问题

如何通俗地理解「蒙特卡洛方法」,它解决问题的基本思路是什么,目前主要应用于哪些领域?

回答
想象一下,你手里有一堆积木,你想要知道这堆积木总共有多少块。但你就是数不过来,或者积木太多了,数到眼花缭乱。这时候,如果你想用一种“聪明”的方法来估算,蒙特卡洛方法就可以帮上忙了。

通俗理解蒙特卡洛方法:瞎猜也得有点门道

蒙特卡洛方法,说白了,就是 “大量随机抽样” 来解决那些很难直接计算的问题。它就像一个非常非常“用力”的瞎猜,但这个瞎猜不是乱猜,而是通过一次又一次的随机试验,慢慢逼近真实的答案。

打个比方,我们回到那堆积木。如果积木堆得太高太乱,我们直接数太难。蒙特卡洛方法会怎么做呢?

1. 划定一个范围: 我们先估计一下,这堆积木大概能装在一个长宽高是多少的箱子里(这个箱子可以比积木实际占用的空间大一些)。
2. 随机扔积木(或者说,随机在箱子里抓一把): 我们就好像随便从这个箱子里,随机地抓取一定数量的积木(比如抓100块)。
3. 统计结果: 看看这抓到的100块积木里,有多少是真正的积木,有多少是箱子里的“空气”(也就是我们预设的箱子比实际积木堆大的那部分空间)。
4. 推算总数: 如果我们抓的100块里,有80块是积木,那么我们就可以推测,整个箱子里积木占的比例大概是80%。那么,根据箱子的总体积(或者我们预设的积木总可能的数量范围),我们就能估算出积木的总数了。

关键在于,我们抓取的次数越多(比如我们随机抓1000次,每次抓100块,然后求平均),我们估算出来的结果就越接近真实值。就像你多试几次“盲猜”,总比一次就猜要靠谱得多。

解决问题的基本思路:从“精确计算”到“概率估算”的转变

蒙特卡洛方法解决问题的基本思路可以总结为以下几点:

建模和参数化: 首先,我们需要把我们想要解决的问题用一个模型来表示,这个模型通常涉及到一些未知但我们可以通过概率来描述的参数。比如,我们数积木的问题,我们可以把积木堆想象成一个“空间”,里面的“积木”是我们要数的目标,而“空气”是我们不需要关心的部分。我们的“参数”就是积木的总数。
随机抽样: 然后,我们在这个模型(比如我们预设的箱子)中,通过随机的方式,一次又一次地抽取样本。这些样本代表了模型中的各种可能性。抓积木的比喻里,就是随机抓取积木。
统计分析: 对抽取到的样本进行统计分析,计算出我们关心的结果(比如抓到的积木占总抓取量的比例)。
迭代逼近: 通过大量重复的随机抽样和统计分析,我们逐渐逼近问题的真实解。样本量越大,结果就越准确。

它的核心思想就是:当一个问题因为太过复杂而难以直接计算出精确答案时,我们可以通过模拟大量的随机事件,来“逼”出答案。 就像很多复杂系统,我们无法一步到位算出结果,但可以模拟很多很多“小事件”,然后看看整体的趋势。

主要应用领域:无处不在的“随机力量”

蒙特卡洛方法之所以强大,是因为它适用范围极其广泛,几乎渗透到科学、工程、金融等各个领域:

1. 物理学和化学:
粒子模拟: 在研究物质的性质时,很多微观粒子的运动是随机的。比如,模拟液体分子的运动、扩散过程,或者放射性衰变等。蒙特卡洛方法可以模拟大量粒子的行为,从而预测宏观性质。
核工程: 计算中子在反应堆中的传播和吸收,直接计算非常困难,但通过模拟中子的随机飞行路径,可以估算出反应堆的临界参数。
统计力学: 研究大量粒子组成的系统的宏观性质,比如固体、液体、气体的状态。

2. 金融学:
期权定价: 很多金融衍生品的价值,比如期权,其最终价值取决于未来某个时间点标的资产的价格。标的资产价格的变动是复杂的,难以精确预测。蒙特卡洛方法可以模拟大量可能的未来价格路径,然后计算出期权的期望价值。
风险管理: 评估投资组合的风险,模拟各种市场因素(如利率、汇率、股票价格)的随机变动,从而计算出可能出现的最大损失(如VaR,Value at Risk)。
投资组合优化: 寻找最优的资产配置方案,通过模拟不同资产组合在各种市场情况下的表现。

3. 计算机科学和图形学:
渲染逼真图像(Path Tracing): 在计算机图形学中,模拟光线在场景中的传播以生成逼真的图像。光线在遇到物体后会发生反射、折射,这些过程是随机的。蒙特卡洛方法通过追踪大量的随机光线路径,来模拟光照效果,实现逼真的渲染。
算法分析: 对某些复杂算法的性能进行估算,例如在图论中寻找最优路径,或者在机器学习中进行模型训练和评估。
优化问题: 解决一些 NPhard 的优化问题,例如旅行商问题,虽然直接找到最优解很难,但可以通过随机搜索来找到一个近似最优解。

4. 工程学:
可靠性分析: 评估一个系统或组件在各种不确定因素(如材料强度差异、环境变化)下的失效概率。
仿真建模: 在交通流模拟、天气预报、气候变化模型等领域,很多输入参数本身就带有不确定性,蒙特卡洛方法可以用来评估这些不确定性对模型输出的影响。

5. 数学:
数值积分: 计算高维积分,传统数值方法很难处理维度过高的问题,但蒙特卡洛积分可以有效地解决。
概率分布的采样: 生成服从特定概率分布的随机数。

总结一下:

蒙特卡洛方法就像一个“耐心”的侦探,面对一个难以直接破案的复杂案件,它不会试图一步到位地找出真相,而是会去现场搜集大量的“线索”(随机样本),通过分析这些线索的共同特征,慢慢拼凑出案件的全貌。它的威力在于,通过“量变”引起“质变”,让那些看似无解的难题,在概率的海洋中显露端倪。

网友意见

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这篇回答节选自我在专栏《机器学习中的数学:概率统计》中的文章,一起来聊聊蒙特卡洛方法。

也欢迎关注我的知乎账号 @石溪 ,将持续发布机器学习数学基础及算法应用等方面的精彩内容。

1.大数定理的经典应用:蒙特卡罗方法

用大样本数据计算出来的频率去估计概率,这就是大数定理的本质,而大数定理思想的一个非常典型的应用就是蒙特卡罗方法。

蒙特卡罗方法,又叫统计模拟方法,名字很洋气,思想很粗暴,真的很管用。它使用随机数来进行场景的模拟或者过程的仿真,其思想核心就是通过模拟出来的大量样本集或者随机过程去近似我们想要研究的实际问题对象,这是一类非常重要的数值计算方法。

该方法的名字来源于世界著名的赌城蒙特卡罗。博彩和概率,二者相视一笑、不谋而合。这种方法最初应用于20世纪40年代美国的曼哈顿原子弹计划,如今在数据分析和机器学习领域中到处都有他的身影。

以下是蒙特卡罗方法的几类非常典型的应用,我们分别来举例介绍

1.近似计算不规则面积/体积/积分

2.模拟随机过程,预测随机过程可能性结果的区间范围

3.结合接受-拒绝采样,对分布的未知参数进行统计推断

要知道,蒙特卡洛方法不仅仅只是一种方法技巧,更是一种思考问题的方式。在这篇回答中,我们主要介绍第一个应用点,让大家进一步理解大数定理的原理和蒙特卡罗方法的要点。第二个和第三个应用如果大家有兴趣可以关注我的专栏。

2.利用蒙特卡罗方法计算不规则面积

蒙特卡罗方法可以近似计算出不规则图形的面积,特别对于那些难以用解析方法计算的图像,非常有效。

这里,我们利用蒙特卡罗方法来近似计算一个圆的面积,然后估计出 的近似值,选择圆作为例子的原因不是因为圆无法通过解析法进行计算,而是因为大家对他的面积比较熟悉,方便我们进行结果的对比。

代码片段:

       import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from matplotlib.patches import Circle from scipy.stats import uniform import seaborn seaborn.set()  n = 100000 r = 1.0 o_x, o_y = (0., 0.)  uniform_x = uniform(o_x-r,2*r).rvs(n) uniform_y = uniform(o_y-r,2*r).rvs(n)  d_array = np.sqrt((uniform_x - o_x) ** 2 + (uniform_y - o_y) ** 2) res = sum(np.where(d_array < r, 1, 0)) pi = (res / n) /(r**2) * (2*r)**2  fig, ax = plt.subplots(1, 1) ax.plot(uniform_x, uniform_y, 'ro', markersize=0.3) plt.axis('equal') circle = Circle(xy=(o_x, o_y), radius=r, alpha=0.5) ax.add_patch(circle)  print('pi={}'.format(pi)) plt.show()     

运行结果:

                pi         =         3.14096            

我们结合这张图,详细的分析一下这段程序。

我们近似计算的目标就是这个蓝色的半径为r=1的单位圆面积,而这个单位圆的外接正方形的边长为l=2r=2,因此外接正方形的面积为4。我们生成100000个在外接正方形内均匀分布的点,均匀的撒下去,这里面的核心原理就是:

这样就可以估算出单位圆的面积了。

而为了估算 ,我们回到这个例子中的参数,可以得到这么一个公式:

而且大数定理告诉我们,随着样本数量的增大,我们用这种方式模拟出来的 值应该是越来越趋近于真实值,样本无穷大的时候收敛于真值。这就证明了应用大数定理的蒙特卡罗方法的合理性和有效性。

至于有同学会问了,是怎么判定一个点是否位于圆当中?这里用的是距离法,也就是计算每个点到原点的距离,如果小于等于半径,就说明这个点在圆内。

这里是不是有一个bug?就是说这个规则只对圆这种特殊图像有效,如果是一个完全不规则的图像,我们如何来计算这个图像的面积?

我们可以借助计算机图像中的像素来进行。比如把不规则图像内部都涂黑,图像外部都留白,我们还是均匀的撒下大样本量的点,如果某个点位于的坐标,他的像素是黑色的,则证明这个点在图像内部,反之就在图像外部,利用这个方法就能统计出位于图像内部的点的个数。

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3.随机过程的模拟

我们来看几个实际的场景,并用随机过程对其进行建模,同时运用蒙特卡罗方法对其过程进行模拟。

3.1.博彩中的随机过程

博彩的例子非常普遍,这里我们举一个大家非常熟悉的例子,我们尽量挖掘的更深入一些。

赌徒和庄家对赌抛硬币,如果为正面,本轮赌徒赢,庄家付给赌徒1元,结果为反面,本轮赌徒输,赌徒付给庄家1元。赌徒有初始赌本10元,手上的钱一旦输光则退出赌局,如何来模拟这个博彩过程?

我们首先来分析一下这个过程,赌徒的博彩结果本质上依托于每次抛掷硬币的结果,每一轮博彩就是一个伯努利试验,赢的概率是p=0.5,博彩的过程就是由这一串伯努利试验构成的伯努利随机过程,每轮赌局中,如果赢则赌本增加1元,输则赌本减少1元。

当然了,如果对某一个特定的赌徒,一旦开始进入赌局,则最终由每轮赌局结果构成的序列就是唯一的。那么如果我们想观察整个博彩过程的整体特征,我们该怎么办?好办,还是使用之前讲过的蒙特卡罗方法,采用大量的样本,最终观察样本结果的整体特征。

这里,我们为了说明问题,先采用的样本数也就是赌徒数为10个,轮数为100轮,也就是每个赌徒最多和庄家对赌100轮,如果在这个过程中输光了赌本,则提前退出,如果到100轮还有赌本,赌局也停止。

我们来看一下模拟的代码:

代码片段:

       import pandas as pd import random  sample_list = [] round_num = 100 person_num = 10 for person in range(1, person_num + 1):     money = 10     for round in range(1, round_num + 1):         result = random.randint(0, 1)         if result == 1:             money = money + 1         elif result == 0:             money = money - 1         if money == 0:             break     sample_list.append([person, round, money])  sample_df = pd.DataFrame(sample_list, columns=['person', 'round', 'money']) sample_df.set_index('person',inplace=True)  print(sample_df)     

运行结果:

       round  money person               1          64      0 2         100     14 3          90      0 4         100     16 5          88      0 6         100     14 7         100      6 8          78      0 9          52      0 10         18      0     

我们简单的分析一些代码和运行结果,其实这段代码中最核心的部分就是:

       result = random.randint(0, 1)     

在每轮赌局中,我们首先生成了一个随机变量,他在0和1当中等概论选取,模拟的就是抛掷硬币的过程,当结果为1时表示硬币为正面,本轮赢庄家1元,结果为0时表示硬币为反面,本轮输庄家1元。这里设定的是每个赌徒最多赌100轮,如果不到100轮就输光了,则退场,这样就模拟了整个博彩的随机过程。

从运行结果来看,10个赌徒中有6个提前输光退场,剩下的4个打满全场的人中,有3个是挣钱的,有1个是亏钱的。

当然,我们这里是为了打印出所有的结果,所以样本数选择的比较少。蒙特卡洛方法讲求大的样本量,我们把样本数和轮数都修改一下,并且统计一些指标。我们把赌徒的总人数设置为1000000人,轮数设置为100(我们依次修改了轮数为100,1000,10000),来观察样本总体的表现:

代码片段:

       import pandas as pd import random  sample_list = [] person_num = 100000 round_num = 10000 for person in range(1, person_num + 1):     money = 10     for round in range(1, round_num + 1):         result = random.randint(0, 1)         if result == 1:             money = money + 1         elif result == 0:             money = money - 1         if money == 0:             break     sample_list.append([person, round, money]) sample_df = pd.DataFrame(sample_list, columns=['person', 'round', 'money']) sample_df.set_index('person',inplace=True)  print("总轮数:{},总人数:{}".format(round_num,person_num)) print("输光赌本提前出局的人数:{}".format(person_num-len(sample_df[sample_df['round']==round_num]))) print("赌满全场且盈利的人数:{}".format(len(sample_df[sample_df['money']>10]))) print("赌满全场且亏损的人数:{}".format(len(sample_df[sample_df['money']<=10][sample_df['money']>0])))     

运行结果:

       总轮数:100,总人数:100000 输光赌本提前出局的人数:31148 赌满全场且盈利的人数:44458 赌满全场且亏损的人数:23923     


       总轮数:1000,总人数:100000 输光赌本提前出局的人数:75154 赌满全场且盈利的人数:23441 赌满全场且亏损的人数:1386     


       总轮数:10000,总人数:100000 输光赌本提前出局的人数:91902 赌满全场且盈利的人数:8060 赌满全场且亏损的人数:38     

从结果中不难发现,这种和庄家1:1的对赌,随着轮数的增加,基本上都破产被收割了。换句话说,哪怕庄家不出千,输赢概率各半,赌的越久,基本上都是输光破产走人,原因是什么?原因是庄家的资金量是无穷的。

3.2.模拟股价的变化

博彩的例子结束了,我们再举一个股票的例子,这个让人感觉都很心跳啊,在金融工程中,有下面这样一个公式,他利用目前的股价 去预测 时间之后的股价 :

这其中的参数我来解释一下:

表示股票收益率的期望值,这里我们设定为 ,即

表示股票的波动率,这里设定为

,其中 表示整数年份, 表示在整个估算周期内,取的具体步数,就好比说 为一年, 如果取244,那么 的粒度就是每个交易日了(一年有244个交易日)。

这里面似乎所有的参数都是确定的,唯独除了 之外, 是一个服从标准正态分布的随机变量,这是这个 ,决定了每日的股价 是一个随机变量,而由股价构成的序列是一个随机过程。

我们同样的用蒙特卡罗方法,利用大样本来估计一下在目前股价为 的情况下,1年之后股价的概率分布情况。

代码片段:

       import scipy import matplotlib.pyplot as plt import seaborn from math import sqrt seaborn.set()  s0 = 10.0 T = 1.0 n = 244 * T mu = 0.15 sigma = 0.2 n_simulation = 10000  dt = T/n s_array = []  for i in range(n_simulation):     s = s0     for j in range(int(n)):         e = scipy.random.normal()         s = s+mu*s*dt+sigma*s*e*sqrt(dt)     s_array.append(s)  plt.hist(s_array, bins=30, normed=True, edgecolor='k') plt.show()     

运行结果:

这是我们模拟了10000个样本经过上述随机过程,在一年之后股价的分布情况。

这里的核心就是:

       e = scipy.random.normal()  s = s+mu*s*dt+sigma*s*e*sqrt(dt)     

每一轮 ,我们都生成一个服从标准正态分布的随机变量 ,不断通过递推公式 ,迭代出下一个时间点的股价,循环往复直到生成一年后的最终结果,这样就模拟出了一年过程中股价随机变量序列构成的随机过程。

我们采用蒙特卡罗方法,设置大样本量(这里设置10000个),最终迭代出10000个对应的一年后股价,然后用柱状图就能看出其总体分布特征。

3.3.股价变化曲线的过程展现

上面我们分析的是这10000个样本在一年之后最终股价的整体分布情况,实际上我们还有一个同样重要的过程可以进行监测和展现,那就是从 时刻起到1年后的这一段时间内,每隔 时间间隔点由实时价格随机变量构成的序列,换句话说就是随机过程的整体展现。

这个在上面的基础上进一步完成,其实不难,就是我们不光要计算出股票最终的价格,还有记录下每个 时间点的价格,并把他记录下来。

代码片段:

       import scipy import matplotlib.pyplot as plt import seaborn from math import sqrt import numpy as np seaborn.set()  s0 = 10.0 T = 1.0 n = 244 * T mu = 0.15 sigma = 0.2 n_simulation = 100  dt = T/n random_series = np.zeros(int(n), dtype=float) x = range(0, int(n))  for i in range(n_simulation):     random_series[0] = s0     for j in range(1,int(n)):         e = scipy.random.normal()         random_series[j] = random_series[j-1]+mu*random_series[j-1]*dt+sigma*random_series[j-1]*e*sqrt(dt)     plt.plot(x, random_series)  plt.show()     

运行结果:

这里我们清晰的展现出了由244个 时间点的股价数据所构成的序列,这是随着时间变化的随机过程。我们为了从整体把握他的分布特征,设定了100个样本,因此模拟出了100条价格曲线。

这种结果图表面上看起来比较凌乱,实际上可以从整体上发现许多端倪,例如股价在运行过程中的整体分布区间,上下界,集中程度等等,都可以有一个整体的把握。

因此我们不仅可以得到最终股价的分布,也可以知道股价运行变化的完整价格路径,这个价格路径代表了蒙特卡罗方法的精髓,通过这个价格路径的可视化呈现,让我们更加直观的从宏观上把握了随机过程。

4.蒙特卡洛方法与接受拒绝采样

4.1.运用蒙特卡洛方法的背景

随机近似方法的核心是蒙特卡洛方法,主要是用采样的方式来进行随机近似,来实现数值积分等目标。

例如我们要求函数 关于分布 的期望,从期望的定义我们知道,求期望的本质就是求积分:

但是这个积分往往是非常难求的,而随机近似的方法核心就是蒙特卡洛方法,他用采样的方法来实现数值积分的目标:

首先我们从原始分布 中采出 个样本点:

然后依据大数定律,用样本均值来模拟积分的真实结果:

如果我们直接令这个函数 ,那么通过上述方法求出的就是分布 的期望。

这种基于蒙特卡洛方法的近似方法,思想上非常简单直观,但是其中有一个问题目前看上去无法跨越,那就是如果 比较复杂,我们似乎很难从中采样出服从概率分布的一组样本点。

于是,为了解决这个问题,就派生出了两种方案,一个称之为接受-拒绝采样,一个称之为是重要性采样,我们这里重点谈谈接受-拒绝采样。

他们都是基于一个事实,那就是目标分布 无法直接采样,而我们引入一个提议分布 ,什么叫提议分布?换句话说就是我们好采样的分布,这个分布可以是任意的,比如均匀分布、高斯分布等等,怎么好采样就怎么来。

4.2.接受-拒绝采样的问题背景

这里我们就来重点介绍接受-拒绝采样方法,虽然在最终实际使用过程中,因为效率、维度等原因,不会实际采用他进行采样,但是他所折射出来的思想方法将直接指导马尔科夫链-蒙特卡洛方法的理解和应用,因此很有必要对其进行深入学习。

接下来看一个具体的例子,我们需要采样的目标分布就是下面这个复杂的概率密度函数:

当然,写的更简洁、专业一点就是:

其中, 是归一化参数,目的是为了让概率密度函数 在整个取值域上的积分为 ,以满足归一化的概率基本定义。

4.3.采样方法和步骤

看上去这个概率密度函数非常复杂,那么针对这个概率密度函数的分布,我们如何进行采样,才能使得样本能够满足这个分布要求,从而支撑我们的后续的统计分析呢?这里,我们介绍最为基本、也最为经典的接受-拒绝采样方法,他的根本目标就是根据给定的概率密度函数 ,产生服从目标分布的样本集 。

在开始采样之前,我们需要做一些准备工作。首先需要找到一个辅助的建议分布,我们将其记作是 ,他的概率密度函数为 ,这个 分布在原理上可以是任意分布,既然是可以任意选择,那么我们就应该去选择一个易于处理、易于通过计算机程序去采样的分布类型,可以说是越简单越好。显然在这里,均匀分布、正态分布是最为合适的。

同时我们还需获取一个常数值 ,使得对于任意变量 ,都能够保证 成立,当然为了提高采样的效率,选取的常数 在满足条件的前提下,当然是越小越好了。

接下来就是真正采样的过程:

第一步:从建议分布 中进行采样,获取一个采样样本 ;

第二步:从 的均匀分布中进行采样,获取一个采样样本 ;

第三步:判断,如果 ,那么我们就接受这个采样值 ,作为我们记录下来的采样值,如果不满足这个不等关系,我们就拒绝这个采样值,舍弃他,重新采样。这就是所谓的接受-拒绝的关键一步。

4.4.接受-拒绝采样的实践

我们在这个例子中,选择均值为1.4,方差为1.2的正态分布作为我们的建议分布: 分布,取常数 值为2.5。

我们先把目标分布的概率密度函数 、建议分布 的概率密度函数的 倍: 绘制在一张图上进行比较:

代码片段:

       import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from scipy.stats import norm import seaborn seaborn.set()  # 目标采样分布的概率密度函数 def p(x):     return (0.3 * np.exp(-(x - 0.3) ** 2) + 0.7 * np.exp(-(x - 2.) ** 2 / 0.3)) / 1.2113  # 建议分布G norm_rv = norm(loc=1.4, scale=1.2) # C值 C = 2.5  x = np.arange(-4., 6., 0.01) plt.plot(x, p(x), color='r', lw=5, label='p(x)') plt.plot(x, C*norm_rv.pdf(x), color='b', lw=5, label='C*g(x)') plt.legend() plt.show()     

运行结果:

从图中可以看出,我们所选取的建议分布 的概率密度函数的 倍,确实是恒大于目标分布的概率密度函数 ,因此满足我们接受-拒绝采样的前提条件。

那么接下来,我们就在此基础上,利用上文中所介绍的接受-拒绝采样算法的具体步骤,来进行实际的样本采样。

代码片段:

       import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from scipy.stats import uniform, norm import seaborn seaborn.set()  # 目标采样分布的概率密度函数 def p(x):     return (0.3 * np.exp(-(x - 0.3) ** 2) + 0.7 * np.exp(-(x - 2.) ** 2 / 0.3)) / 1.2113  # 建议分布 norm_rv = norm(loc=1.4, scale=1.2) # C值 C = 2.5  uniform_rv = uniform(loc=0, scale=1) sample = []  for i in range(100000):     Y = norm_rv.rvs(1)[0]     U = uniform_rv.rvs(1)[0]     if p(Y) >= U * C * norm_rv.pdf(Y):         sample.append(Y)  x = np.arange(-3., 5., 0.01) plt.gca().axes.set_xlim(-3, 5) plt.plot(x, p(x), color='r') plt.hist(sample, color='b', bins=150, normed=True, edgecolor='k') plt.show()     

运行结果:

我们通过接受-拒绝采样方法,进行了10万次的数据采样,最后把采样结果绘制成柱状图。通过运行结果我们发现,柱状图的形状几乎和原始目标分布的概率密度函数曲线完全拟合。由此通过实践证明了这个采样的方法确实是有效的,他高度近似的拟合了原始样本的分布特性。

有了高度近似于实际分布的采样值之后,我们就能够很容易的利用这组样本来对原始的分布进行统计特征的分析,比如均值、方差等数字特征的计算。

此内容节选自我的专栏《机器学习中的数学:概率统计》,前三节可免费试读,欢迎订阅!

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    想象一下,我们的身体就像一个庞大的城市,而细胞就是这个城市里辛勤工作的市民。这些市民需要氧气才能生存和工作,就像城市需要电力一样。但是,就像城市里的电力供应可能会时有时无,有时候充裕,有时候又很紧张,我们身体里的细胞也需要一种机制来感知和应对氧气浓度的变化。2019年的诺贝尔生理学或医学奖,就是颁给.............
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    韦达跳跃:一个关于数论的奇妙故事想象一下,我们生活在一个由数字组成的奇妙世界里。在这个世界里,数字们有着自己的规律和秘密,等待着我们去发现。今天,我们要讲一个关于数字们之间“跳跃”的故事,这个故事的主角叫做“韦达跳跃”。 什么是韦达跳跃?“韦达跳跃”这个名字听起来有点高大上,但其实它描述的是一个非常.............
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    想象一下,我们把一大堆特别特别小的粒子,比如原子,放进一个冷得不能再冷的“冰柜”里。这个“冰柜”可不是普通的冰箱,它能把粒子的温度降到接近绝对零度(273.15℃)。当我们把温度降到这么低的时候,这些原子们就变得非常“听话”了。它们不再像平时那样到处乱跑,各自为政,而是慢慢地、慢慢地,开始“黏”在一.............
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    想象一下,我们日常生活中最熟悉的液体,比如水、牛奶、油,它们都表现得非常“乖巧”。你倒它,它就顺着杯子流下来;你搅它,它就乖乖地转;你拿东西放进去,它也就那么静静地待着。这些,都是我们称为“牛顿流体”的典型代表。它们的“乖巧”程度,和施加在它们身上的力(也就是你搅动、倾倒的动作)是成正比的,而且,它.............
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    嘿,想象一下,我们每个人体内都有一个看不见的“生物钟”,它就像一个精密的计时器,指挥着我们身体的各种活动,比如什么时候该睡觉,什么时候该醒来,什么时候该吃饭,甚至我们体温什么时候最高,什么时候最低。这个神奇的钟,就是我们今天要聊的“昼夜节律”。2017年的诺贝尔生理学或医学奖,就颁给了三位科学家,他.............
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    2020年的诺贝尔生理学或医学奖,颁给了三位杰出的科学家:Harvey J. Alter、Michael Houghton 和 Charles M. Rice,以表彰他们在发现丙型肝炎病毒(HCV)方面所做的开创性工作。这项发现的重要性,就好比是在一场漫长而痛苦的斗争中,终于找到了敌人隐藏的身份,从.............
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    咱们今天就来聊聊一个在投资理财界经常露面的词儿——内部收益率,也就是IRR。听着挺专业的,但其实用大白话讲,它就是评估一个投资项目值不值得干的一个“尺子”。想象一下,你是个小老板,手里有点闲钱,想做个买卖。 这个买卖呢,不是说今天买明天卖就能赚钱,而是说你得投一笔钱进去,然后这个买卖会持续好几年,每.............
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    量子传输:不是“瞬移”,而是“克隆”信息的奥秘你有没有想过,有没有一种办法,能把某个物体的信息瞬间传递到另一个地方,就像科幻电影里的“空间跳跃”一样? 很多时候,我们会把“量子传输”和这种“瞬移”混为一谈,但实际上,它和科幻电影里的那种“把人传过去”的概念,有着本质的区别。通俗点说,量子传输更像是在.............
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    咱们聊聊“分布式系统”,这个词听起来有点儿高大上,但其实道理很简单,就像我们生活中经常遇到的一些事情一样。什么是分布式系统?通俗地讲想象一下,你有一项特别大的工作要做,比如要同时管理全国所有客户的订单,或者要处理海量的数据分析。如果一个人(一台电脑)来做,那简直是分身乏术,忙不过来,而且一旦这个人(.............
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    嘿,咱们今天来聊聊“极大似然估计法”,听着名字挺高大上的,但其实骨子里是个特别接地气的想法。就好比我们平时在生活里做判断一样,只不过它有了一套数学的规矩。先抛开数学,咱们从生活里找个例子。想象一下,你面前有这么一个盒子,里面装了一些红球和蓝球。你不知道里面到底有多少红球,多少蓝球,只知道球的总数是确.............
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    想象一下,你的基因就像一本非常、非常厚的食谱,里面记录了你身体如何建造、如何运转的所有指令。而基因编辑技术,比如CRISPR,就像一把极其精密的“分子剪刀”,它的目标是找到食谱里的一个特定“词语”(也就是DNA序列),然后把它剪掉、替换或者修改。脱靶效应,通俗地说,就是你的分子剪刀不小心剪错了地方。.............
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    想象一下,你现在正身处一个陌生的大城市,手机没电了,也看不懂路边的指示牌,心里有点儿慌。这时候,如果你能随身携带一个能告诉你“你在哪儿,去哪儿”的小帮手,是不是就觉得踏实多了?北斗卫星导航系统,就像是这样一位随时随地守护着我们的“超级导航员”。要理解北斗,我们可以把它想象成一个巨大的、看不见的“宇宙.............
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    咱就聊聊咱们的“中国天眼”FAST,别看它名字里有个“眼”,它可不是个普通的眼睛,更不是用来“看”星星眨不眨眼的。简单来说,FAST 就是一个超级无敌大的“耳朵”,而且是专门用来听宇宙深处传来的声音的。FAST 的“大”和“耳朵”的含义:你想象一下,平时咱们听音乐,用的是小耳朵。但如果有人在很远很远.............
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    罗素悖论:一场搅动数学根基的“思想海啸”想象一下,我们一直以来相信的数学大厦,那严谨、有序、无懈可击的逻辑体系,突然被一颗小小的“石子”动摇了根本。这颗石子,就是二十世纪初由哲学家兼数学家伯特兰·罗素提出的那个让无数人心头一震的悖论——罗素悖论。它不仅给当时风头正劲的数学基础研究带来了巨大的冲击,更.............
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    温暖的拥抱,刺痛的感受——2021年诺贝尔生理学或医学奖带给我们的惊喜想象一下,你走在冬日寒风中,瑟瑟发抖,然后钻进一个暖烘烘的房间,那一瞬间的舒适感扑面而来。又或者,你不小心碰到了滚烫的炉灶,一股尖锐的疼痛瞬间让你缩回手。这些再寻常不过的体验,我们每天都在经历,但它们背后却隐藏着生物学上极其精妙的.............
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    行家们在调查川航那个惊心动魄的备降事件时,提到风挡的密封圈可能出了问题,而且风挡内部好像还有个小小的“夹层”,结果外面来的水汽就悄悄地钻进去了。这话说得可能有点绕,咱们来拆解一下,用大白话聊聊这事儿到底是怎么回事儿。首先,啥叫“风挡”?简单说,飞机前面那块又大又厚的玻璃,就是风挡,也叫挡风玻璃。它可.............

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