Python编程产生非均匀随机数的几种方法代码分享

yipeiwu_com5年前Python基础

1.反变换法

设需产生分布函数为F(x)的连续随机数X。若已有[0,1]区间均匀分布随机数R,则产生X的反变换公式为:

F(x)=r, 即x=F-1(r)

反函数存在条件:如果函数y=f(x)是定义域D上的单调函数,那么f(x)一定有反函数存在,且反函数一定是单调的。分布函数F(x)为是一个单调递增函数,所以其反函数存在。从直观意义上理解,因为r一一对应着x,而在[0,1]均匀分布随机数R≤r的概率P(R≤r)=r。 因此,连续随机数X≤x的概率P(X≤x)=P(R≤r)=r=F(x)

即X的分布函数为F(x)。

例子:下面的代码使用反变换法在区间[0, 6]上生成随机数,其概率密度近似为P(x)=e-x

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
# probability distribution we're trying to calculate
p = lambda x: np.exp(-x)
# CDF of p
CDF = lambda x: 1-np.exp(-x)
# invert the CDF
invCDF = lambda x: -np.log(1-x)
# domain limits
xmin = 0 # the lower limit of our domain
xmax = 6 # the upper limit of our domain
# range limits
rmin = CDF(xmin)
rmax = CDF(xmax)
N = 10000 # the total of samples we wish to generate
# generate uniform samples in our range then invert the CDF
# to get samples of our target distribution
R = np.random.uniform(rmin, rmax, N)
X = invCDF(R)
# get the histogram info
hinfo = np.histogram(X,100)
# plot the histogram
plt.hist(X,bins=100, label=u'Samples');
# plot our (normalized) function
xvals=np.linspace(xmin, xmax, 1000)
plt.plot(xvals, hinfo[0][0]*p(xvals), 'r', label=u'p(x)')
# turn on the legend
plt.legend()
plt.show()

一般来说,直方图的外廓曲线接近于总体X的概率密度曲线。

2.舍选抽样法(Rejection Methold)

用反变换法生成随机数时,如果求不出F-1(x)的解析形式或者F(x)就没有解析形式,则可以用F-1(x)的近似公式代替。但是由于反函数计算量较大,有时也是很不适宜的。另一种方法是由Von Neumann提出的舍选抽样法。下图中曲线w(x)为概率密度函数,按该密度函数产生随机数的方法如下:

基本的rejection methold步骤如下:

1. Draw x uniformly from [xmin xmax]

2. Draw x uniformly from [0, ymax]

3. if y < w(x),accept the sample, otherwise reject it

4. repeat

即落在曲线w(x)和X轴所围成区域内的点接受,落在该区域外的点舍弃。

例子:下面的代码使用basic rejection sampling methold在区间[0, 10]上生成随机数,其概率密度近似为P(x)=e-x

# -*- coding: utf-8 -*-
'''
The following code produces samples that follow the distribution P(x)=e^−x 
for x=[0, 10] and generates a histogram of the sampled distribution.
'''
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
P = lambda x: np.exp(-x)
# domain limits
xmin = 0 # the lower limit of our domain
xmax = 10 # the upper limit of our domain
# range limit (supremum) for y
ymax = 1
N = 10000  # the total of samples we wish to generate
accepted = 0 # the number of accepted samples
samples = np.zeros(N)
count = 0  # the total count of proposals
# generation loop
while (accepted < N):
    # pick a uniform number on [xmin, xmax) (e.g. 0...10)
  x = np.random.uniform(xmin, xmax)
    # pick a uniform number on [0, ymax)
  y = np.random.uniform(0,ymax)
    # Do the accept/reject comparison
  if y < P(x):
    samples[accepted] = x
    accepted += 1
    count +=1
  print count, accepted
# get the histogram info
# If bins is an int, it defines the number of equal-width bins in the given range 
(n, bins)= np.histogram(samples, bins=30) # Returns: n-The values of the histogram,n是直方图中柱子的高度
# plot the histogram
plt.hist(samples,bins=30,label=u'Samples')  # bins=30即直方图中有30根柱子
# plot our (normalized) function
xvals=np.linspace(xmin, xmax, 1000)
plt.plot(xvals, n[0]*P(xvals), 'r', label=u'P(x)')
# turn on the legend
plt.legend()
plt.show()

>>>

99552 10000

3.推广的舍取抽样法

从上图中可以看出,基本的rejection methold法抽样效率很低,因为随机数x和y是在区间[xmin xmax]和区间[0 ymax]上均匀分布的,产生的大部分点不会落在w(x)曲线之下(曲线e-x的形状一边高一边低,其曲线下的面积占矩形面积的比例很小,则舍选抽样效率很低)。为了改进简单舍选抽样法的效率,可以构造一个新的密度函数q(x)(called a proposal distribution from which we can readily draw samples),使它的形状接近p(x),并选择一个常数k使得kq(x)≥w(x)对于x定义域内的值都成立。对应下图,首先从分布q(z)中生成随机数z0,然后按均匀分布从区间[0 kq(z0)]生成一个随机数u0。 if u0 > p(z0) then the sample is rejected,otherwise u0 is retained. 即下图中灰色区域内的点都要舍弃。可见,由于随机点u0只出现在曲线kq(x)之下,且在q(x)较大处出现次数较多,从而大大提高了采样效率。显然q(x)形状越接近p(x),则采样效率越高。

根据上述思想,也可以表达采样规则如下:

1. Draw x from your proposal distribution q(x)

2. Draw y uniformly from [0 1]

3. if y < p(x)/kq(x) , accept the sample, otherwise reject it

4. repeat

下面例子中选择函数p(x)=1/(x+1)作为proposal distribution,k=1。曲线1/(x+1)的形状与e-x相近。

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
p = lambda x: np.exp(-x)     # our distribution
g = lambda x: 1/(x+1)      # our proposal pdf (we're choosing k to be 1)
CDFg = lambda x: np.log(x +1)  # generates our proposal using inverse sampling
# domain limits
xmin = 0 # the lower limit of our domain
xmax = 10 # the upper limit of our domain
# range limits for inverse sampling
umin = CDFg(xmin)
umax = CDFg(xmax)
N = 10000 # the total of samples we wish to generate
accepted = 0 # the number of accepted samples
samples = np.zeros(N)
count = 0 # the total count of proposals
# generation loop
while (accepted < N):
    # Sample from g using inverse sampling
  u = np.random.uniform(umin, umax)
  xproposal = np.exp(u) - 1
  # pick a uniform number on [0, 1)
  y = np.random.uniform(0, 1)
  # Do the accept/reject comparison
  if y < p(xproposal)/g(xproposal):
    samples[accepted] = xproposal
    accepted += 1
    count +=1
  print count, accepted
# get the histogram info
hinfo = np.histogram(samples,50)
# plot the histogram
plt.hist(samples,bins=50, label=u'Samples');
# plot our (normalized) function
xvals=np.linspace(xmin, xmax, 1000)
plt.plot(xvals, hinfo[0][0]*p(xvals), 'r', label=u'p(x)')
# turn on the legend
plt.legend()
plt.show()

 >>>

24051 10000

可以对比基本的舍取法和改进的舍取法的结果,前者产生符合要求分布的10000个随机数运算了99552步,后者运算了24051步,可以看到效率明显提高。

总结

以上就是本文关于Python编程产生非均匀随机数的几种方法代码分享的全部内容,希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站:

Python数据可视化编程通过Matplotlib创建散点图代码示例

Python编程实现使用线性回归预测数据

Python数据可视化正态分布简单分析及实现代码

如有不足之处,欢迎留言指出。感谢朋友们对本站的支持!

相关文章

让代码变得更易维护的7个Python库

随着软件项目进入“维护模式”,对可读性和编码标准的要求很容易落空(甚至从一开始就没有建立过那些标准)。然而,在代码库中保持一致的代码风格和测试标准能够显著减轻维护的压力,也能确保新的开发...

python密码错误三次锁定(实例讲解)

python密码错误三次锁定(实例讲解)

程序需求: 输入用户名,密码 认证成功显示欢迎信息 输入错误三次后锁定用户 流程图: 好像画的不咋地 查看代码: #!/usr/bin/env python # _*_ codin...

Python利用神经网络解决非线性回归问题实例详解

Python利用神经网络解决非线性回归问题实例详解

本文实例讲述了Python利用神经网络解决非线性回归问题。分享给大家供大家参考,具体如下: 问题描述 现在我们通常使用神经网络进行分类,但是有时我们也会进行回归分析。 如本文的问题: 我...

django admin 自定义替换change页面模板的方法

django admin 自定义替换change页面模板的方法

举个简单的例子:(此仅限于修改change_form页面) 原来的时候,change_form_list是包含这些按钮的: 因为此页面继承了 {% extends 'admin/c...

Python中的十大图像处理工具(小结)

Python中的十大图像处理工具(小结)

Python之成为图像处理任务的最佳选择,是因为这一科学编程语言日益普及,并且其自身免费提供许多最先进的图像处理工具。本文主要介绍了一些简单易懂最常用的Python图像处理库。 当今世界...