C# :: Aufgabe #195 :: Lösung #2
3 Lösungen

#195
Berechnung des mittleren Punktabstandes in geometrischen Formen
Anfänger - C#
von hollst
- 17.12.2017 um 21:21 Uhr
In mathebord regt man sich u. a. darüber auf,
dass man bei einer Monte-Carlo-Simulation zur Berechnung des mittleren Abstandes
zweier Punkte in einem Rechteck über 4 Sekunden benötigt (bei 1 Mio. zufälligen Experimenten).
Außerdem wird in der Antwort vom 22.10.2013 (23:10) auch noch ein falsches Ergebnis unkommentiert präsentiert.
Nun gut, das war vor etwa 5 Jahren und Hard- sowie verwendete Software waren auch nicht Stand der damaligen Technik.
Wir wollen versuchen, es hier schneller und besser zu bewerkstelligen.
Aufgabenstellung: Für die fünf (euklidischen) Formen gerade Linie, Quadrat, Rechteck, Kreis und Ellipse
schätze man den mittleren Abstand zweier Punkte innerhalb der genannten geometrischen Formen ab, bezogen auf den Umfang der entsprechenden Form. Die Umfangspunkte gehören mit zu der Form. Für die Linie sei der Umfang die doppelte Linienlänge
(Rechteck mit zwei verschwindend kleinen Parallelseiten).
Die Simulation soll mittels 1.000.000 Zufallsexperimenten vorgenommen werden.
dass man bei einer Monte-Carlo-Simulation zur Berechnung des mittleren Abstandes
zweier Punkte in einem Rechteck über 4 Sekunden benötigt (bei 1 Mio. zufälligen Experimenten).
Außerdem wird in der Antwort vom 22.10.2013 (23:10) auch noch ein falsches Ergebnis unkommentiert präsentiert.
Nun gut, das war vor etwa 5 Jahren und Hard- sowie verwendete Software waren auch nicht Stand der damaligen Technik.
Wir wollen versuchen, es hier schneller und besser zu bewerkstelligen.
Aufgabenstellung: Für die fünf (euklidischen) Formen gerade Linie, Quadrat, Rechteck, Kreis und Ellipse
schätze man den mittleren Abstand zweier Punkte innerhalb der genannten geometrischen Formen ab, bezogen auf den Umfang der entsprechenden Form. Die Umfangspunkte gehören mit zu der Form. Für die Linie sei der Umfang die doppelte Linienlänge
(Rechteck mit zwei verschwindend kleinen Parallelseiten).
Die Simulation soll mittels 1.000.000 Zufallsexperimenten vorgenommen werden.
#2

von daniel59 (4260 Punkte)
- 11.01.2018 um 09:46 Uhr

using System; using System.Collections.Generic; using System.Diagnostics; using System.Linq; using System.Threading.Tasks; namespace ConsoleMittlererPunktabstand { class Program { static readonly Random rnd = new Random(); static void Main(string[] args) { int iterations = 1000000; double maxWidth = 1; double maxHeight = 1; Stopwatch sw = new Stopwatch(); sw.Start(); Task<double> taskLineExperiment = Task.Factory.StartNew(() => LineExperiment(iterations, maxWidth)); Task<double> taskSquareExperiment = Task.Factory.StartNew(() => SquareExperiment(iterations, maxWidth)); Task<double> taskRectangleExperiment = Task.Factory.StartNew(() => RectangleExperiment(iterations, maxWidth, maxHeight)); Task<double> taskCircleExperiment = Task.Factory.StartNew(() => CircleExperiment(iterations, maxWidth)); Task<double> taskEllipseExperiment = Task.Factory.StartNew(() => EllipseExperiment(iterations, maxWidth, maxHeight)); Task.WaitAll(taskLineExperiment, taskSquareExperiment, taskRectangleExperiment, taskCircleExperiment, taskEllipseExperiment); sw.Stop(); Console.WriteLine($"{nameof(LineExperiment)}: {taskLineExperiment.Result}"); Console.WriteLine($"{nameof(SquareExperiment)}: {taskSquareExperiment.Result}"); Console.WriteLine($"{nameof(RectangleExperiment)}: {taskRectangleExperiment.Result}"); Console.WriteLine($"{nameof(CircleExperiment)}: {taskCircleExperiment.Result}"); Console.WriteLine($"{nameof(EllipseExperiment)}: {taskEllipseExperiment.Result}"); Console.WriteLine($"Benötigte Zeit: {sw.Elapsed}"); Console.ReadLine(); } static double LineExperiment(int iterations, double maxWidth) { return CreateManyForms(EuclidianType.Line, iterations, maxWidth).Average(a => CalcDistance(a)); } static double SquareExperiment(int iterations, double maxWidth) { return CreateManyForms(EuclidianType.Square, iterations, maxWidth).Average(a => CalcDistance(a)); } static double RectangleExperiment(int iterations, double maxWidth, double maxHeight) { return CreateManyForms(EuclidianType.Rectangle, iterations, maxWidth, maxHeight).Average(a => CalcDistance(a)); } static double CircleExperiment(int iterations, double maxWidth) { return CreateManyForms(EuclidianType.Circle, iterations, maxWidth).Average(a => CalcDistance(a)); } static double EllipseExperiment(int iterations, double maxWidth, double maxHeight) { return CreateManyForms(EuclidianType.Ellipse, iterations, maxWidth, maxHeight).Average(a => CalcDistance(a)); } static double CalcDistance(EuclidianForm form) { if (form != null) { Point first = form.GeneratePoint(); Point second = form.GeneratePoint(); Vector diff = second - first; return diff.Length / form.Umfang; } else { return double.NaN; } } static EuclidianForm CreateRandomForm(EuclidianType type, double maxWidth, double maxHeight = 0) { EuclidianForm form = new EuclidianForm(); form.Type = type; lock (rnd) { double w = rnd.NextDouble(); double h; form.Width = maxWidth * w; if (maxHeight != 0) { h = rnd.NextDouble(); form.Height = maxHeight * h; } } return form; } static IEnumerable<EuclidianForm> CreateManyForms(EuclidianType type, int iterations, double maxWidth, double maxHeight = 0) { for (int i = 0; i < iterations; i++) { yield return CreateRandomForm(type, maxWidth, maxHeight); } } } class EuclidianForm { private static readonly Random rnd = new Random(); public EuclidianType Type { get; set; } private double width = 1; public double Width { get { return width; } set { width = value; if (Type == EuclidianType.Circle || Type == EuclidianType.Square) { height = value; } } } private double height = 1; public double Height { get { return height; } set { if (Type != EuclidianType.Line) { height = value; if (Type == EuclidianType.Circle || Type == EuclidianType.Square) { width = value; } } } } public double Umfang => calcUmfang(); #region Erzeugen von zufälligen Punkten public Point GeneratePoint() { switch (Type) { case EuclidianType.Line: return GeneratePointLine(); case EuclidianType.Square: return GeneratePointSquare(); case EuclidianType.Rectangle: return GeneratePointRectangle(); case EuclidianType.Circle: return GeneratePointCircle(); case EuclidianType.Ellipse: return GeneratePointEllipse(); default: throw new ArgumentException(); } } private Point GeneratePointLine() { Point p = new Point(); lock (rnd) { p.X = Width * rnd.NextDouble(); p.Y = 0; } return p; } private Point GeneratePointSquare() { Point p = new Point(); lock (rnd) { p.X = Width * rnd.NextDouble(); p.Y = Width * rnd.NextDouble(); } return p; } private Point GeneratePointRectangle() { Point p = new Point(); lock (rnd) { p.X = Width * rnd.NextDouble(); p.Y = Height * rnd.NextDouble(); } return p; } private Point GeneratePointCircle() { Point p = new Point(); lock (rnd) { double radius = Width / 2; double x = rnd.NextDouble() * Width - radius; double maxY = Math.Sqrt(radius * radius - x * x); double minY = -maxY; double y = (maxY - minY) * rnd.NextDouble() + minY; p.X = x; p.Y = y; } return p; } private Point GeneratePointEllipse() { Point p = new Point(); lock (rnd) { double a = Width / 2; double b = Height / 2; double x = rnd.NextDouble() * Width - a; double maxY = Math.Sqrt((b * b) - ((b * b) / (a * a)) * (x * x)); double minY = -maxY; double y = (maxY - minY) * rnd.NextDouble() + minY; p.X = x; p.Y = y; } return p; } #endregion private double calcUmfang() { switch (Type) { case EuclidianType.Line: return 2 * Width; case EuclidianType.Square: return 4 * Width; case EuclidianType.Rectangle: return 2 * Width + 2 * Height; case EuclidianType.Circle: return Math.PI * Width; case EuclidianType.Ellipse: //Näherungsformel nach Ramanujan double a = Width / 2; double b = Height / 2; double l = Math.Pow(((a - b) / (a + b)), 2) * 3; return Math.PI * (a + b) * (1 + (l / (10 + Math.Sqrt(4 - l)))); default: return double.NaN; } } } class Point { public double X { get; set; } public double Y { get; set; } public static Vector operator +(Point left, Point right) => new Vector() { X = left.X + right.X, Y = left.Y + right.Y }; public static Vector operator -(Point left, Point right) => new Vector() { X = left.X - right.X, Y = left.Y - right.Y }; } class Vector : Point { public double Length => Math.Sqrt(X * X + Y * Y); } enum EuclidianType { Line, Square, Rectangle, Circle, Ellipse } }
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