理论教育 蒙特卡洛方法评估检测性能

蒙特卡洛方法评估检测性能

时间:2023-06-17 理论教育 版权反馈
【摘要】:当不能用数值计算方法确定随机变量超过某一给定值的概率时,可借助蒙特卡洛计算机模拟方法。在检测问题中,常需要计算一个随机变量或统计量T 超过某门限γ 的概率,即Pr{T >γ}。注意,这个概率实际上是一个估计概率。如果真实概率较小,那么Mr 可能相当大。为了使用蒙特卡洛实现{T1,T2,…,TM}是从独立的随机变量中得到的。

蒙特卡洛方法评估检测性能

当不能用数值计算方法确定随机变量超过某一给定值的概率时,可借助蒙特卡洛计算机模拟方法。在检测问题中,常需要计算一个随机变量或统计量T 超过某门限γ 的概率,即Pr{T >γ}。

例如,某数据集{ x[0],x[1],…,x[N-1]},其中x[n]~N(0,σ2),且x[n]是独立同分布的,希望计算

由于可证明

因而

式中,Q(x)是标准正态变量超过x 的概率。

然而,假定不能使用解析的方法,也不能用数值计算的方法计算概率,可以按如下的方法使用计算机模拟来确定Pr(T >γ)。

数据产生:

(1)产生N 个独立的N(0,σ2)随机变量。在MATLAB 中,使用语句

产生随机变量x[n]的实现组成的N×1 列矢量,其中,var 是方差σ2。(www.daowen.com)

(2)对随机变量的实现计算img

(3)重复过程M 次,以便产生T 的M 个实现,或者(T1,T2,…,TM}。概率计算:

(1)对Ti 超过γ 的次数统计,称为Mr

(2)用img = Mr / M 来估计概率Pr(T >γ)。

注意,这个概率实际上是一个估计概率。M 的选择(也就是实现数)将影响结果,以至于Mr 应该逐步增大,直到计算的概率出现收敛。如果真实概率较小,那么Mr 可能相当大。例如,如果Pr(T >γ)= 10-6,那么M =106 个实现中将只有一次超过门限,在这种情况下,Mr 必须远大于106 才能保证精确的估计概率。如果希望对于100(1-α)%的置信水平相对误差的绝对值为

那么,选择的应该满足

式中,P 是被估计的概率。为了使用蒙特卡洛实现{T1,T2,…,TM}来确定Pr(T>γ),对实现数提出一定的要求是合理的,实现{T1,T2,…,TM}是从独立的随机变量中得到的。随机变量了,一般不必是高斯的,只要是独立同分布的(IID)。例如,如果希望确定Pr(T >1),这个概率P 为0.16,要求对于95%的置信水平,相对误差的绝对值为∈= 0.01(1%),那么

当这种方法不可行时,可以采用重要采样(Importance Sampling)来减少计算量。

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