如何产生指定分布的随机数?

时间:2024-11-10 20:53:46

参考:/xingshansi/p/
 /p/3d30070932a8
 /pipisorry/article/details/50615652
 /2015/06/generating-normal-distr-variates

常用方法:逆变换法和舍选法

1、逆变换法(反演法)

对任意随机变量 ξ ξ ,设其概率密度分布函数为 P(x) P ( x ) ,其积分分布函数为 P(x)=xp(z)dz P ( x ) = ∫ − ∝ x p ( z ) d z ,只要有均匀分布的另一随机变量 θ θ ,则反函数 ξ=F1(θ) ξ = F − 1 ( θ ) 即可得到,且 ξ ξ 一定服从 P(x) P ( x ) 分布。

逆变换法产生随机数的步骤:
①生成一个服从均匀分布的随机数U~Unit(0,1);
②设F(x)为指定分布的分布函数,则X=F−1(U)X=F−1(U)即为指定分布的随机数。
示例:生成满足λ=2的指数分布随机数。
分析: f(x) f ( x ) 得出 F(x) F ( x ) —> F(x)=1eλx F ( x ) = 1 − e − λ x ,进而求得 F(x) F ( x ) 逆函数,得出 X=F1(u)=1λln(1u) X = F − 1 ( u ) = − 1 λ ln ⁡ ( 1 − u )
代码:

Len = 1000000;
u = rand(1,Len);
lemda = 2;
x = -1/lemda*(log(1-u));

这里写图片描述
常见分布的生成函数:
(1)瑞利分布

Fr(x)=1ex2/(2σ2) F r ( x ) = 1 − e − x 2 / ( 2 σ 2 )
x=2σ2ln(1μ) ⇒ x = − 2 σ 2 l n ( 1 − μ )

(2)威布尔分布

Fw(x)=1e(x/λ)k F w ( x ) = 1 − e − ( x / λ ) k
x=λ[ln(1μ)]1/k ⇒ x = λ [ − l n ( 1 − μ ) ] 1 / k

(3)对数正态分布
由于对数正态分布的累积分布函数不存在解析式,因此不能直接给出其生成函数。若x服从对数正态分布,则有y=ln x服从正态分布。根据这一思想,对应的随机序列仿真步骤如下:
步骤1:生成高斯序列 yN(μ,σ2) y ∼ N ( μ , σ 2 )
步骤2:用 x=F1(y)=exp(y) x = F − 1 ( y ) = e x p ( y ) 即可得到对数正态分布序列。

(4)K分布
由于K分布的累积分布函数没有解析式,故不能采用逆变换法生成随机数。由于K分布把杂波看作是功率收一随机过程调制的复高斯过程,可以用两个独立的、具有不同相关时间随机变量的乘积形式来描述其幅度统计特性。K分布随机序列可通过以下两步得到:
步骤1:生成瑞利分布序列G(n)和伽马分布随机序列S(n);
步骤2:利用公式 z(n)=S(n)G(n) z ( n ) = S ( n ) G ( n ) 生成K分布序列。

2、舍选法

舍选法基本思想是利用拒绝采样,通过设定一个程序可抽样的分布q(x)比如正态分布等等,然后按照一定的方法拒绝某些样本,达到接近p(x)分布的目的。


红色的是p(z), 蓝色的是q(z),我们对q(z)乘一个参数k,让k能正好包住p(z),那么对于每一个从q(z)得到的样本z0,我们有一定的概率接受它,概率的大小就是p(z0) / kq(z0)。很容易就能看出来,在p(z)和kq(z)相切的地方的采样,接受率就是1。那么有人问了,接受率能计算出来,但是我们对于一个样本z0,到底怎么判断是接受还是不接受啊?我们有u~Uniform[0,1],对于每一个样本z0,我们一个u0,如果u0 <= p(z0) / kq(z0),我们就接受,否则就拒绝。重复此过程,得到的样本就服从分布p(z)。
步骤:
①产生样本 z0q(z) z 0 ∈ q ( z ) u0uniform[0,1] u 0 ∈ u n i f o r m [ 0 , 1 ]
②若 u0p(z0)/kq(z0) u 0 ≤ p ( z 0 ) / k q ( z 0 ) ,则接受 z0 z 0
③重复上述过程
④接受的样本服从 p(z) p ( z ) 分布
例子:对截断正态分布采样如下图

程序:

clear
k = normpdf(4.0/3,1,1)/normpdf(4.0/3,0,2);
N = 50000;
a = [];
for i=1:N
    accept = 0;
    while accept==0
        u = rand();
        z = normrnd(0,2); %产生随机数,满足正态分布
        %判定条件
        if z<=4 && z>=0 && u<=normpdf(z,1,1)/(k*normpdf(z,0,2))
            accept = 1;
            a = [a;z];
        end
    end
end
%显示结果
hist(a,5000)

结果: