몬테카를로 시뮬레이션 기초
난수를 반복해서 추출하여 pi와 기타 수량을 추정합니다.
몬테카를로 시뮬레이션 기초은(는) CoddyKit의 무료 R Academy 강의입니다. 이것은 4개 중 3번째 강의입니다. 아래에서 전체 강의를 무료로 읽을 수 있으며, 내장 코드 에디터와 24/7 AI 튜터와 함께 브라우저에서 직접 실습할 수 있습니다. 이 강의는 R Academy 학습 경로의 일부이며, 진행 상황이 웹과 CoddyKit 앱에 동기화됩니다. R Academy 강의에는 총 4개의 강의가 포함되어 있습니다.
몬테카를로란 무엇인가요?
몬테카를로 시뮬레이션은 해석적으로 계산하기 어려운 양을 추정하기 위해 반복적인 무작위 표본 추출을 사용합니다. 모나코의 카지노 이름에서 유래했으며, 금융, 물리학, 통계학, 인공지능에서 적분, 최적화, 추론에 활용됩니다.
# Core idea: approximate deterministic quantities
# using random sampling and the Law of Large Numbers
# Example: estimate probability that sum of two dice > 8
set.seed(42)
n <- 10000
die1 <- sample(1:6, n, replace = TRUE)
die2 <- sample(1:6, n, replace = TRUE)
total <- die1 + die2
# Monte Carlo estimate
mc_estimate <- mean(total > 8)
cat('MC estimate P(sum > 8):', mc_estimate, '\n')
# Exact probability
exact <- sum(outer(1:6, 1:6, '+') > 8) / 36
cat('Exact probability:', exact)무작위 점으로 파이 추정하기
고전적인 몬테카를로 예제에서는 단위 정사각형 안에 점을 무작위로 배치합니다. 단위원 안에 들어간 점의 비율은 π/4를 추정합니다. n → ∞이면 추정값은 π에 수렴합니다.
set.seed(42)
n <- 100000
# Random points in [-1, 1] x [-1, 1] unit square
x <- runif(n, -1, 1)
y <- runif(n, -1, 1)
# Check if inside unit circle: x^2 + y^2 <= 1
inside <- (x^2 + y^2) <= 1
# Pi estimate: fraction inside * area of square
pi_estimate <- 4 * mean(inside)
cat('Pi estimate:', pi_estimate, '\n')
cat('True pi:', pi, '\n')
cat('Error:', abs(pi_estimate - pi))기댓값 추정하기
몬테카를로 적분에서는 X₁,...,Xₙ이 iid 추출값일 때 E[f(X)] ≈ (1/n) Σ f(Xᵢ)로 계산합니다. a부터 b까지 g(x)를 적분하려면 Uniform(a,b)에서 x를 표본 추출하고, E[g(X)] ≈ (b-a) * mean(g(samples))로 계산합니다.
set.seed(42)
# Estimate integral of sin(x) from 0 to pi
# Exact value = 2
n <- 50000
x_samples <- runif(n, min = 0, max = pi)
integrand_vals <- sin(x_samples)
# MC estimate = (b-a) * mean(f(x))
mc_integral <- pi * mean(integrand_vals) # (pi - 0) * mean
cat('MC estimate of integral:', mc_integral, '\n')
cat('Exact value: 2\n')
cat('Error:', abs(mc_integral - 2), '\n')
# Standard error of the estimate
se <- pi * sd(integrand_vals) / sqrt(n)
cat('Standard error:', se)반복 시뮬레이션을 위한 replicate()
replicate(n, expr)는 시뮬레이션을 n번 실행하고 결과를 모으는 R의 기본 제공 함수입니다. 간단한 시뮬레이션에서는 for 반복문보다 더 깔끔하며, 벡터나 행렬을 반환합니다.
set.seed(42)
# Simulate sample mean of 30 N(0,1) draws
# Repeat 10000 times to study sampling distribution
sample_means <- replicate(10000, {
x <- rnorm(30) # sample of 30
mean(x) # compute mean
})
# Central Limit Theorem: sample mean ~ N(0, 1/sqrt(30))
mean(sample_means) # ~0
sd(sample_means) # ~1/sqrt(30) = 0.183
# 95% CI width
diff(quantile(sample_means, c(0.025, 0.975)))
# Compare to theoretical
2 * 1.96 / sqrt(30)대수의 법칙 시연
대수의 법칙에 따르면 n이 증가할수록 표본평균은 참평균에 수렴합니다. R에서 이 수렴을 관찰하면 몬테카를로 방법이 작동하는 이유와 추정값이 안정화되는 속도를 이해할 수 있습니다.
set.seed(42)
# Rolling a fair die: true mean = 3.5
n_max <- 10000
rolls <- sample(1:6, n_max, replace = TRUE)
cumulative_means <- cumsum(rolls) / seq_along(rolls)
# Show convergence at different sample sizes
ns <- c(10, 100, 1000, 5000, 10000)
results <- data.frame(
n = ns,
mean = cumulative_means[ns],
error = abs(cumulative_means[ns] - 3.5)
)
print(results)
# Error decreases as n increases분산 감소: 대조 변량
균등 표본 u와 그 여 complement인 (1-u)를 대조 쌍으로 사용하십시오. 두 값의 음의 상관관계는 동일한 함수 평가 횟수로 추정량의 분산을 최대 50%까지 줄입니다.
set.seed(42)
n <- 1000
# Standard MC: estimate E[exp(U)] where U~Uniform(0,1)
# True value = e - 1 = 1.718282
u <- runif(n)
mc_std <- mean(exp(u))
# Antithetic variates: use u AND 1-u
u_anti <- runif(n/2)
mc_anti <- mean((exp(u_anti) + exp(1 - u_anti)) / 2)
cat('True value:', exp(1) - 1, '\n')
cat('Standard MC:', mc_std, '\n')
cat('Antithetic MC:', mc_anti, '\n')
# Variance comparison
var_std <- var(exp(runif(10000)))
var_anti <- var((exp(runif(5000)) + exp(1 - runif(5000)))/2)
cat('Variance ratio (anti/std):', var_anti/var_std)통제 변량
통제 변량은 기댓값이 알려져 있고 목표량과 상관된 함수입니다. 이 값을 적절히 조정하여 빼면 분산을 줄일 수 있습니다. 대표적인 예로, 평균을 알고 있는 상관 함수 g(X)를 사용하여 E[f(X)]를 추정하는 방법이 있습니다.
set.seed(42)
n <- 5000
# Estimate E[exp(U)] where U~Uniform(0,1)
# True: e - 1 = 1.71828
# Control variate: g(U) = U, E[U] = 0.5
u <- runif(n)
f_vals <- exp(u) # target
g_vals <- u # control variate
# Optimal coefficient c = -Cov(f,g)/Var(g)
c_star <- -cov(f_vals, g_vals) / var(g_vals)
# Control variate estimator
mc_cv <- mean(f_vals + c_star * (g_vals - 0.5))
cat('Standard MC:', mean(f_vals), '\n')
cat('Control variate MC:', mc_cv, '\n')
cat('True value:', exp(1) - 1)
# Variance reduction factor
var(f_vals) / var(f_vals + c_star * (g_vals - 0.5))확률 추정을 위한 몬테카를로
몬테카를로 방법은 해석적으로 다루기 어려운 복잡한 확률을 추정하는 데 뛰어납니다. 무작위 과정을 여러 번 시뮬레이션하고 사건이 발생한 횟수의 비율을 계산합니다.
set.seed(123)
# Birthday problem: P(at least 2 people share birthday)
# in a group of n people
birtday_collision <- function(n_people) {
birthdays <- sample(1:365, n_people, replace = TRUE)
length(birthdays) != length(unique(birthdays))
}
# Estimate for groups of size 10, 23, 50
sizes <- c(10, 23, 50)
for (sz in sizes) {
p <- mean(replicate(5000, birt_day_collision <- {
bd <- sample(1:365, sz, replace = TRUE)
length(bd) != length(unique(bd))
}))
cat('n =', sz, ': P(collision) ~', round(p, 3), '\n')
}기하 브라운 운동 시뮬레이션
주가는 흔히 기하 브라운 운동으로 모델링합니다. S(t+dt) = S(t) * exp((μ - σ²/2)dt + σ√dt * Z)이며, Z~N(0,1)입니다. 몬테카를로 방법은 옵션 가격을 계산하기 위한 주가 경로를 생성합니다.
set.seed(42)
S0 <- 100 # initial price
mu <- 0.05 # annual drift
sigma <- 0.2 # annual volatility
T <- 1 # 1 year
n_steps <- 252 # daily steps
dt <- T / n_steps
# Simulate one price path
Z <- rnorm(n_steps)
log_returns <- (mu - 0.5 * sigma^2) * dt + sigma * sqrt(dt) * Z
price_path <- S0 * exp(cumsum(log_returns))
cat('Final price:', round(price_path[n_steps], 2), '\n')
cat('Min price:', round(min(price_path), 2), '\n')
cat('Max price:', round(max(price_path), 2))MC 옵션 가격 산정
몬테카를로 방법으로 유럽형 콜옵션의 가격을 계산하려면 최종 주가를 여러 번 시뮬레이션하고, max(S_T - K, 0)으로 수익을 계산한 다음, 평균 수익을 e^(-rT)만큼 할인합니다.
set.seed(42)
S0 <- 100; K <- 105; r <- 0.05; sigma <- 0.2; T <- 1
n_sim <- 50000
# Final stock prices under risk-neutral measure
Z <- rnorm(n_sim)
ST <- S0 * exp((r - 0.5 * sigma^2) * T + sigma * sqrt(T) * Z)
# Call option payoff
payoff <- pmax(ST - K, 0)
# Discounted expected payoff
call_price <- exp(-r * T) * mean(payoff)
se <- exp(-r * T) * sd(payoff) / sqrt(n_sim)
cat('Call price:', round(call_price, 4), '\n')
cat('95% CI: [', round(call_price - 1.96*se, 4),
',', round(call_price + 1.96*se, 4), ']')MC의 수렴 속도
몬테카를로 방법은 O(1/√n)의 속도로 수렴합니다. 오차를 절반으로 줄이려면 표본이 4배 필요합니다. MC 추정값의 표준 오차는 σ/√n이며, 여기서 σ는 적분 함수의 표준편차입니다.
set.seed(42)
# Demonstrate MC convergence for pi estimation
estimate_pi <- function(n) {
x <- runif(n, -1, 1)
y <- runif(n, -1, 1)
4 * mean(x^2 + y^2 <= 1)
}
# Sample sizes: powers of 10
ns <- 10^(1:5)
estimates <- sapply(ns, function(n) {
set.seed(42)
estimate_pi(n)
})
data.frame(
n = ns,
pi_estimate = round(estimates, 5),
error = round(abs(estimates - pi), 5)
)빠른 확인
몬테카를로 시뮬레이션의 기본 개념에 대한 이해도를 확인해 보십시오.
복습: 몬테카를로 기초
핵심 내용: 몬테카를로 방법은 많은 무작위 표본의 평균을 내어 양을 추정합니다. 반복 시뮬레이션에는 replicate()를 사용하십시오. 대수의 법칙이 수렴을 보장합니다. 오차는 1/√n에 비례하므로 오차를 절반으로 줄이려면 표본을 4배로 늘려야 합니다. 분산 감소 기법인 대조 변량과 통제 변량을 사용하면 표본을 추가하지 않고도 효율을 높일 수 있습니다. 응용 분야로는 적분, 확률 추정, 옵션 가격 산정, 시뮬레이션이 있습니다.
set.seed(42)
# Monte Carlo template:
# 1. Define simulation function
simulate_once <- function() {
x <- runif(1, -1, 1)
y <- runif(1, -1, 1)
(x^2 + y^2) <= 1
}
# 2. Replicate many times
n <- 10000
results <- replicate(n, simulate_once())
# 3. Estimate quantity of interest
pi_mc <- 4 * mean(results)
# 4. Quantify uncertainty
se <- 4 * sd(results) / sqrt(n)
cat('Pi:', pi_mc, '+/-', round(1.96*se, 4))AI 튜터와 함께 R을(를) 배우세요 — 무료
브라우저에서 실제 코드를 작성하고 실행하며, 24/7 AI 튜터로부터 즉각적인 도움을 받고, 웹이나 앱에서 중단한 부분부터 계속 학습하세요.
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자주 묻는 질문
“몬테카를로 시뮬레이션 기초” 강의는 무료인가요?
네 — “몬테카를로 시뮬레이션 기초” 전체 내용을 이 웹사이트에서 무료로 읽을 수 있습니다. 인터랙티브하게 실습하려면(내장 코드 에디터와 24/7 AI 튜터), CoddyKit PRO로 업그레이드하면 R Academy 강의 전체를 잠금 해제할 수 있습니다. R Academy 강의에는 총 4개의 강의가 포함되어 있습니다.
“몬테카를로 시뮬레이션 기초”에서 뭘 배우나요?
난수를 반복해서 추출하여 pi와 기타 수량을 추정합니다. 브라우저에서 직접 실행하는 실습 코드로 R Academy을(를) 배우며, 24/7 AI 튜터가 강의를 진행하면서 질문에 답변해줍니다.
R Academy을(를) 시작하는 데 경험이 필요한가요?
사전 경험은 필요하지 않습니다. CoddyKit의 R Academy은(는) 초급자부터 고급 학습자까지를 위해 구성되어 있으므로, 여기서 시작하거나 처음부터 시작할 수 있으며 자신의 속도대로 진행할 수 있습니다. 이것은 4개 중 3번째 강의입니다.
“몬테카를로 시뮬레이션 기초” 강의는 얼마나 걸리나요?
대부분의 CoddyKit 강의는 약 5~10분이 소요됩니다. 각 강의는 간결하고 인터랙티브하여 꾸준한 진행이 가능하며, 웹과 앱에서 중단한 부분부터 바로 시작할 수 있습니다.
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이 강의의 모든 강의
- set.seed()와 재현성
- 확률분포에서 난수 생성
- 몬테카를로 시뮬레이션 기초
- R에서 부트스트랩 재표본추출