随机游走问题的神奇应用(一)

泊松方程的随机游走求解

    • 一.问题的提出
    • 二.问题的求解
    • 三.代码求解

可以用monteCarlo方法构建一个随机游走过程来求解偏微分方程。

一.问题的提出

​ 求解二维泊松方程的第一边值问题如下:
∂ 2 u ( P ) ∂ x + ∂ 2 u ( P ) ∂ y 2 = q ( P ) P ( x , y ) ∈ D \frac{\partial^2 u(P)}{\partial x} + \frac{\partial^2 u(P)}{\partial y^2} = q(P)\quad P(x,y) \in D\\ x2u(P)+y22u(P)=q(P)P(x,y)D
​ 边界条件为:
u ( Q ) = f ( Q ) Q ( x , y ) ∈ Γ = ∂ D u(Q) = f(Q)\quad Q(x,y)\in \Gamma = \partial D u(Q)=f(Q)Q(x,y)Γ=D

二.问题的求解

如下图所示如果我们要求在 P ( x ∗ , y ∗ ) P(x^*,y^*) P(x,y)处的值,设求解步长为 h h h。我们就将原来的方程差分化:
u ( x + h , y ) + u ( x − h , y ) − 2 u ( x , y ) h 2 + u ( x , y + h ) + u ( x , y − h ) − 2 u ( x , y ) h 2 = q ( x , y ) \frac{u(x+h,y)+u(x-h,y) -2u(x,y)}{h^2}+\frac{u(x,y+h)+u(x,y-h) -2u(x,y)}{h^2} = q(x,y) h2u(x+h,y)+u(xh,y)2u(x,y)+h2u(x,y+h)+u(x,yh)2u(x,y)=q(x,y)
可以化成如下差分形式:
u = − h 2 4 q + ∑ i = 1 4 u 1 i u = -\frac{h^2}{4}q+\sum_{i= 1}^4u_{1i} u=4h2q+i=14u1i
其中 P 1 i P_{1i} P1i的含义如下图所示:
随机游走问题的神奇应用(一)_第1张图片

我们假设方程的定义区域为下图,黑点为边界 Γ \Gamma Γ上的点,白点为内部 D D D上的点。

随机游走问题的神奇应用(一)_第2张图片

我们定义一个从 P ( x ∗ , y ∗ ) P(x^*,y^*) P(x,y)开始的游走路线:
ρ P : P → P 1 → P 2 → P 3 . . . → P k − 1 → Q ∈ Γ \rho_P :P\rightarrow P_1 \rightarrow P_2 \rightarrow P_3...\rightarrow P_{k-1}\rightarrow Q\in \Gamma ρP:PP1P2P3...Pk1QΓ
其中的点 P i P_i Pi是由点 P i − 1 P_{i-1} Pi1进过以下规则 f f f得到的:
f : P i − 1 → P i f:P_{i-1} \rightarrow P_i f:Pi1Pi
f f f:我们产生一个随机数 r ∈ [ 0 , 1 ] r\in[0,1] r[0,1]:

r r r P i − 1 P_{i-1} Pi1 P i P_i Pi
[ 0 , 0.25 ] [0,0.25] [0,0.25] P i − 1 ( x ∗ , y ∗ ) P_{i-1}(x^*,y^*) Pi1(x,y) P i ( x ∗ + h , y ∗ ) P_i(x^*+h,y^*) Pi(x+h,y)
[ 0.25 , 0.5 ] [0.25,0.5] [0.25,0.5] P i − 1 ( x ∗ , y ∗ ) P_{i-1}(x^*,y^*) Pi1(x,y) P i ( x ∗ , y ∗ + h ) P_i(x^*,y^*+h) Pi(x,y+h)
[ 0.5 , 0.75 ] [0.5,0.75] [0.5,0.75] P i − 1 ( x ∗ , y ∗ ) P_{i-1}(x^*,y^*) Pi1(x,y) P i ( x ∗ − h , y ∗ ) P_i(x^*-h,y^*) Pi(xh,y)
[ 0.75 , 1 ] [0.75,1] [0.75,1] P i − 1 ( x ∗ , y ∗ ) P_{i-1}(x^*,y^*) Pi1(x,y) P i ( x ∗ , y ∗ − h ) P_i(x^*,y^*-h) Pi(x,yh)

表示 P i − 1 P_{i-1} Pi1分别有 1 4 \frac{1}{4} 41的概率到 P 11 , P 12 , P 13 , P 14 P_{11},P_{12},P_{13},P_{14} P11,P12,P13,P14,即有相同的概率前后左右随机移动,到终点为止。

那么在这样的规则下会生成一条路线 ρ P \rho_P ρP。此时我们建立其以下的映射关系:
g : ρ p → u ( P ) g:\rho_p \rightarrow u(P) g:ρpu(P)
即是从 P P P点出发的一条路线 ρ P \rho_P ρP到该点的数值解 u ( P ) u(P) u(P)的一个映射关系 g g g

现在我们直接给出这个关系:
g : u ( P ) = − h 2 4 ∑ i = 1 k − 1 q ( P i ) + f ( Q ) g:u(P) = -\frac{h^2}{4}\sum_{i = 1}^{k-1}q(P_i)+f(Q) g:u(P)=4h2i=1k1q(Pi)+f(Q)
那么我们从这一次随机游走 ρ P \rho_P ρP映射出了一次的 u ( P ) u(P) u(P)。这个结果肯定是不精确的,我们如果设每次的结果都是一次随机变量 ζ P = g ( ρ P ) \zeta_P = g(\rho_P) ζP=g(ρP),那么可以证明的是 E ζ P = u ( P ) E\zeta_P = u(P) EζP=u(P),具体证明过程忽略。我们利用这个结论可以由大数定律:
u ( P ) ∼ 1 N ∑ i = 1 N ζ P i u(P) \sim\frac{1}{N}\sum_{i =1}^N\zeta_{Pi} u(P)N1i=1NζPi
即通过多次模拟随机游走的过程求其均值用来表示当前的解 u ( P ) u(P) u(P)

三.代码求解

假设我们要求解的是以下方程:
∂ 2 u ∂ x + ∂ 2 u ∂ y 2 = 1 \frac{\partial^2 u}{\partial x} + \frac{\partial^2 u}{\partial y^2} =1 \\ x2u+y22u=1
边界 Γ : x 2 + y 2 = 2 \Gamma:x^2+y^2 =2 Γ:x2+y2=2。在此边界上:
u ( Γ ) = 1 2 u(\Gamma) = \frac{1}{2} u(Γ)=21
现求 u ( 0 , 1 ) u(0,1) u(0,1)的值。

理论上该方程的解析解为 u ( x , y ) = x 2 + y 2 4 u(x,y) = \frac{x^2+y^2}{4} u(x,y)=4x2+y2,因此 u ( 0 , 1 ) = 1 4 u(0,1) = \frac{1}{4} u(0,1)=41。在这里,我们给出求解该方程的函数并且显示当前的随机游走过程:

function [uFinal,zeta] = possionRandom(xPoint,yPoint,h,N)
%UNTITLED 求 Deltea u = 1;在u(x^2+y^2 = 2) = 0.5边界条件
%   [xPoint,yPoint]表示该点坐标,h仿真步长,N仿真次数
q = @(x,y)1;  % 函数
f = @(x,y)(0.5);
u = zeros(1,N);
for i = 1:N
    sumV = 0;
    xValue = xPoint;
    yValue = yPoint;
    P = [xValue ,yValue];
    %以下是游走过程
    while(1)
        if (xValue)^2+(yValue)^2>=2
            P = [P;xValue,yValue];
            break;
        end
        randNumber = randsrc(1,1,[[0 1 2 3];[0.25 0.25 0.25 0.25]]);
        switch (randNumber)
            case 0
                xValue = xValue + h;
                yValue = yValue;
            case 1
                xValue = xValue ;
                yValue = yValue + h;
            case 2
                xValue = xValue - h ;
                yValue = yValue ;    
            case 3
                xValue = xValue;
                yValue = yValue - h;
        end
        P = [P;xValue,yValue];
    end
    %以下是画图过程
    if i == 1
        subplot(121);
        grid on;
        plot(P(:,1),P(:,2),'b.-');
        title('第一次轨迹');
    end
    %以下是计算过程
    [m,n] = size(P);
    for j = 1:m-1
        if isnan(q(P(j,1),P(j,2))) == 1
            q(P(j,1),P(j,2)) = q(h,h);
        end
        sumV = sumV + q(P(j,1),P(j,2));
    end
    zeta(i) = -h^2/4*sumV + f(P(m,1),P(m,2));
    u(i) = sum(zeta(1:i))/i;
end
subplot(122);
grid on ;
uFinal = u(N);
plot(1:N,u,'r');
xlabel('次数');
ylabel('进化曲线');
title('收敛过程');
end

在命令行求解 u ( 0 , 1 ) u(0,1) u(0,1)的值如下,设置步长为 h = 0.01 h = 0.01 h=0.01,仿真次数 N = 100 N = 100 N=100

>> [uFinal,zeta] = possionRandom(0,1,0.01,100);

得到如下图形:

随机游走问题的神奇应用(一)_第3张图片

最终结果为 0.2353 0.2353 0.2353。可以发现还是有点误差的。

关键是这玩意如果步长设置的比较小的话就会一直游走。所以运行的时间就会比较长。

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