериментов над исследуемым объектом (что в большинстве случаев требует больших материальных и финансовых затрат) получать соответствующую информацию о появлении или не появлении тех или иных событий происходящих в реальном объекте. о выборочных значениях случайных величин на основе имеющихся вероятностных характеристик моделируемых событий и случайных величин. Данный вид моделирования предполагает проведение предварительного сбора информации о моделируемых показателях и дальнейшей статистической обработки полученных результатов с целью получения обоснованных статистических оценок, требуемых для моделирования вероятностных характеристик.

Стохастические модели применяются в основном в двух случаях:

1) объект моделирования плохо изучен – не имеется достаточно хорошо разработанных количественных закономерностей, описывающих рассматриваемые процессы и явления, а так же нет возможности найти приемлемое аналитическое решение данной проблемы;

2) моделируемый объект изучен достаточно хорошо в детерминированном плане, но без учета случайных факторов, оказывающих влияние на изучаемые процессы и явления.

В первом случае на основе словесного описания исследуемого объекта производится выбор количественных показателей с расчетом их физической размерности состоящих из двух групп. Одна из групп рассматривается в качестве входных величин модели, а другая – выходных величин. Далее, применяя научные теоретические результаты полученные другими исследователями в данной области и возможно применяя ряд необходимых допущений, а так же возможно уже имеемые экспериментальные данные о входных и выходных величинах (например, об их законах распределения) устанавливают детерминированные или стохастические зависимости между входными выходными величинами модели. Совокупность полученных соотношений между входными и выходными величинами (обычно записываются в виде уравнений) называют статистической моделью.

В ходе реализации статистической модели на основе выбранных законов распределения случайных величин и выбранными вероятностями моделируемых событий методами математической статистики определяются выборочные до экспериментальные значения случайных величин и квазиэмпирические последовательности появления или не появления моделируемых событий. Далее, по уравнениям модели определяют соответствующие выборочные значения ее выходных величин. А многократная реализация построенной модели позволяет исследователю построить модельную выборку ее выходных величин, которая вновь подвергается статистическому анализу (корреляционному, регрессивному, дисперсионному, спектральному) с целью получения оценок характеристик выходных параметров модели или проверки выдвигаемых гипотез. На основе полученных результатов делаются заключения по объекту исследования, а также обоснования по практическому применению построенной модели.

Методы статистического моделирования широко применяются при решении задач массового обслуживания, теории оптимизации, теории управления, теоретической физике и т.д.

Теоретической основой метода статистического моделирования [1,9,18, 19, 20] на компьютере являются предельные теоремы теории вероятностей.

4.1.2. Неравенство Чебышева. Для неотрицательной функции случайной величины и выполняется неравенство

.

4.1.3. Теорема Бернулли. Если проводятся независимых испытаний, в каждом из которых некоторое событие осуществляется с вероятностью , то относительная чистота появления события ( число благоприятных исходов испытания) при сходится по вероятности к , т.е. при

4.1.4. Теорема Пуассона. Если проводятся независимых испытаний и вероятность осуществления события в том испытании равна , то относительная чистота появления события ( число благоприятных исходов испытания) при сходится по вероятности к среднему из вероятностей , т.е. при

4.1.5. Теорема Чебышева. Если в независимых испытаниях наблюдаются значения случайной величины , то при среднее арифметическое значений случайной величины сходится по вероятности к ее математическому ожиданию , т.е. при

4.1.6. Обобщенная теорема Чебышева. Если независимые случайные величины с математическими ожиданиями и дисперсиями ограниченными сверху одним и тем же числом, то при среднее арифметическое значений случайной величины сходится по вероятности к среднему арифметическому их математических ожиданий

4.1.7. Теорема Маркова.. Теорема Чебышева будет справедлива и для зависимых случайных величин , если

4.1.8. Центральная предельная теорема. Если независимые одинаково распределенные случайные величины с математическое ожидание и дисперсию , то при закон распределения суммы неограниченно приближается к нормальному закону распределения

где функция Лапласа [18,19,20]

4.1.9. Теорема Лапласа. Если в каждом из независимых испытаний событие появляется с вероятностью , то

где число появления события в испытаниях.

Приведем пример задачи, для решения которой применим метод статистического моделирования.

Задача. Проводится 10 независимых выстрелов по мишени. Вероятность попадания при одном выстреле равна . Требуется оценить вероятность, того, что число попаданий в мишень будет четной..

Решение. Данная задача является вероятностной, причем существует и аналитическое решение

.

Каждый выстрел есть не, что иное, как результат значения случайной величины равномерно распределенной на интервале (0;1), причем, если это значение не превосходит , то произошло попадание в мишень, а в противном случае сделан промах. Таким образом, для построения моделирующего алгоритма необходим генератор значений случайной величины равномерно распределенной на интервале (0;1), который выдает нам при каждом испытании серию из десяти чисел (имитирует 10 выстрелов) . Подсчитываем количество попаданий где номер испытания, а если и четное, то , а в противном случае . Проведя испытаний, получаем оценку искомой вероятности

.