src/main/java/ru/dmitry/montecarlo/service/MonteCarlo.java - master - onequ1z/JavaCoursePaperTulSU

src/main/java/ru/dmitry/montecarlo/service/MonteCarlo.java
164 строки7 KB
tayno
Добавлено AvgTime для итоговой таблицы
08 дек 2025, 13:07
08 дек 2025, 13:07ffd7c03
package ru.dmitry.montecarlo.service;

import ru.dmitry.montecarlo.model.Figure;
import ru.dmitry.montecarlo.model.MonteCarloResult;
import ru.dmitry.montecarlo.model.Point;
import ru.dmitry.montecarlo.model.Rectangle;
import ru.dmitry.montecarlo.util.Stopwatch;

import java.util.Random;

/**
 * Сервис для оценки площади геометрических фигур методом Монте-Карло.
 * Генерирует случайные точки внутри ограничивающего прямоугольника
 * и подсчитывает количество попаданий в фигуру.
 * <p>
 * Реализует однопоточную версию алгоритма.
 */
public class MonteCarlo implements MonteCarloEstimator {

    private final Profiler profiler;

    /**
     * Создаёт экземпляр MonteCarlo без профилирования.
     */
    public MonteCarlo() {
        this(new Profiler(false));
    }

    /**
     * Создаёт экземпляр MonteCarlo с заданным профилировщиком.
     *
     * @param profiler профилировщик для измерения производительности (может быть null)
     */
    public MonteCarlo(Profiler profiler) {
        this.profiler = profiler != null ? profiler : new Profiler(false);
    }

    /**
     * Оценивает площадь заданной фигуры с помощью метода Монте-Карло.
     * <p>
     * Алгоритм:
     * <ol>
     *   <li>Генерирует N случайных точек равномерно распределённых внутри прямоугольника</li>
     *   <li>Подсчитывает количество точек, попавших внутрь фигуры (hits)</li>
     *   <li>Вычисляет оценку площади: S_прямоугольника × (hits / N)</li>
     *   <li>Вычисляет относительную ошибку относительно точной площади</li>
     * </ol>
     *
     * @param figure    геометрическая фигура, площадь которой оценивается
     * @param rectangle ограничивающий прямоугольник, содержащий фигуру
     * @param n         количество случайных выборок (испытаний)
     * @param rng       генератор случайных чисел
     * @return результат оценки методом Монте-Карло, содержащий количество попаданий,
     *         оценённую площадь, относительную ошибку и время выполнения
     * @throws IllegalArgumentException если figure или rectangle равны null
     */
    public MonteCarloResult estimateArea(Figure figure,
                                         Rectangle rectangle,
                                         long n,
                                         Random rng) {
        if (figure == null) {
            throw new IllegalArgumentException("Figure не может быть null");
        }
        if (rectangle == null) {
            throw new IllegalArgumentException("Rectangle не может быть null");
        }
        if (rng == null) {
            throw new IllegalArgumentException("Random generator не может быть null");
        }

        if (n <= 0) {
            return new MonteCarloResult(0L, 0L, 0.0, 0.0, 0L);
        }
        Stopwatch sw = new Stopwatch();
        sw.start();
        
        if (profiler.isEnabled()) {
            profiler.startOperation("MonteCarlo.estimateArea");
        }

        try {
            double[] bounds = rectangle.getBounds();
            double minX = bounds[0];
            double maxX = bounds[1];
            double minY = bounds[2];
            double maxY = bounds[3];

            long hits = generatePointsAndCountHits(figure, minX, maxX, minY, maxY, n, rng);

            double rectArea = rectangle.area();
            double estimatedArea = calculateEstimatedArea(rectArea, hits, n);

            double exactArea = figure.exactArea();
            double relativeErrorPercent = calculateRelativeError(estimatedArea, exactArea);

            long durationMillis = sw.stop();
            
            if (profiler.isEnabled()) {
                profiler.endOperation("MonteCarlo.estimateArea", sw);
            }

            return new MonteCarloResult(n, hits, estimatedArea, relativeErrorPercent, durationMillis);
        } catch (Exception e) {
            if (sw.isRunning()) {
                sw.stop();
            }
            throw e;
        }
    }

    /**
     * Генерирует случайные точки и подсчитывает количество попаданий в фигуру.
     *
     * @param figure фигура для проверки попаданий
     * @param minX   минимальная X-координата
     * @param maxX   максимальная X-координата
     * @param minY   минимальная Y-координата
     * @param maxY   максимальная Y-координата
     * @param n      количество точек для генерации
     * @param rng    генератор случайных чисел
     * @return количество точек, попавших внутрь фигуры
     */
    private long generatePointsAndCountHits(Figure figure, double minX, double maxX,
                                            double minY, double maxY, long n, Random rng) {
        long hits = 0L;
        for (long i = 0; i < n; i++) {
            double x = minX + rng.nextDouble() * (maxX - minX);
            double y = minY + rng.nextDouble() * (maxY - minY);
            Point p = new Point(x, y);
            if (figure.contains(p)) {
                hits++;
            }
        }
        return hits;
    }

    /**
     * Вычисляет оценку площади на основе доли попаданий.
     *
     * @param rectArea площадь ограничивающего прямоугольника
     * @param hits     количество попаданий
     * @param n        общее количество испытаний
     * @return оценка площади фигуры
     */
    private double calculateEstimatedArea(double rectArea, long hits, long n) {
        return rectArea * ((double) hits / (double) n);
    }

    /**
     * Вычисляет относительную ошибку в процентах.
     *
     * @param estimatedArea оценка площади
     * @param exactArea     точная площадь
     * @return относительная ошибка в процентах (0.0, если exactArea = 0)
     */
    private double calculateRelativeError(double estimatedArea, double exactArea) {
        if (exactArea > 0.0) {
            return Math.abs(estimatedArea - exactArea) / exactArea * 100.0;
        } else {
            // При нулевой площади указываем ошибку 0
            return 0.0;
        }
    }
}