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方法Method

随机化拟 Monte Carlo

Randomized quasi-Monte Carlo · RQMC · 随机化准蒙特卡罗 · 跨随机化误差估计

随机化整套低差异点,保留均匀边缘并用独立整网重复估计方差;通过平移混叠与一维scramble计算说明收益的条件。

形式陈述 ​

设 f:[0,1)d→R 可积,目标为 I=∫f(u)du。先选一套确定性、覆盖良好的 n 点设计 a1,…,an,再用一次随机对象 ω 同时变换整套点,得到 Ui(ω)。要求每个 Ui 的边缘均为立方上的均匀分布;整网还应保留所需的低差异或分层结构。单纯把任意点集加噪声并不能自动获得这种结构。

定义一轮估计 Qn(ω)=n−1∑if(Ui(ω))。边缘均匀性立即给出 EQn=I,不需要网内独立。若 f∈L2,记 vn=Var(Qn)<∞。使用 R≥2 个独立且同分布的整网随机化 ω1,…,ωR,则

I^R,n=1R∑r=1RQn,r,Var(I^R,n)=vnR,V^=1R(R−1)∑r=1R(Qn,r−I^R,n)2.

V^ 无偏估计最终均值的方差;V^ 本身一般不无偏。独立重复单位是整网,不是打印出来的 Rn 行;普通MC均值与样本方差此时作用于 Qn,1,…,Qn,R。把每一网内的样本方差除以 n 会漏掉网内协方差,方向可大可小。具体地,协方差展开给 vn=n−2∑i,jCov(f(Ui),f(Uj)),不能只保留对角项。

两种随机化,保留的结构不同 ​

Cranley–Patterson 随机平移取 Δ∼U[0,1)d,令 Ui=(ai+Δ)mod1,逐坐标取小数部分。平移保均匀测度,故每点边缘正确;同一个 Δ 必须作用于同一网的全部点。逐点使用独立平移虽也无偏,却把设计变成IID均匀点。整体平移保留点的相对位置,但通常不保留数字网的全部进制盒计数。

数字网可用 nested uniform scrambling:以 b 进制写每一坐标,对每个坐标、每个有限原始数字前缀,分别抽一个独立均匀数字置换。一个点的第 k 位用其前 k−1 个原始数字决定的置换映射;共享前缀的点必须共享该置换。对固定点,沿其路径的置换相互独立,每个输出数字均匀,所以无限位输出边缘均匀。另一方面,任意固定长度前缀被双射送到同长度前缀,因此规定进制盒的点数不变。

这里采用半开区间、终止展开补零的约定,排除进制展开的二义性。实际只生成有限位时,采样分布是有限网格;若采样变换在端点奇异,截断位数与零点处理需单独说明,不能把理想连续均匀定理当成浮点误差证明。上述协议也不是所有软件中名为“scramble”的选项的完整定义。

直觉

确定性低差异点负责覆盖,整网随机化负责使期望中心正确并产生可重复实验。两者解决不同问题。每一轮先形成一个积分结果,跨轮波动才回答“换一套合法随机化,我的最终答案会动多少”。

误差条来自整网重复

低差异不会使所有函数的方差自动降低。若函数振荡与网格同频,整网会一起看到同一个相位,网内平均可能完全没有抵消。必须分析函数与设计的相互作用,而不能只比较点图是否均匀。

例子与边界

线性积分:同样32次求值,精确改善8倍 ​

取一维点 ai=i/n,i=0,…,n−1,f(u)=u。令 T=Δmod(1/n),则 T∼U[0,1/n),排序后的平移点为 T+i/n,所以

Qn=n−12n+T,EQn=12,vn=112n2.

取 n=8,R=4,总求值32次,方差为 1/3072;32次IID的方差为 1/384,相差8倍。若四次平移实现值为 (1,11,21,31)/64,对应的 Q 是 (29,31,33,35)/64,平均正好为 1/2。四个 Q 的样本方差为 5/3072,最终方差估计为 5/12288,并不等于真实方差 1/3072。点估计碰巧准确与误差条精确是两回事。

光滑的反例:平移无法消除与网格同频的振荡 ​

仍用 n 个等距点,改成 f(u)=sin⁡(2πnu),目标为零。每个点都给出同一个 sin⁡(2πnΔ),故 vn=1/2。R 次整网的方差为 1/(2R),而 Rn 次IID的方差为 1/(2Rn);平移方法反而坏 n 倍。这个反例为每个给定 n 指定一个函数,不是在断言同一个固定光滑函数随 n→∞ 永远不收敛。

机制可精确写出来。对有限三角多项式 f(u)=∑kcke2πiku,几何级数给

1n∑i=0n−1e2πiki/n=1{n∣k}.

因此 Qn−I=∑k≠0:n∣kcke2πikΔ。不同频率在均匀平移下正交,得到

vn=∑k≠0:n∣k|ck|2.

这是一条具体的混叠证明:网格筛掉非整倍频,却保留整倍频。即使函数无限光滑,也不能省略与所选 n、频谱及误差常数的关系。

一维scramble与共享平移并不等价 ​

对一维 (0,m,1) 网、n=bm,nested uniform scramble使每个长度 1/n 的区间恰有一点;在这些区间内部,尾部随机数字来自不同前缀的独立置换。因此在忽略点标签后,可以等价地看成每区间一个独立均匀抖动点。

对 f(u)=u,每层输出方差为 1/(12n2),各层权重 1/n,按分层Monte Carlo的独立层方差公式,故一整网的方差为 1/(12n3)。它比共享平移的 1/(12n2) 还小 n 倍,因为共享平移让所有区间中的相对位置一起偏左或偏右;独立尾部不会这样同步。

若一维 f 为 K-Lipschitz,同层两个独立副本 U,U′ 满足

Var(f(U))=12E(f(U)−f(U′))2≤K22E(U−U′)2=K212n2.

再按独立层求和,得到 vn≤K2/(12n3)。这里完整证明的是一维分层情形。多维scrambled-net的更快方差率需要固定网参数与混合光滑性等附加条件;不能把本证明直接换成维数 d 就沿用。一般高维数值积分还受有效维数、坐标排序和采样变换的奇异性影响。

推论与应用

执行与报告 ​

先冻结被积函数、采样变换、每网点数 n 和重复数 R。采用数字网时应遵守其完整网规模,例如 n=bm;随意删掉起点、跳过某些点或切成若干相邻块,未必保留原保证。每轮用新的独立随机化状态生成整网,保存一个 Qn,r;估计值和MCSE只在这些 Q 上计算。总目标调用 Rn 次;点生成、维数与scramble存储另计。

固定 n,若 0<vn<∞,R→∞ 时可对独立 Q 使用CLT。有限 R 的 tR−1 区间只有在 Q 正态时精确;一般只是近似,小 R 时不能凭每网有很多点就保证覆盖。一个网只提供一个 Q,没有跨随机化方差估计。把同一scramble分成若干批,也没有创造独立scramble。

固定总调用 T=Rn 时,若在所研究范围确已证明 vn≤cn−p、p>1,则方差界为 cRp−1/Tp。较大 n 有利于这个界,较大 R 有利于误差条的稳定估计,二者存在取舍;没有无条件通用的最优 R。先用独立试验考察函数与方法,再冻结正式预算,不能挑一次最漂亮的scramble作为最终结果。

自测与迁移 ​

若16个独立scramble的积分结果样本标准差为0.004,则MCSE为0.001,不论每网含多少点。若每网点数翻倍,只凭旧的0.004不能保证标准误再减半,必须有对应方差率或新重复实验。若高频反例换成 cos⁡(2π(n+1)u),n>1 时频率不被 n 整除,整网平均恰为零;改变一个频率便改变了结果,这正是需要报告设计的理由。

参考资料
  • Art B. Owen,Monte Carlo Book: the Quasi-Monte Carlo parts,所阅在线稿页脚2019,Chapter 17,§17.1整网重复、§17.3随机平移、§17.5 nested uniform scrambling。本文的一维方差、32次预算及有限傅里叶混叠均在上文直接推导。
  • R. Cranley and T. N. L. Patterson,Randomization of Number Theoretic Methods for Multiple Integration,SIAM Journal on Numerical Analysis 13(6),1976,904–914,随机平移的原始出处;本页未据其全文声称额外结论。
  • 一维独立区间计算复用分层Monte Carlo的方差接口,确定性覆盖及HK变差边界保留在星差异旧页。
关系图谱20 个相邻概念 · 2 类关系

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