Méthodes de Monte Carlo stratifiées pour la simulation des chaines de Markov

Stratified Monte Carlo Methods for the simulation of Markov chains

• Auteur / Autrice : Joseph El maalouf
• Direction : Christian Lécot, Rami El Haddad
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques Appliquées
• Date : Soutenance le 16/12/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE) en cotutelle avec Université Saint-Joseph (Beyrouth)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences et technologies de l'information, informatique (Grenoble ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mathématiques (Chambéry)
• Jury : Président / Présidente : Toni Sayah
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nabil Nassif
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christiane Lemieux, Antoine Lejay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Monte-Carlo, Méthode de

Champs aléatoires de Markov

Probabilités

Mots clés libres

Méthodes de Monte Carlo

Techniques de stratification

Stratification sudoku

Chaines de Markov

Diffusion

Fragmentation

Monte Carlo methods

Stratification

Sudoku stratification

Markov chains

Diffusion

Fragmentation

Résumé

Les méthodes de Monte Carlo sont des méthodes probabilistes qui utilisent des ordinateurs pour résoudre de nombreux problèmes de la science à l’aide de nombres aléatoires. Leur principal inconvénient est leur convergence lente. La mise au point de techniques permettant d’accélérer la convergence est un domaine de recherche très actif. C’est l’objectif principal des méthodes déterministes quasi-Monte Carlo qui remplacent les points pseudo-aléatoires de simulation par des points quasi-aléatoires ayant une excellente répartition uniforme. Ces méthodes ne fournissent pas d’intervalles de confiance permettant d’estimer l’erreur. Nous étudions dans ce travail des méthodes stochastiques qui permettent de réduire la variance des estimateurs Monte Carlo : ces techniques de stratification le font en divisant le domaine d’échantillonnageen sous-domaines. Nous examinons l’intérêt de ces méthodes pour l’approximation des chaînes de Markov, la simulation de la diffusion physique et la résolution numérique de la fragmentation.Dans un premier chapitre, nous présentons les méthodes de Monte Carlo pour l’intégration numérique. Nous donnons le cadre général des méthodes de stratification. Nous insistons sur deux techniques : la stratification simple (MCS) et la stratification Sudoku (SS), qui place les points sur des grilles analogues à celle du jeu. Nous pressentons également les méthodesquasi-Monte Carlo qui partagent avec les méthodes de stratification certaines propriétés d'équipartition des points d’échantillonnage.Le second chapitre décrit l’utilisation des méthodes de Monte Carlo stratifiées pour la simulation des chaînes de Markov. Nous considérons des chaînes homogènes uni-dimensionnelles à espace d’états discret ou continu. Dans le premier cas, nous démontrons une réduction de variance par rapport `a la méthode de Monte Carlo classique ; la variance des schémas MCSou SS est d’ordre 3/2, alors que celle du schéma MC est de 1. Les résultats d’expériences numériques, pour des espaces d’états discrets ou continus, uni- ou multi-dimensionnels montrent une réduction de variance liée à la stratification, dont nous estimons l’ordre.Dans le troisième chapitre, nous examinons l’intérêt de la méthode de stratification Sudoku pour la simulation de la diffusion physique. Nous employons une technique de marche aléatoire et nous examinons successivement la résolution d’une équation de la chaleur, d’une équation de convection-diffusion, de problèmes de réaction-diffusion (équations de Kolmogorov et équation de Nagumo) ; enfin nous résolvons numériquement l’équation de Burgers. Dans chacun de ces cas, des tests numériques mettent en évidence une réduction de la variance due à l’emploi de la méthode de stratification Sudoku.Le quatrième chapitre décrit un schéma de Monte Carlo stratifie permettant de simuler un phénomène de fragmentation. La comparaison des performances dans plusieurs cas permet de constater que la technique de stratification Sudoku réduit la variance d’une estimation Monte Carlo. Nous testons enfin un algorithme de résolution d’un problème inverse, permettant d’approcher le noyau de fragmentation, à partir de résultats de l’évolution d’une distribution ;nous utilisons dans ce cas des points quasi-Monte Carlo pour résoudre le problème direct.

Monte Carlo methods are probabilistic schemes that use computers for solving various scientific problems with random numbers. The main disadvantage to this approach is the slow convergence. Many scientists are working hard to find techniques that may accelerate Monte Carlo simulations. This is the aim of some deterministic methods called quasi-Monte Carlo, where random points are replaced with special sets of points with enhanced uniform distribution. These methods do not provide confidence intervals that permit to estimate the errordone. In the present work, we are interested with random methods that reduce the variance of a Monte Carlo estimator : the stratification techniques consist of splitting the sampling area into strata where random samples are chosen. We focus here on applications of stratified methods for approximating Markov chains, simulating diffusion in materials, or solving fragmentationequations.In the first chapter, we present Monte Carlo methods in the framework of numerical quadrature, and we introduce the stratification strategies. We focus on two techniques : the simple stratification (MCS) and the Sudoku stratification (SS), where the points repartitions are similar to Sudoku grids. We also present quasi-Monte Carlo methods, where quasi-random pointsshare common features with stratified points.The second chapter describes the use of stratified algorithms for the simulation of Markov chains. We consider time-homogeneous Markov chains with one-dimensional discrete or continuous state space. We establish theoretical bounds for the variance of some estimator, in the case of a discrete state space, that indicate a variance reduction with respect to usual MonteCarlo. The variance of MCS and SS methods is of order 3/2, instead of 1 for usual MC. The results of numerical experiments, for one-dimensional or multi-dimensional, discrete or continuous state spaces show improved variances ; the order is estimated using linear regression.In the third chapter, we investigate the interest of stratified Monte Carlo methods for simulating diffusion in various non-stationary physical processes. This is done by discretizing time and performing a random walk at every time-step. We propose algorithms for pure diffusion, for convection-diffusion, and reaction-diffusion (Kolmogorov equation or Nagumo equation) ; we finally solve Burgers equation. In each case, the results of numerical tests show an improvement of the variance due to the use of stratified Sudoku sampling.The fourth chapter describes a stratified Monte Carlo scheme for simulating fragmentation phenomena. Through several numerical comparisons, we can see that the stratified Sudoku sampling reduces the variance of Monte Carlo estimates. We finally test a method for solving an inverse problem : knowing the evolution of the mass distribution, it aims to find a fragmentation kernel. In this case quasi-random points are used for solving the direct problem.