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计算物理期末试卷
中 国 科 学 技 术 大 学
2007--2008学年第 2学期考试试卷(参考答案)
考试科目: 计算物理(B)
一.回答下列各问题:
1. 简要描述什么是蒙特卡罗方法。
Monte Carlo方法是一种借助概率模型来解决不直接具有随机性的确定性问题的一种方法,该方法的理论基础是大数法则和中心极限定理。
2. 蒙特卡罗方法的理论基础是大数大数法则与中心极限定理,试对其做简要阐述。
(1)大数法则可以简单地表述为下述的公式形式:
(2)中心极限定理则告诉我们:当抽样数目足够大但又有限时,Monte Carlo估计值近似满足高斯分布。
3. 蒙特卡罗计算中,减小方差的方法有哪两种?简要阐述这两种方法的特点。
方法一:
增加抽样数目(即投点数目)。该方法在投点数目较低时可以被采用,但随着投点数目增加,方差减小的速度将越来越慢。用公式阐述,即为:
方法二:
重要抽样法。选取合适的偏倚分布密度函数,使得被积函数尽可能的平缓,从而减小方差。该方法对于原始被积函数在积分区间内有明显峰值时显得尤为有效。
4. 列举出常用的基本的一维随机变量的抽样方法有哪些。
(1)直接抽样法:
(为区间上均匀分布的随即变量;为分布函数)
(2)变换法:借助下面的公式
或:
将不独立的两个随即变量,的分布密度函数联系起来。通过对随即变量的抽样,间接实现对随机变量的抽样。
(3)舍选法:(以第二类舍选法为例)该方法用到的公式为:
,(和为分布密度函数,为上的判选函数)
首先,按照区间上的均匀分布及分布密度函数分别进行抽样,得到及,然后由判选条件:,来决定的取舍,最终得到的序列满足分布密度函数。
(4)复合抽样法:利用叠加原理及前述的各种抽样方法,实现对加、减、乘加、乘减等分布的抽样。
5. 解释什么是分层抽样法和重要抽样法。
(1)分层抽样法:利用黎曼积分的可加性:
将一个黎曼积分的Monte Carlo估计等价为多个黎曼积分的Monte Carlo估计之和的方法。
(2)重要抽样法:将黎曼积分表达为:
,(为偏倚分布密度函数)
通过选取合适的偏倚分布密度函数,使得被积函数的方差尽可能比较小。
两种方法均可减小Monte Carlo估计值的方差。
6. 简述求解偏微分方程的有限差分法及有限元素法,并比较两种方法的各自特点。
(1)有限差分法:
从具体的物理模型出发,列出相应的偏微分方程及边界条件,通过网格划分将偏微分方程的求解问题转化为对差分离散化后的代数线性方程组的求解问题。
(2)有限元素法:
基于数学上的变分原理,将所求解的物理问题表达为求作用量泛函的极值问题。通过离散化方法,将泛函极值问题转化为二次函数的极值问题,最终对应于代数线性方程组的求解。
两者比较:
(a) 物理出发点不同;(b) 区域的离散化方法不同;(c) 普适性不同;(d)内存需求不同。
二.什么是Metropolis方法?给出Metropolis方法抽样的步骤,画出流程框图。
Metropolis方法:通过随机游走,实现满足一定分布密度函数的随机变量(特别是分布密度函数不易归一化的情形)的抽样。
步骤:
(1)选取一个试探点:
,(为区间内均匀分布的随机数);
(2)计算r值:
;
(3)判断:
当时,取;当,按概率取;
(4)返回(1),继续。
三.(1)定义于上满足分布密度函数的随机变量的随机数序列,可以由直接抽样法简单产生。试给出抽样流程框图;
直接抽样:
(2)利用分布密度函数的抽样,采用第二类舍选法,给出满足分布密度函数为的上的随机变量的抽样流程框图。
按题一.4.(3)中第二类舍选法步骤进行抽样,相应的判选函数为:
四.对于一维定积分的计算,常用的两种方法为平均值法和掷点法。试定性或定量解释掷点法的方差比平均值法大。
一维定积分的平均值法给出的是此一维定积分的Monte Carlo估计;掷点法给出的是与此一维定积分等价的二维定积分的Monte Carlo估计。依据定积分数值计算的普遍原则,为减小方差,能做解析计算的尽可能做解析计算。因此,平均值法比掷点法的方差要小。
定量地,我们可以解析地计算此一维、二维定积分对应的一维、二维随机变量的方差,可以发现,前者比后者要小。
五.给出采用Verlet速度算法求解二维分子运动方程的程序流程图。
程序流程图的步骤表达为:
(1) 给定初始运动参量值:
坐标:;速度:;
(2) 计算第(n+1)步时的运动参量值:
;
; (的公式类似。)
(3) 返回(2),进行第(n+2)步的模拟。
六.用Mathematica语言编写一个产生任意阶的埃米尔特多项式的Mathematica程序包。并绘出程序流程图。埃米尔特多项式的递推公式为:
, ,
程序流程图的步骤表达为:
(1) 给定初始埃
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