在 R 中快速生成 ~ 10^9 个随机过程步骤

Question

我有以下任务要执行：

Generate 10^9 steps of the process described by the formula:
X(0)=0
X(t+1)=X(t)+Y(t)
where Y(t) are independent random variables with the distribution N(0,1). Calculate in what percentage of indices t the value of X(t) was negative.

我尝试了以下代码：

  x<-c(0,0)
  z<-0
  loop<-10^9
  for(i in 2:loop) {
    x[1]<-x[2]
    x[2]<-x[1]+rnorm(1, 0, 1)
    if (x[2]<0) {z<-z+1}
  }

但是，速度很慢。我怎样才能加快速度？

Answer 1

这应该会快得多，但是十亿的任何东西都可能需要一段时间。用较小的长度值来测试它可能会很好 - 比如 10^6.

length = 10^9
Y = rnorm(length)
sum(cumsum(Y)<0)/length

编辑

根据@user3666197 的评论，我对此进行了测试，他是正确的。该解决方案适用于较小的数字，但一旦步数变得太大，它就会失败。

我根据 OP 的代码测试了我的 "vectorized" 版本。当随机游走的长度为 10^8 时，我的代码花费了大约 7 秒，而 OP 的代码花费了 131 秒（在我的笔记本电脑上）。但是，当我将长度增加到 10^9（根据原始问题）时，我的版本导致大量磁盘交换，我不得不终止该进程。此解决方案在 OP 要求的规模下失败。

Answer 2

鉴于随机源在技术上被构造为确定性硬件的能力，以满足生成流的可重复性要求以及"generated"-随机性的所有条件。 -random generator algorithm，这种随机源不容易从纯 [SERIAL] 转换为任何形式的 "just"-[CONCURRENT] 或 true-[PARALLEL] 作案手法。

也就是说，PRG 步是任何尝试重新定义纯 [SERIAL] 代码执行的中心点（阻塞）。

这不会改变（非）负 X(t) 值的百分比，而只是确定对于给定的 PRG 硬件实现，没有更短的方法，但是纯 [SERIAL] 相互（串行）相关值的生成顺序。

展开 "slow" 循环或准（_{因为值仍然是串行相关的}）-向量化处理（R 语言实现具有利用但几乎硬件 CPU-指令集级别的技巧——所以不是语言游戏规则的改变者，而是绕过一些明知缓慢的代码执行构造函数）是最可能发生的事情。

Answer 3

一般来说，对于像这样的问题，您可以使用 Rcpp 包将您的函数一对一地翻译成 C++。这应该会带来相当大的加速。

首先是R版本：

random_sum <- function(loop = 1000) {
  x<-c(0,0)
  z<-0
  for(i in 2:loop) {
    x[1]<-x[2]
    x[2]<-x[1]+rnorm(1, 0, 1)
    if (x[2]<0) {z<-z+1}
  }
  z / loop
}
set.seed(123)
random_sum()
# [1] 0.134

现在的C++版本：

library("Rcpp")
cppFunction("
  double random_sum_cpp(unsigned long loop = 1000) {
    double x1 = 0;
    double x2 = 0;
    double z = 0;
    for (unsigned long i = 2; i < loop; i++) {
      x1 = x2;
      x2 = x1 + Rcpp::rnorm(1)[0];
      if (x2 < 0) z = z+1;
    }
    return z/loop;
  }")

set.seed(123)
random_sum_cpp()
# [1] 0.134

为了完整起见，我们还考虑一下提出的矢量化版本：

random_sum_vector <- function(loop = 1000) {
  Y = rnorm(loop)
  sum(cumsum(Y)<0)/loop
}
set.seed(123)
random_sum_vector()
# [1] 0.134

我们看到它对相同的随机种子给出了相同的结果，因此它似乎是一个可行的竞争者。

在基准测试中，C++ 版本和矢量化版本的性能相似，矢量化版本略优于 C++ 版本：

> microbenchmark(random_sum(100000),
                 random_sum_vector(100000),
                 random_sum_cpp(100000))
Unit: milliseconds
                     expr        min         lq       mean     median         uq       max neval
        random_sum(1e+05) 184.205588 199.859266 209.220232 205.137043 211.026740 274.47615   100
 random_sum_vector(1e+05)   6.320690   6.631704   7.273645   6.799093   7.334733  18.48649   100
    random_sum_cpp(1e+05)   8.950091   9.362303  10.663295   9.956996  11.079513  21.30898   100

但是，向量化版本牺牲了速度和内存，C++ 版本几乎不使用内存。

对于 10^9 个步骤，C++ 版本在我的机器上运行大约需要 2 分钟（110 秒）。我没有尝试 R 版本。根据较短的基准测试，可能需要大约 7 个小时。

> microbenchmark(random_sum_cpp(10^9), times = 1)
Unit: seconds
                 expr      min       lq     mean   median       uq      max neval
 random_sum_cpp(10^9) 110.2182 110.2182 110.2182 110.2182 110.2182 110.2182     1

Answer 4

一种解决方案是使用@G5W 提出的矢量化，但将其分成更小的块以避免任何内存溢出问题。这为您提供了矢量化解决方案的速度，但通过管理块大小，您可以控制进程使用的内存量。

下面将问题分解为 1e+07 块，循环 100 次总共得到 1e+09。

在第一个块的末尾，记录低于 0 的时间百分比和结束点。然后结束点被送入下一个区块，你记录低于0的时间百分比，以及新的结束点。

最后，计算 100 次运行的平均值，使总时间低于零。 while循环中调用cat是为了监控进度，查看进度，这个可以注释掉

funky <- function(start, length = 1e+07) {
  Y <- rnorm(length)
  Z <- cumsum(Y)
  c(sum(Z<(-start))/length, (tail(Z, 1) + start))
}

starttime <- Sys.time()
resvect <- vector(mode = "numeric", length = 100)
result <- funky(0)
resvect[1] <- result[1]
i <- 2
while (i < 101) {
  cat(result, "\n")
  result <- funky(result[2])
  resvect[i] <- result[1]
  i <- i + 1
}
mean(resvect)
# [1] 0.1880392
endtime <- Sys.time()
elapsed <- endtime - starttime
elapsed
# Time difference of 1.207566 mins

Answer 5

使用向量通常会比 for 循环产生更好的性能。非常大的数字（即 10^9）的问题是内存限制。由于您只对负指数的最终百分比感兴趣，因此以下将起作用（以 10^9 步长花费几分钟）。

update_state <- function (curr_state, step_size) {
  n <- min(curr_state$counter, step_size)
  r <- rnorm(min(curr_state$counter, step_size))
  total <- curr_state$cum_sum + cumsum(r)

  list('counter' = curr_state$counter - n,
       'neg_count' = curr_state$neg_count + length(which(total < 0)),
       'cum_sum' = curr_state$cum_sum + sum(r))
}


n <- 10^9
curr_state <- list('counter' = n, 'neg_count' = 0, 'cum_sum' = 0)

step_size <- 10^8
while (curr_state$counter > 0) {
  curr_state <- update_state(curr_state = curr_state, step_size = step_size)
}

print(curr_state)
print(curr_state$neg_count/ n)

在 R 中快速生成 ~ 10^9 个随机过程步骤

Rapidly generating ~ 10^9 steps of a random process in R

r

performance

loops

rcpp

random-walk

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