随机漫步及其 Python 实现

源内容(英文)

随机漫步是一种数学概念,用于描述由一系列随机步骤组成的路径。它也被称为随机过程,可以在数轴或二维网格等空间中可视化。

最简单的例子之一是数轴上的随机漫步:

  • 从 0 开始。
  • 每一步以相等的概率向 +1 或 -1 移动。

但随机漫步不仅仅局限于数字。它们还可以模拟:

  • 气体或液体中分子的运动
  • 动物的觅食行为
  • 股票市场价格波动
  • 赌徒的财务结果

由于用途广泛,随机漫步被应用于许多领域,如:

  • 生物学
  • 化学
  • 物理学
  • 计算机科学
  • 心理学
  • 经济学

在本文中,我们将使用 Python 模拟随机漫步——包括一维二维。我们将生成随机路径并通过绘图将它们可视化。

所需模块:

1. matplotlib: 它是一个外部库,可以帮助您绘制曲线。要安装此库,请在 cmd 中键入以下代码。

pip install matplotlib

2. numpy: 它也是 Python 中的一个外部库,可以帮助您处理数组和矩阵。要安装该库,请在 cmd 中键入以下代码。

pip install numpy

3. random: 它是 Python 的内置库,用于生成随机点,因此不需要任何安装。

Python 中的 1D 随机漫步

此示例模拟了一维随机漫步。漫步者从固定点出发,根据随机机会向左或向右移动。

Python


CODEBLOCK_578e69a0

输出:

!image

解释:

  • 漫步者从位置 2 开始。
  • 在每一步,他们可能会根据生成的概率向上向下移动或原地不动
  • 漫步被限制在位置 1 和 4 之间。
  • 使用 matplotlib 可视化最终路径。

Python 中的 2D 随机漫步

在更高维度中,随机漫步变得更加有趣。与一维中简单的来回移动不同,二维随机漫步可以向四个方向移动——上、下、左或右——这使得路径更加复杂且在视觉上更具吸引力。

经过许多步骤,这些路径可以形成类似于分形的形状——不规则但具有自相似性的形状。这些模式可以帮助我们研究随机性、几何结构以及在更动态环境(如气体分子、动物觅食路径或股价变化)中的运动。

Python


CODEBLOCK_f9624649

输出:

!image

解释:

  • 我们模拟了n步,将每一步的xy坐标存储在单独的数组中。
  • 在每一步,漫步者随机选择四个方向之一。
  • 随着时间的推移,漫步会产生一条类似分形的路径,看起来随机但具有潜在的结构。

现实世界中的应用

  • 在计算机网络中,随机漫步可以对服务器缓冲的传输数据包数量进行建模。
  • 在群体遗传学中,随机漫步描述了遗传漂变的统计特性。
  • 在图像分割中,随机漫步用于确定要与每个像素关联的标签(即“对象”或“背景”)。
  • 在大脑研究中,随机漫步和强化随机漫步用于对大脑神经元发放的级联进行建模。
  • 随机漫步也被用于对大型在线图(如在线社交网络)进行采样。

> 另请阅读:分形NumpyMatplotlib、[Random Module](https

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