Hello, dear friend, you can consult us at any time if you have any questions, add WeChat: daixieit



MATH64071

Introduction to Uncertainty Quantication

Coursework 2021/22

 

 

1. Monte  Carlo The Van der Pol oscillator was originally proposed by the Dutch electrical engineer and physicist Balthasar Van der Pol found stable oscillations in electrical circuits employing vacuum tubes1.   A variant, the Duffing-Van der Pol oscillator, is given by the second order ODE for x(t):

 = αx + βx˙ - x3 - x2 x˙ ,        x(0) = x˙ (0) = 0.1,

where α, β > 0.

(a) Firstly, show that this system can be rewritten as the following system of two

first order ODEs:

x˙   =   y(t),                                                                          (1)

y˙   =   f (x(t), y(t)),        x(0) = y(0) = 0.1,

where you must determine the function f (x, y).  Derive the forward Euler ap- proximation of the resulting IVP (1), and implement it on a computer. Use this implementation to approximate the solution of this ODE with α = 1, β = 1, up to time T = 20, for the time steps ∆t = 10 − 1 , 10 −2 , 10 −3 , 10 −4 , and plot the re- sults. In the next question, we will be using this approximation within a Monte Carlo method for estimating the value of E(x(20)) and E(y(20)).  Using your plots as an indicator for the degree of accuracy of the Euler approximation for this system, pick a value of ∆t that would be suitable for such a Monte Carlo estimator. Justify your answer by taking into consideration both the error and computational cost.

[5 marks]

1 Reference: Wikipedia page on the Van der Pol oscillator


Simon L. Cotter: MATH64071.  Coursework                                                                 2

 

(b)  Suppose that α = 1, but that we are unsure of the value of β. We model this

uncertainty through a probability distribution,

β ~ U([0.75, 1.25])

Implement a Monte Carlo algorithm in order to estimate E(x(20)) and E(y(20)) = E(x˙ (20)), using the Euler approximation from part (a), and the chosen value of  ∆t from part (a). Make appropriate plots to visualise the joint and marginal dis-  tributions of the random variables x(20) and y(20) estimated using the Monte  Carlo samples.  You may use the m-file  “hist2d.m” to create your visualisa-  tions of the joint distribution, which can be found in the coursework folder on  Blackboard2. How many samples would you need to have a standard error less  than 10 −3  for your estimate of E(x(20))?  Likewise for E(y(20))?  Justify your  answers.

[5 marks]

2. Numerical approximation of SDEs.  An ODE is often not an appropriate type of model for a system which is inherently stochastic.  We consider the stochastic version of the Duffing-Van der Pol oscillator:

dXt     =   Yt dt

dYt     =   /αXt + βYt - Xt(3) - Xt(2)Ytdt + σ1Xt dBt(1) + σ2 dBt(2),        Xt=0  = Yt=0  = 0.1,

where Bt(i) for i e {1, 2} are independent standard Brownian motions. In this example we will consider the case α = β = σ 1  = σ2  = 1.

(a) Derive the Euler-Maruyama method for the approximation of paths of the so-

lution of this SDE. Implement this method in any computer language you wish. Pick a time step ∆t and justify your choice. Simulate and plot 5 approximate realisations of this SDE, up to time T = 20.

[5 marks]

(b) Implement a Monte Carlo sampler to estimate the values of E(XT ) and E(YT ) at

T = 20. Make appropriate plots to visualise the marginal and joint distributions for the random variables XT  and YT  at T = 20. How many samples would you need to have a standard error less than 10 −3  for the estimators of each of these expectations? Justify your answer.

[5 marks] [TOTAL: 20 marks]

 

 

2 Usage: hist2d(X,Y,N,‘pdf’), where X and Y are arrays containing your samples, and N is the number of bins in each direction (I recommend 100, but make sure you have enough samples to make the results relatively smooth).