NumPy: مشروع — محاكاة مونت كارلو
آخر تحديث: 2026-08-26
1. مشروع: محاكاة مونت كارلو
(1) السيناريو
Alice تحتاج إلى تقييم مخاطر المحفظة — القيمة المعرضة للخطر (VaR) ليس لها صيغة مغلقة. طرق التباين-التباين التقليدية تفترض التوزيعات الطبيعية، مما يقلل بشدة من تقدير مخاطر الذيل. تستخدم محاكاة مونت كارلو لنمذجة 100,000 مسار سعري.
(1) طريقة مونت كارلو
الفكرة الأساسية: استخدام العديد من العينات العشوائية لتقريب القيم الحقيقية. عندما تكون المشكلات معقدة جدًا للحلول التحليلية، تكون المحاكاة هي الطريقة الوحيدة.
import numpy as np
rng = np.random.default_rng(42)
N = 100_000
x = rng.random(N)
y = rng.random(N)
inside = (x**2 + y**2) <= 1.0
pi_est = 4 * inside.mean()
print(f"Pi estimate: {pi_est:.6f}")
print(f"Actual pi: {np.pi:.6f}")
print(f"Error: {abs(pi_est - np.pi):.6f}")
(2) تقدير Pi
print("=== Monte Carlo Estimation of Pi ===\n")
for N in [1_000, 10_000, 100_000, 1_000_000]:
x = rng.random(N)
y = rng.random(N)
inside = (x**2 + y**2) <= 1.0
pi_est = 4 * inside.mean()
error = abs(pi_est - np.pi)
print(f"N={N:>9,d} Pi≈{pi_est:.6f} Error={error:.6f}")
(3) المشي العشوائي
N = 1000
n_sim = 10_000
steps = rng.choice([-1, 1], size=(n_sim, N))
final_pos = steps.sum(axis=1)
print(f"Final position statistics ({n_sim} simulations):")
print(f" Mean: {final_pos.mean():.2f} (theory: 0)")
print(f" Std: {final_pos.std():.2f} (theory: {np.sqrt(N):.2f})")
print(f" Min: {final_pos.min()}")
print(f" Max: {final_pos.max()}")
(4) تسعير الخيارات
S0 = 100
K = 105
r = 0.05
sigma = 0.20
T = 1.0
for n_sim in [10_000, 100_000, 1_000_000]:
z = rng.standard_normal(n_sim)
ST = S0 * np.exp((r - 0.5 * sigma**2) * T + sigma * np.sqrt(T) * z)
call_payoff = np.maximum(ST - K, 0)
put_payoff = np.maximum(K - ST, 0)
call_price = np.exp(-r * T) * call_payoff.mean()
put_price = np.exp(-r * T) * put_payoff.mean()
call_se = np.exp(-r * T) * call_payoff.std() / np.sqrt(n_sim)
print(f"N={n_sim:>9,d}")
print(f" Call: {call_price:.4f} ± {1.96*call_se:.4f}")
print(f" Put: {put_price:.4f}")
(5) فترات الثقة بطريقة Bootstrap
data = rng.exponential(scale=2.0, size=50)
n = len(data)
B = 10_000
idx = rng.integers(0, n, size=(B, n))
boot_samples = data[idx]
boot_means = boot_samples.mean(axis=1)
ci = np.percentile(boot_means, [2.5, 97.5])
print(f"Bootstrap 95% CI for mean: [{ci[0]:.3f}, {ci[1]:.3f}]")
print(f"Sample mean: {data.mean():.3f}")
▶ مثال: تقدير Pi باستخدام مونت كارلو (الصعوبة ⭐⭐)
import numpy as np
rng = np.random.default_rng(42)
N = 100_000
x = rng.random(N)
y = rng.random(N)
inside = (x**2 + y**2) <= 1.0
pi_est = 4 * inside.mean()
print(f"Estimated Pi: {pi_est:.6f}")
print(f"Actual Pi: {np.pi:.6f}")
print(f"Error: {abs(pi_est - np.pi):.6f}")
المخرجات:
# تم التنفيذ بنجاح
المخرجات:
TEXT 📖 للعرض فقطEstimated Pi: 3.141920 Actual Pi: 3.141593 Error: 0.000327
▶ مثال: محاكاة المشي العشوائي (الصعوبة ⭐⭐)
import numpy as np
rng = np.random.default_rng(42)
n_steps = 1000
n_simulations = 100
# جميع المسارات مرة واحدة باستخدام التوجيه
steps = rng.choice([-1, 1], size=(n_simulations, n_steps))
positions = np.cumsum(steps, axis=1)
final = positions[:, -1]
print(f"Mean final position: {final.mean():.2f}")
print(f"Std final position: {final.std():.2f}")
print(f"Min: {final.min()}, Max: {final.max()}")
المخرجات:
# تم التنفيذ بنجاح
المخرجات:
TEXT 📖 للعرض فقطMean final position: -0.80 Std final position: 31.72 Min: -78, Max: 72
▶ مثال: فترات الثقة بطريقة Bootstrap (الصعوبة ⭐⭐⭐)
import numpy as np
rng = np.random.default_rng(42)
data = rng.exponential(scale=2.0, size=50)
n = len(data)
B = 10_000
indices = rng.integers(0, n, size=(B, n))
boot_means = data[indices].mean(axis=1)
ci = np.percentile(boot_means, [2.5, 97.5])
print(f"Sample mean: {data.mean():.3f}")
print(f"95% CI: [{ci[0]:.3f}, {ci[1]:.3f}]")
print(f"CI width: {ci[1] - ci[0]:.3f}")
المخرجات:
# تم التنفيذ بنجاح
المخرجات:
TEXT 📖 للعرض فقطSample mean: 2.165 95% CI: [1.738, 2.644] CI width: 0.906
❓ أسئلة شائعة
📖 ملخص
في هذا المشروع طبقت:
- محاكاة مونت كارلو: أخذ عينات عشوائية + تجميع
- تقدير Pi: الاحتمال الهندسي باستخدام
rng.random - المشي العشوائي:
cumsumلمحاكاة المسار - تسعير الخيارات: حساب العائد المتجه
- Bootstrap:
rng.choiceمع الإرجاع لفترات الثقة - كل ذلك مدعوم بتوجيه NumPy — بدون حلقات Python
📝 تمارين
-
مبتدئ (الصعوبة ⭐): عدّل تقدير Pi لاستخدام 1,000,000 نقطة. كيف يتغير الخطأ مقارنة بـ 100,000؟
-
متوسط (الصعوبة ⭐⭐): نفذ مشيًا عشوائيًا ثنائي الأبعاد. كل خطوة تتحرك في واحد من 4 اتجاهات (أعلى/أسفل/يسار/يمين). محاكاة 10,000 مسار من 1000 خطوة واحسب متوسط المسافة النهائية من نقطة الأصل.
-
متقدم (الصعوبة ⭐⭐⭐): قم بتسعير خيار آسيوي (العائد يعتمد على متوسط السعر على طول المسار) باستخدام مونت كارلو. قارن السعر بخيار أوروبي بنفس المعايير. اشرح لماذا الخيار الآسيوي أرخص.