Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

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Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Probabilities, Statistics, Random Variables · course

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Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Nécessité des simulations

Nombres aléatoires

Conclusions

Simulation de phénomènes physiques

Simulation d’expériences physiques où des variables doivent être

rendues aléatoires afin d’éliminer des biais.

Probabilités Appliquées I – Simulation

Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Nécessité des simulations

Nombres aléatoires

Conclusions

Résolution de problèmes diciles

Résolution de problèmes impliquant des processus physiques complexes.

(ici théorie cinétique des gaz)

Probabilités Appliquées I – Simulation

Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Nécessité des simulations

Nombres aléatoires

Conclusions

Approximation d’intégrales

Calcul de la valeur approchée d’un intégrale comportant beaucoup

de variables

cos(3x) + sin(7

1 + x 2 + y 2

p

Z ZB

avec (xi , yi ) « bien répartis » dans la boule unité.

⇡ ⇠

1

M

dxdy

Xi=1

y

|

(0,1)

)

|

M

cos(3xi ) + sin(7

)

yi |

|

i + y 2

1 + x 2

p

i

,

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

−0.2

−0.4

−0.6

−0.8

−1

−1

−0.5

0

0.5

1

Probabilités Appliquées I – Simulation

Toutes les autres formes d’alea seront simulés à partir de la loi

uniforme (cf. théorème fondamental de la simulation).

Nécessité d’élaborer des procédures pour tester les

distributions de nombres.

Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Nécessité des simulations

Nombres aléatoires

Conclusions

Buts

On va s’intéresser aux méthodes de simulations de nombres

uniformément répartis sur [0,1], c.-à-d. suivant une loi

uniforme.

Probabilités Appliquées I – Simulation

Nécessité d’élaborer des procédures pour tester les

distributions de nombres.

Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Nécessité des simulations

Nombres aléatoires

Conclusions

Buts

On va s’intéresser aux méthodes de simulations de nombres

uniformément répartis sur [0,1], c.-à-d. suivant une loi

uniforme.

Toutes les autres formes d’alea seront simulés à partir de la loi

uniforme (cf. théorème fondamental de la simulation).

Probabilités Appliquées I – Simulation

Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Nécessité des simulations

Nombres aléatoires

Conclusions

Buts

On va s’intéresser aux méthodes de simulations de nombres

uniformément répartis sur [0,1], c.-à-d. suivant une loi

uniforme.

Toutes les autres formes d’alea seront simulés à partir de la loi

uniforme (cf. théorème fondamental de la simulation).

Nécessité d’élaborer des procédures pour tester les

distributions de nombres.

Probabilités Appliquées I – Simulation

Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Plan

1 Introduction

Nécessité des simulations

Nombres aléatoires

Conclusions

2 Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Le théorème de représentation de Skorohod

Définition mathématique

Générateurs congruentiels

3 Simulation d’une v.a. de loi donnée

Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Probabilités Appliquées I – Simulation

Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Quelques v.a. importantes

Symbole

(µ, 2)

N

f (x)

(x

e

1

p2⇡

µ)2

22

E(X ) Var(X )

F (x)

µ

2

cf .cdfnor

G (a, b)

1

(a)ba x a

1e

x/b

ab

ab2

cf .cdfgam

()

E

e

x 1[0,+

[

1

1/

1/2

x

e

1

Probabilités Appliquées I – Simulation

Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Transformation de v.a.

On peut obtenir de nombreuses v.a. à partir d’autres selon diverses

opérations :

1 changement de variables, transformation ;

2 mélanges ;

3

tri, statistique d’ordre ;

4 convolution des densités = somme de v.a.

Probabilités Appliquées I – Simulation

Alors Y = h(X ) ssi X = h

1(Y ) = g (Y ) où g : Rd

Rd .

!

Si de plus les dérivées partielles gi,j =

existent et sont

@gi

@yj

continues alors Y a pour densité

f (g (y ))det(J),

où J désigne la matrice jacobienne du changement de

variable, c.-à-d.

J = [gi,j ]

Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Changement de variables

Théorème

X de densité f continue sur Rd . On pose S = Supp(f ). Soit

h : Rd

Rd bijective de S sur T = h(S).

!

Probabilités Appliquées I – Simulation

Si de plus les dérivées partielles gi,j =

existent et sont

continues alors Y a pour densité

@gi

@yj

f (g (y ))det(J),

où J désigne la matrice jacobienne du changement de

variable, c.-à-d.

J = [gi,j ]

Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Changement de variables

Théorème

X de densité f continue sur Rd . On pose S = Supp(f ). Soit

h : Rd

Rd bijective de S sur T = h(S).

!

Alors Y = h(X ) ssi X = h

1(Y ) = g (Y ) où g : Rd

Rd .

!

Probabilités Appliquées I – Simulation

Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Changement de variables

Théorème

X de densité f continue sur Rd . On pose S = Supp(f ). Soit

h : Rd

Rd bijective de S sur T = h(S).

!

Alors Y = h(X ) ssi X = h

Si de plus les dérivées partielles gi,j =

existent et sont

1(Y ) = g (Y ) où g : Rd

@gi

@yj

Rd .

!

continues alors Y a pour densité

f (g (y ))det(J),

où J désigne la matrice jacobienne du changement de

variable, c.-à-d.

J = [gi,j ]

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Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Un bon changement de variable

X : ⌦

!

R de loi image sur R : µ = P

X

1.

But : simuler xn = Xn(!),

Xn}n

{

On dit que les xn sont distribués selon la loi image µ.

0 v.a. i.i.d., Xn

d

= X .

Soit F (x) = µ(]

, x]) = P

X

{

x

}

1

. La fonction F est

croissante ;

continue a droite et admet une limite a gauche (propriété de

la mesure)

Lemme

Supposons F strictement croissante et continue. Alors si U suit

une loi uniforme sur (0, 1) on a

F

1(U)

d

= X .

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Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Variantes et cas particuliers

Si µ admet une densité qui ne charge pas 0 alors

x

F (x) =

f (u) du

est continue et strictement croissante.

Z

1

Dans le cas où F est seulement croissante et/ou discontinue

en seulement certains points, le lemme reste vrai à condition

de remplacer F par son inverse continu à gauche

F

g

1

(u)

def

= inf

F (s)

s

{

|

u

.

}

Alors F

g

1

est croissante, continue à gauche et

u

8

2

(0, 1),

F

g

1

(u)

x

F (x)

u.

()

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Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Nombreuses applications

Le lemme précédent permet de simuler les lois suivantes :

E

1 Loi de la v.a. exponentielle

() de paramètre > 0.

2 Loi de la v.a. de Cauchy, Cauchy(c), paramètre c > 0.

3 Loi de la v.a. de Pareto P✓ de paramètre ✓ > 0.

4 Loi supportée par un ensemble fini E =

.

x1; . . . ; xN }

{

5 Loi de la v.a. de Bernoulli B(p) de paramètre p

[0, 1].

2

6 Loi de la v.a. binomiale B(n, p) de paramètre (n, p),

p

[0, 1], n

1.

2

7 Loi de la v.a. géométrique G (p) de paramètre p :

⌧ = min

{

k

0

Xk = 1

}

|

d

= G (p)

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Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

v.a. ne prenant qu’un nombre fini de valeurs

i

(xi )1

Publicité

pk = P(

{

N distincts X : ⌦

X = xk }

).

x1, . . . , xN }

! {

de loi

L’inverse continue à gauche de la fonction de re´partition de X est

u

8

2

(0, 1),

1

F

g

(u) =

N

Xk=1

xk 1

{

p1+

+pk

1<u

p1+

+pk }

···

···

.

Donc

d

=

X

N

Xk=1

xk 1

{

p1+

+pk

···

1<U

p1+

+pk }

···

, U

d

=

([0, 1]).

U

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Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Mélanges de v.a.

Mélange discret : Y : ⌦

Y = n

sachant

{

!

, c.-à-d. de densité

}

N et X de densité conditionnelle fn

f (x) =

+

1

Xn=1

P(Y = n)fn(x)

R de densité g et X de densité

Mélange continu : Y : ⌦

!

, Y ), c.-à-d. de densité

conditionnelle sachant Y , f (

·

f (x) =

f (x, y )g (y )dy

Z

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Introduction

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Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Une densité simulable, l’autre pas

Soit f et g deux densités de probabilités (par rapport à la mesure

de Lebesgue ) sur Rd telles que g > 0 -p.s. et pour lesquelles il

existe un réel c > 0 tel que

x

8

2

d ,

R

f (x)

c g (x).

On souhaite simuler X de densité f et on fait les hypothèses de

simulation suivantes :

on sait simuler une suite i.i.d. de vecteurs aléatoires

de loi g (y ) et

Yk }k

{

1

on sait calculer f et g ,

à un coût raisonnable.

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Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Un lemme de Von Neumann

Lemme (Von Neumann, 1951)

Soit (Un, Yn)n

(⌦,

A

1 une suite de v.a. i.i.d. de lois

PY définie sur

⌦

, P) où PY (dy ) = g (y )dy . Posons

⌧ = min

{

k

1

cUk g (Yk )

.

f (Yk )

}

Alors, ⌧ suit une loi géométrique G ?(p) de paramètre

p = P

= 1

|

c et

cU1g (Y1)

{

f (Y1)

}

X

d

= Y⌧ .

Probabilités Appliquées I – Simulation

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Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Simulation

Corollaire

On définit par récurrence pour tout n

suivantes :

1 les v.a. a valeurs entieres

⌧1 = min

{

k

1

|

cUk g (Yk )

f (Yk )

}

,

puis

⌧n+1 = min

{

k

Alors la suite (⌧n

loi commune G ?(p) et la suite

⌧n

⌧n + 1

cUk g (Yk )

1)n

|

1 est i.i.d. (par convention ⌧0 = 0) de

.

f (Yk )

}

Xn = Y⌧n

est i.i.d. de loi PX .

Probabilités Appliquées I – Simulation

D

⇢

Alors

[

M, M]d , Y

d

=

M, M]d ) et ⌧ = min

n

([

U

Yn 2

D

.

}

|

{

Y⌧

d

=

(D).

U

Appliquer le lemme précédent à g (x) = (2M)

d 1[

M,M]d (x)

et f (x) = 1

(D) 1D(x).

Loi normale sur R. (cf. exercices)

Loi (↵), ↵ > 0.

Introduction

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Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Applications

Loi uniforme sur des domaines bornés D

Rd :

⇢

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Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Applications

Loi uniforme sur des domaines bornés D

d

=

D

⇢

Alors

Rd :

M, M]d ) et ⌧ = min

{

M, M]d , Y

[

⇢

([

U

n

Yn 2

D

.

}

|

Y⌧

d

=

(D).

U

Appliquer le lemme précédent à g (x) = (2M)

et f (x) = 1

(D) 1D(x).

Loi normale sur R. (cf. exercices)

Loi (↵), ↵ > 0.

d 1[

M,M]d (x)

Probabilités Appliquées I – Simulation

I 0 < ↵ < 1 : méthode de rejet

f↵(x)

↵ + e

↵e(↵)

I ↵ = n

N :

2

g↵(x),

g↵(x) =

x ↵

11(0,1)(x) + exp(

x)1[1,+

[(x)

1

X d= (↵), X 0

d= (↵0) =

X + X 0

d= (↵) + (↵0)

↵e

↵ + e

)

(1) =

(1)

E

Introduction

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Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

SImulation de la loi (↵)

X : ⌦

[0, +

1

!

[ de loi PX (dx) = f↵(x)(dx) où

f↵(x) =

1

(↵)

x ↵

1 exp(

x)1[0,+

[(x).

1

Probabilités Appliquées I – Simulation

Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

SImulation de la loi (↵)

X : ⌦

[0, +

1

!

[ de loi PX (dx) = f↵(x)(dx) où

f↵(x) =

1

(↵)

x ↵

1 exp(

x)1[0,+

[(x).

1

I 0 < ↵ < 1 : méthode de rejet

f↵(x)

↵ + e

↵e(↵)

I ↵ = n

N :

2

g↵(x),

g↵(x) =

↵e

↵ + e

x ↵

11(0,1)(x) + exp(

x)1[1,+

[(x)

1

X d= (↵), X 0

d= (↵0) =

)

(1) =

X + X 0

d= (↵) + (↵0)

(1)

E

Probabilités Appliquées I – Simulation

On pose X = pR cos(⇥), Y = pR sin(⇥) et f , g fonctions boréliennes sur R :

E f (X )g (Y ) =

f (px cos(✓))g (px sin(✓)),

+

1

dx

exp

2

+

1

r dr exp

x

2

“

0

” Z

r 2

2⇡

d✓

2⇡

2⇡

2

Publicité

„

0

« Z

d✓

2⇡

dx 0dy 0

2⇡

f (x 0)g (y 0) exp(

(x 0

2 + y 0

2)/2),

=

=

0

Z

0

Z

ZR2

f (r cos(✓))g (r sin(✓)),

La dernière égalité se factorise en

E f (X )g (Y ) =

dx 0

p2⇡

exp(

2/2)f (x 0)

x 0

„ZR

dy 0

p2⇡

exp(

2/2)g (y 0)

y 0

«

= E f (X 0)g (Y 0),

où X 0, Y 0

d=

(0, 1).

« „ZR

N

En appliquant cette derniere relation a f = 1 puis g = 1, on en déduit dans un

premier temps que X et Y suivent des lois normales et dans un deuxième

temps qu’elles sont indépendantes.

Introduction

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Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Un changement de variable en polaire

Soit R d=

( 1

2 )

E

??

⇥ d=

U

([0, 2⇡]).

Probabilités Appliquées I – Simulation

E f (X )g (Y ) =

f (px cos(✓))g (px sin(✓)),

+

1

dx

exp

2

+

1

r dr exp

x

2

“

0

” Z

r 2

2⇡

d✓

2⇡

2⇡

2

„

0

« Z

d✓

2⇡

dx 0dy 0

2⇡

f (x 0)g (y 0) exp(

(x 0

2 + y 0

2)/2),

=

=

0

Z

0

Z

ZR2

f (r cos(✓))g (r sin(✓)),

La dernière égalité se factorise en

E f (X )g (Y ) =

dx 0

p2⇡

exp(

2/2)f (x 0)

x 0

„ZR

dy 0

p2⇡

exp(

2/2)g (y 0)

y 0

«

= E f (X 0)g (Y 0),

où X 0, Y 0

d=

(0, 1).

« „ZR

N

En appliquant cette derniere relation a f = 1 puis g = 1, on en déduit dans un

premier temps que X et Y suivent des lois normales et dans un deuxième

temps qu’elles sont indépendantes.

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Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Un changement de variable en polaire

Soit R d=

( 1

2 )

E

??

⇥ d=

U

([0, 2⇡]).

On pose X = pR cos(⇥), Y = pR sin(⇥) et f , g fonctions boréliennes sur R :

Probabilités Appliquées I – Simulation

+

1

r dr exp

r 2

2

„

0

« Z

=

=

0

Z

ZR2

dx 0dy 0

2⇡

2⇡

d✓

2⇡

f (x 0)g (y 0) exp(

(x 0

2 + y 0

2)/2),

f (r cos(✓))g (r sin(✓)),

La dernière égalité se factorise en

E f (X )g (Y ) =

dx 0

p2⇡

exp(

2/2)f (x 0)

x 0

„ZR

dy 0

p2⇡

exp(

2/2)g (y 0)

y 0

«

= E f (X 0)g (Y 0),

où X 0, Y 0

d=

(0, 1).

« „ZR

N

En appliquant cette derniere relation a f = 1 puis g = 1, on en déduit dans un

premier temps que X et Y suivent des lois normales et dans un deuxième

temps qu’elles sont indépendantes.

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Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Un changement de variable en polaire

Soit R d=

( 1

2 )

E

??

⇥ d=

U

([0, 2⇡]).

On pose X = pR cos(⇥), Y = pR sin(⇥) et f , g fonctions boréliennes sur R :

E f (X )g (Y ) =

+

1

dx

2

exp

x

2

“

0

” Z

2⇡

d✓

2⇡

0

Z

f (px cos(✓))g (px sin(✓)),

Probabilités Appliquées I – Simulation

dx 0dy 0

2⇡

=

ZR2

f (x 0)g (y 0) exp(

(x 0

2 + y 0

2)/2),

La dernière égalité se factorise en

E f (X )g (Y ) =

dx 0

p2⇡

exp(

2/2)f (x 0)

x 0

„ZR

dy 0

p2⇡

exp(

2/2)g (y 0)

y 0

«

= E f (X 0)g (Y 0),

où X 0, Y 0

d=

(0, 1).

« „ZR

N

En appliquant cette derniere relation a f = 1 puis g = 1, on en déduit dans un

premier temps que X et Y suivent des lois normales et dans un deuxième

temps qu’elles sont indépendantes.

Introduction

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Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Un changement de variable en polaire

Soit R d=

( 1

2 )

E

??

⇥ d=

U

([0, 2⇡]).

On pose X = pR cos(⇥), Y = pR sin(⇥) et f , g fonctions boréliennes sur R :

E f (X )g (Y ) =

=

+

1

+

1

0

Z

0

Z

2⇡

0

d✓

2⇡

2⇡

dx

2

exp

“

r dr exp

x

2

” Z

r 2

2

„

0

« Z

d✓

2⇡

f (px cos(✓))g (px sin(✓)),

f (r cos(✓))g (r sin(✓)),

Probabilités Appliquées I – Simulation

La dernière égalité se factorise en

E f (X )g (Y ) =

dx 0

p2⇡

exp(

2/2)f (x 0)

x 0

„ZR

dy 0

p2⇡

exp(

2/2)g (y 0)

y 0

«

= E f (X 0)g (Y 0),

où X 0, Y 0

d=

(0, 1).

« „ZR

N

En appliquant cette derniere relation a f = 1 puis g = 1, on en déduit dans un

premier temps que X et Y suivent des lois normales et dans un deuxième

temps qu’elles sont indépendantes.

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Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Un changement de variable en polaire

Soit R d=

( 1

2 )

E

??

⇥ d=

U

([0, 2⇡]).

On pose X = pR cos(⇥), Y = pR sin(⇥) et f , g fonctions boréliennes sur R :

+

1

+

1

dx

2

exp

“

r dr exp

x

2

” Z

r 2

2

2⇡

0

d✓

2⇡

2⇡

„

0

« Z

d✓

2⇡

f (px cos(✓))g (px sin(✓)),

f (r cos(✓))g (r sin(✓)),

E f (X )g (Y ) =

=

=

0

Z

0

Z

dx 0dy 0

2⇡

ZR2

f (x 0)g (y 0) exp(

(x 0

2 + y 0

2)/2),

Probabilités Appliquées I – Simulation

En appliquant cette derniere relation a f = 1 puis g = 1, on en déduit dans un

premier temps que X et Y suivent des lois normales et dans un deuxième

temps qu’elles sont indépendantes.

Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Un changement de variable en polaire

Soit R d=

( 1

Publicité

2 )

E

??

⇥ d=

U

([0, 2⇡]).

On pose X = pR cos(⇥), Y = pR sin(⇥) et f , g fonctions boréliennes sur R :

E f (X )g (Y ) =

=

=

0

Z

0

Z

ZR2

+

1

+

1

dx

2

exp

“

r dr exp

x

2

” Z

r 2

2

2⇡

0

d✓

2⇡

2⇡

„

0

« Z

d✓

2⇡

f (px cos(✓))g (px sin(✓)),

f (r cos(✓))g (r sin(✓)),

dx 0dy 0

2⇡

f (x 0)g (y 0) exp(

(x 0

2 + y 0

2)/2),

La dernière égalité se factorise en

E f (X )g (Y ) =

dx 0

p2⇡

exp(

„ZR

2/2)f (x 0)

x 0

= E f (X 0)g (Y 0),

où X 0, Y 0

(0, 1).

« „ZR

d=

N

dy 0

p2⇡

exp(

2/2)g (y 0)

y 0

«

Probabilités Appliquées I – Simulation

Introduction

Simulation de la loi uniforme sur (0,1)

Simulation d’une v.a. de loi donnée

Opérations sur les v.a. et premières applications

Méthodes de rejet

Méthode de Box-Müller

Un changement de variable en polaire

Soit R d=

( 1

2 )

E

??

⇥ d=

U

([0, 2⇡]).

On pose X = pR cos(⇥), Y = pR sin(⇥) et f , g fonctions boréliennes sur R :

E f (X )g (Y ) =

=

=

0

Z

0

Z

ZR2

+

1

+

1

dx

2

exp

“

r dr exp

x

2

” Z

r 2

2

2⇡

0

d✓

2⇡

2⇡

„

0

« Z

d✓

2⇡

f (px cos(✓))g (px sin(✓)),

f (r cos(✓))g (r sin(✓)),

dx 0dy 0

2⇡

f (x 0)g (y 0) exp(

(x 0

2 + y 0

2)/2),

La dernière égalité se factorise en

E f (X )g (Y ) =

dx 0

p2⇡

exp(

„ZR

2/2)f (x 0)

x 0

= E f (X 0)g (Y 0),

où X 0, Y 0

(0, 1).

« „ZR

d=

N

dy 0

p2⇡

exp(

2/2)g (y 0)

y 0

«

En appliquant cette derniere relation a f = 1 puis g = 1, on en déduit dans un

premier temps que X et Y suivent des lois normales et dans un deuxième

temps qu’elles sont indépendantes.

Probabilités Appliquées I – Simulation

Outline

Introduction to Markov Chain Monte Carlo

Gibbs Sampling

The Metropolis-Hastings Algorithm

Outline

Introduction to Markov Chain Monte Carlo

Gibbs Sampling

The Metropolis-Hastings Algorithm

Markov Chain: a stochastic process in which future states are

independent of past states given the present state

Monte Carlo: simulation

Up until now, we’ve done a lot of Monte Carlo simulation to find

integrals rather than doing it analytically, a process called Monte

Carlo Integration.

Basically a fancy way of saying we can take quantities of interest of

a distribution from simulated draws from the distribution.

What is Markov Chain Monte Carlo (MCMC)?

Monte Carlo: simulation

Up until now, we’ve done a lot of Monte Carlo simulation to find

integrals rather than doing it analytically, a process called Monte

Carlo Integration.

Basically a fancy way of saying we can take quantities of interest of

a distribution from simulated draws from the distribution.

What is Markov Chain Monte Carlo (MCMC)?

Markov Chain: a stochastic process in which future states are

independent of past states given the present state

Up until now, we’ve done a lot of Monte Carlo simulation to find

integrals rather than doing it analytically, a process called Monte

Carlo Integration.

Basically a fancy way of saying we can take quantities of interest of

a distribution from simulated draws from the distribution.

What is Markov Chain Monte Carlo (MCMC)?

Markov Chain: a stochastic process in which future states are

independent of past states given the present state

Monte Carlo: simulation

Basically a fancy way of saying we can take quantities of interest of

a distribution from simulated draws from the distribution.

What is Markov Chain Monte Carlo (MCMC)?

Markov Chain: a stochastic process in which future states are

independent of past states given the present state

Monte Carlo: simulation

Up until now, we’ve done a lot of Monte Carlo simulation to find

integrals rather than doing it analytically, a process called Monte

Carlo Integration.

What is Markov Chain Monte Carlo (MCMC)?

Markov Chain: a stochastic process in which future states are

independent of past states given the present state

Monte Carlo: simulation

Up until now, we’ve done a lot of Monte Carlo simulation to find

integrals rather than doing it analytically, a process called Monte

Carlo Integration.

Basically a fancy way of saying we can take quantities of interest of

a distribution from simulated draws from the distribution.

Suppose we have a distribution p(✓) (perhaps a posterior) that we

want to take quantities of interest from.

To derive it analytically, we need to take integrals:

I =

g (✓)p(✓)d✓

Z⇥

where g (✓) is some function of ✓ (g (✓) = ✓ for the mean and

g (✓) = (✓

E (✓))2 for the variance).

We can approximate the integrals via Monte Carlo Integration by

simulating M values from p(✓) and calculating

ÎM =

g (✓(i))

1

M

M

Xi=1

Monte Carlo Integration

To derive it analytically, we need to take integrals:

I =

g (✓)p(✓)d✓

Z⇥

where g (✓) is some function of ✓ (g (✓) = ✓ for the mean and

g (✓) = (✓

E (✓))2 for the variance).

We can approximate the integrals via Monte Carlo Integration by

simulating M values from p(✓) and calculating

ÎM =

g (✓(i))

1

M

M

Xi=1

Monte Carlo Integration

Suppose we have a distribution p(✓) (perhaps a posterior) that we

want to take quantities of interest from.

We can approximate the integrals via Monte Carlo Integration by

simulating M values from p(✓) and calculating

ÎM =

g (✓(i))

1

M

M

Xi=1

Monte Carlo Integration

Suppose we have a distribution p(✓) (perhaps a posterior) that we

want to take quantities of interest from.

To derive it analytically, we need to take integrals:

I =

g (✓)p(✓)d✓

Z⇥

where g (✓) is some function of ✓ (g (✓) = ✓ for the mean and

g (✓) = (✓

E (✓))2 for the variance).

Monte Carlo Integration

Suppose we have a distribution p(✓) (perhaps a posterior) that we

want to take quantities of interest from.

To derive it analytically, we need to take integrals:

I =

g (✓)p(✓)d✓

Z⇥

where g (✓) is some function of ✓ (g (✓) = ✓ for the mean and

g (✓) = (✓

E (✓))2 for the variance).

We can approximate the integrals via Monte Carlo Integration by

simulating M values from p(✓) and calculating

ÎM =

1

M

M

Xi=1

g (✓(i))

Let X1, X2, . . . be a sequence of independent and identically

distributed random variables, each having a finite mean µ = E (Xi ).

Then with probability 1,

X1 + X2 +

+ XM

· · ·

M

µ as M

!

! 1

In our previous example, each simulation draw was independent

and distributed from the same Beta(3,3) distribution.

This also works with variances and other quantities of interest,

since a function of i.i.d. random variables are also i.i.d. random

variables.

But what if we can’t generate draws that are independent?

Strong Law of Large Numbers (SLLN)

In our previous example, each simulation draw was independent

and distributed from the same Beta(3,3) distribution.

This also works with variances and other quantities of interest,

since a function of i.i.d. random variables are also i.i.d. random

variables.

But what if we can’t generate draws that are independent?

Strong Law of Large Numbers (SLLN)

Let X1, X2, . . . be a sequence of independent and identically

distributed random variables, each having a finite mean µ = E (Xi ).

Then with probability 1,

X1 + X2 +

M

· · ·

+ XM

µ as M

!

! 1

This also works with variances and other quantities of interest,

since a function of i.i.d. random variables are also i.i.d. random

variables.

But what if we can’t generate draws that are independent?

Strong Law of Large Numbers (SLLN)

Let X1, X2, . . . be a sequence of independent and identically

distributed random variables, each having a finite mean µ = E (Xi ).

Then with probability 1,

X1 + X2 +

M

· · ·

+ XM

µ as M

!

! 1

In our previous example, each simulation draw was independent

and distributed from the same Beta(3,3) distribution.

But what if we can’t generate draws that are independent?

Strong Law of Large Numbers (SLLN)

Let X1, X2, . . . be a sequence of independent and identically

distributed random variables, each having a finite mean µ = E (Xi ).

Then with probability 1,

X1 + X2 +

M

· · ·

+ XM

µ as M

!

! 1

In our previous example, each simulation draw was independent

and distributed from the same Beta(3,3) distribution.

This also works with variances and other quantities of interest,

since a function of i.i.d. random variables are also i.i.d. random

variables.

Strong Law of Large Numbers (SLLN)

Let X1, X2, . . . be a sequence of independent and identically

distributed random variables, each having a finite mean µ = E (Xi ).

Then with probability 1,

X1 + X2 +

M

· · ·

+ XM

µ as M

!

! 1

In our previous example, each simulation draw was independent

and distributed from the same Beta(3,3) distribution.

This also works with variances and other quantities of interest,

since a function of i.i.d. random variables are also i.i.d. random

variables.

But what if we can’t generate draws that are independent?

For example, we often do not know the normalizing constant.

However, we may be able to sample draws from p(✓

y ) that are

|

slightly dependent.

If we can sample slightly dependent draws using a Markov chain,

then we can still find quantities of interests from those draws.

Suppose we want to draw from our posterior distribution p(✓

but we cannot sample independent draws from it.

y ),

|

However, we may be able to sample draws from p(✓

y ) that are

|

slightly dependent.

If we can sample slightly dependent draws using a Markov chain,

then we can still find quantities of interests from those draws.

Suppose we want to draw from our posterior distribution p(✓

but we cannot sample independent draws from it.

y ),

|

For example, we often do not know the normalizing constant.

If we can sample slightly dependent draws using a Markov chain,

then we can still find quantities of interests from those draws.

Suppose we want to draw from our posterior distribution p(✓

but we cannot sample independent draws from it.

y ),

|

For example, we often do not know the normalizing constant.

However, we may be able to sample draws from p(✓

slightly dependent.

y ) that are

|

Suppose we want to draw from our posterior distribution p(✓

but we cannot sample independent draws from it.

y ),

|

For example, we often do not know the normalizing constant.

However, we may be able to sample draws fro...