RASSAL SAYI ve RASSAL DEĞİŞ ĞİŞKEN. dd Her Ui nin beklenen değeri; Benzetimde rassallık k varsa, bir veya birden fazla dağı

Transkript

1 RASSAL SAYI ve RASSAL DEĞİŞ ĞİŞKEN ÜRETİMİ Benzetimde rassallık k varsa, bir veya birden fazla ğılımdan rassal değişken üretimi yapılacakt lacaktır. Bu ğılımlar, gözlemden g elde edilen veriye giydirilmiş ğılımlardır. r. Yani veriye uygun ğılımlardır. r. Bu bu ğılımlardan rassal değişken ken nasıl üretilir? Örneğin; kuyruk modeli benzetiminde varış ışlar arası zaman aralıklar klarının servis sürelerinin s üretilmesi gerekmektedir. Herhangi bir ğılımdan rassal değişken üretmek veya bir rassal süres reç için in U(0,) rassal değişkenleri gereklidir. Rassal sayılar, birbirinden bağı ğımsız z ve görülme g olasılıklar kları eşit olan sayılar ların n oluşturdu turduğu u dizilerdir. Bu sayı dizileri eşit e olasılık k gereği, tek biçimli imli (uniform) bir olasılık k ğılımı gösterir. RASSAL SAYILARIN ÖZELLİKLERİ U, U2,.. rassal sayılar dizisi; düzgd zgün n dağlımdan gelme ve bağı ğımsızlık k olmak üzere iki istatistiksel özelliğe e sahip olmalıdır. Her rassal sayı Ui, 0 ve aralığı ığındaki sürekli s düzgd zgün n ğılımdan alınan nan bir bağı ğımsız örnektir. Düzgün n ğılımın n OYF; 0 x f ( x ) = 0 dd Her Ui nin beklenen değeri; eri; 2 x E(U)= xdx = = Varyansı; x V(U)= x dx [ E( R )] = = = RASSAL SAYI ÜRETİMİ ) Şans oyunlarında nda olduğu u gibi zar atmak, kart çekmek, rulet çevirme vb. el işlemleriyle i rassal sayı üretmek. Gerçek ek anlamda rassal sayı üretir ancak yavaşlığı nedeniyle benzetim modellerinde kullanımı pratik değildir. 2) Çeşitli yöntemlerle y önceden hazırlanm rlanmış olan rassal sayı tablolarını kullanmak. Bu amaçla hazırlanm rlanmış tablolar literatürde rde vardır. r. ) Kendi kendini yineleyen bir eşitlikten, e aritmetik işlemlerle i rassal sayı dizileri üretmek. Bu işlemler, i bilgisayar aracılığı ığı ile yapılabilece labileceğinden inden son derece hızlh zlı ve verimlidir. Bu yöntemle y belirli bir sayı,, aritmetik işleme i başlang langıç değeri eri (seed) olarak verilir ve buna bağlı olarak bir sayı hesaplanır. Hesaplanan sayı bu kez başlang langıç değeri eri olarak alınıp p yeni bir sayı üretilir. Böylece, B her üretilen bir sayıdan yeni bir sayı üretilerek bir sayı dizisi elde edilir. Düzgünlük k ve bağı ğımsızlık özelliğinin inin iki sonucu; ) (0,) aralığı ığı,, eşit e uzunlukta n sınıfa s bölünürse; b N; gözlemlerin g toplam sayısı olmak üzere, her aralıktaki gözlemlerin beklenen değeri= eri= N n 2) Bir aralıkta bir değerin erin gözlemlenme g olasılığı ığı,, elde edilen bir önceki değerden erden bağı ğımsızdır.

2 RASSAL SAYI ÜRETEÇLERİNDEN İSTENİLEN ÖZELLİKLER.Rassall Rassallık: Üretilen pseudo-random (sahte rassal) sayılar, gerçek ek sayılar ile aynı özellikleri taşı şımalıdır. Rassal tavır, çeşitli istatistiksel testler ile belirlenir. 2.Büyük k Periyod: Tüm m pseudo-random sayı üreteçleri, deterministik formulasyonların n kullanıld ldığından dolayı,, her rassal sayı dizisi, kendi kendini tekrar etmeye başlayacakt layacaktır. Bir dizinin uzunluğu u (kendi kendini tekrarlamayan) periyod olarak adlandırılır. r. Bu periyodun mümkün n olduğu u kadar uzun olması istenir. Pratikte, bir simülasyon çalışmasında rassal sayılar ların n kendini tekrar etmeyecek kadar periyod uzunluğuna una sahip olması istenir. RASSAL SAYI ÜRETİM M TEKNİKLER KLERİ ) ORTA KARE YÖNTEMY NTEMİ Bilgisayarda aritmetik işlemlerle i rassal sayı üretiminde kullanılan lan ilk yöntem 946 da Von Neumann ve Metropolis tarafından önerilen ORTA KARE yöntemidir. Bu yöntemde, y (m) basamaklı ve genellikle tek olan bir sayı başlang langıç değeri eri olarak alınır. İkinci aşamada, a amada, bu sayının n karesi alınarak narak bulunan sayının n ortasındaki m kadar basamaklı sayı alınır. Bu bir rassal sayı olarak kaydedilir. Tekrar bu rassal sayının n karesi alınır r ve yine ortadaki m basamaklı sayı bir rassal sayı olarak kaydedilir. Bu işlem, i istenilen sayıda rassal sayı elde edilinceye kadar devam eder..yeniden Üretilebilirlik(Reproducibility) retilebilirlik(reproducibility): : Bir simülasyon programının adım m adım çalıştırılmasında (debugging) ya da bir parametrik çalışmayı (girdi verilerini değiştirmek) gerçekle ekleştirmek için, i in, her simülasyon çalışmasında rassal sayılar ların n aynı sırasının üretilmesi istenebilir. Diğer durumlarda, rassal sayılar ların n farklı dizilerinin üretilmesi istenir. Bu nedenle bir rassal sayı üreteci, analizcinin isteğine ine bağlı olarak tekrarlayan ve farklı rassal sayı dizilerini elde etme özelliğine ine sahip olmalıdır. 4.Hesaplama Etkinliği: : Bir simülasyon çalışmasında, büyük b k sayılarda rassal sayının üretilmesine ihtiyaç olacağı ğından dolayı, üreteç bu sayılar ları mümkün n olduğu u kadar kısa k zamanda üretmeli ve bilgisayar hafızas zasında çok yer kaplamamalıdır.

3 dezavantajları; ) İlk sayı ve dizinin tekrar uzunluğu u arasındaki ilişkiyi (periyod) önceden bilmek mümkm mkün n değildir. Çoğu u kez tekrar uzunluğu u kısadk sadır. 2) Elde edilen sayılar rassal olmayabilir. Yani; dizide dejenerasyon söz z konusu olabilir. Bu metodun dezavantajlarını ortadan kaldırmak için i in çeşitli metotlar geliştirilmi tirilmiştir. tir. Bunlar; - Orta çarpım m (midproduct) metodu, - Sabit çarpım m (constant multiplier) metodu, - Doğrusal eşlik e (congruential) metodu 2) DOĞRUSAL EŞLİK E K YÖNTEMY NTEMİ Bu metot, 95 yılında y Lehmer tarafından önerilmiştir. Doğrusal eşlik metodu, 0 ve m- m arasında X, X2,.. tamsayılar larının n bir dizisini üretir. Bu diziyi üretirken aşağıa ğıdaki yineleyen ilişkiyi kullanır. X i + = ( ax i + c) mod( m) () X : Başlang langıç değeri eri (initial seed) a : Sabit çarpan c : artış m : modulus a, c, m ve Xa nın n seçimi, istatistiksel özelliklerde ve çevrim uzunluğunda unda (periyod) büyük b k etkiye sahiptir. () eşitlie itliğin in çeşitli varyasyonları,, bilgisayar ortamında rassal sayılar ların üretimi için i in en çok kullanılan lan metotlardır. r. Herhangi bir Xi değeri eri için i in rassal sayı X U i i = m

4 RASSAL DEĞİŞ ĞİŞKEN ÜRETİMİ Gerçek ek sistemlerin tamamının n stokastik davranışı her zaman düzgd zgün (uniform) ğılımla açıklanamaz. a Bir sistem içinde i inde uniform ğılımdan daha çok diğer teorik (üstel,( normal, gamma v.b.) ğılımlarla karşı şılaşılmaktadır. r. Bir aktiviteye (örne( rneğin; M/M/ kuyruk sisteminde varış ışlar arası zaman aralığı ve servis zamanı gibi) uygun teorik ğılım m bulunamıyorsa, ampirik ğılım m kullanılabilir. labilir. Sistemin stokastik özelliğinden inden dolayı uniform ğılımdan (0, aralığı ığında) elde edilen rassal sayılar ların n teorik veya ampirik ğılımlara dönüştürülmesi d gerekir. Bunun için, i in, bir DÖNÜŞÜM D yöntemi kullanılarak larak istenilen ğılıma ma geçilir. DÖNÜŞÜM, istatistiki anlamda herhangi bir olasılık k ğılımından örnek almak demektir. Bunun için i in olasılık k ğılımın n parametrelerinin bilinmesi veya verilmesi gerekir.. TERS DÖNÜŞÜM D (Inverse Transformation) YÖNTEMİ Bir f(x) OYF verilsin. Amaç; ; f(x) den bir rassal değişken üretmek. x F( x ) = f ( x ) dx 0 F( x )

5 F ¹(u)=x ifadesi; verilen u değerine erine karşı şılık k gelen x değerinin erinin belirlenmesine yardımc mcı olur. 0<F(x)< dir ve F(x) artan fonksiyondur. ALGORİTMA. U ~U(0,) 2. X= F ¹(U) F. RETURN

6

7

8 KESİKL KLİ DAĞILIM Ters dönüşüm d m yöntemi, y kesikli rassal değişken üretiminde aşağıa ğıdaki şekilde kullanılır. X<X2<X.. olduğunu unu varsayalım. F(x)=P(x X)= p ( xi ) x X U ~U(0,) üretilir. i ALGORİTMA:. U ~U(0,) üret 2. X I : k p( x ) < u U ~U(0,) üretilir. Hangi aralığ ığa a düştüğüd aranır. r. Bu işlem i program yazımında arama (search) işlemi i gerektirir. Pahalı bir yöntem y olabilir. N çıktı olduğunu unu varsayalım. P=0 DO I=,N P=P+P(I) IF(U.LE.P) GO TO 2 i i= i= k p( x ) i CONTINUE 2 X=X(I) 0 P( x ) P( x ) + P( x2 ) F( x ) = P( xi ) i= M x < X 2 X x < X x > X X x < X X x < X ÖRNEK: Talep miktarını gösteren rassal değişken X, kesikli ve P(X=)=, P(X=2)=, P(X=)= ve P(X=4)= olasılık 6 6 değerlerini erlerini alıyor. Dağı ğılım m fonksiyonu grafiğini ini çizerek, X r.d. üretimini sağlayan algoritmayı düzenleyiniz.

9 0 / 6 F( x ) = / 6 5 / 6 x < x < 2 2 x < x < 4 x 4 2. REDDETME ( Acceptance-Rejection) YÖNTEMY NTEMİ Reddetme yöntemi, y olasılık k fonksiyonu f(x) sürekli s ve sınırls rlı olan herhangi bir ğılımdan rassal değişken üretmek için i in kullanılan lan genel bir metotdur. Sürekli bir X rassal değişkeni için; i in; 0 f(x) fmax a x b Reddetme yöntemi y direkt yöntemler y başar arısız z veya etkin olmadığı ığında kullanılır. Bu yöntemde y öncelikle bir t fonksiyonunun tanımlanmas mlanması gereklidir. t fonksiyonu; t(x) f(x) xi şartını sağlamal lamalıdır. c = t( x ) dx f ( x ) dx = t(x) fonksiyonu bir olasılık k yoğunluk fonksiyonu değildir. Çünk nkü c> ALGORİTMA:. U ~U(0,) üret 2. if if if if 0 < U 6 x = < U 6 6 x = 2 5 < U 6 6 x = 5 < U 6 x = 4. RETURN Ancak r(x) fonksiyonu; t( x ) r( x ) = c bir olasılık k yoğunluk fonksiyonudur. Çünk nkü; t( x ) dx r( x ) = = t( x ) dx = c = c c c R(x) olasılık k yoğunluk fonksiyonundan y rassal değişkeni aşağıa ğıdaki algoritma ile üretilebilir.

10 ALGORİTMA: ) r(x) yoğunluk fonksiyonundan Y rassal değişkeni üret. U ~U(0,); Y=X 2) U2 ~U(0,) üret (Y den bağı ğımsız) ) U2 f(y)/t(y) ise, X=Y ve RETURN GO TO (yeniden dene) Algoritma ve arasında dönerek d uygulanır. U2 f(y)/t(y) şartı sağland landığında X için i in Y değeri eri rassal değişken olarak kabul edilir. ÖRNEK:

11 ÖRNEK 2: Beta(4,) ğılımından rassal değişken üreten algoritmayı Reddetme yöntemine göre g düzenleyiniz. d Aşağıdaki U ve U2 değerleri erleri için i in algoritmayı kullanırsak; ALGORİTMA: ) U ~U(0,) üret. Y=X=U 2) U2 ~U(0,) üret. 2 ) U2 60Y ( Y ) / ise X=Y RETURN Değilse GO TO.

12