Método de Monte Carlo na incerteza

O método de Monte Carlo calcula a incerteza por simulação, propagando as distribuições das entradas pelo modelo. Veja como funciona e quando usar.

O método de Monte Carlo, na avaliação de incerteza, é a propagação das distribuições de probabilidade das grandezas de entrada pelo modelo de medição por simulação numérica. Em vez de combinar desvios-padrão por uma fórmula, sorteiam-se muitas combinações de entradas, calcula-se o resultado de cada uma e analisa-se a distribuição que sai. Ele está descrito no JCGM 101:2008, o Suplemento 1 do GUM.

Como funciona

  1. Escreva o modelo y = f(x1, …, xn), igual ao do método do GUM.
  2. Atribua a cada entrada uma distribuição: normal para o certificado do padrão, retangular para a resolução, e assim por diante (veja distribuições de probabilidade na incerteza).
  3. Escolha o número de sorteios M. O JCGM 101 indica que M = 106 costuma bastar para um intervalo de 95 % estável.
  4. Sorteie M valores de cada entrada e calcule y para cada combinação.
  5. Ordene os M resultados. A média é a estimativa de y, o desvio-padrão é a incerteza-padrão u(y).
  6. Tire o intervalo de abrangência direto dos valores ordenados. Para 95 %, com intervalo simétrico em probabilidade, descarte 2,5 % de cada ponta.

Repare que não há fator k nem graus de liberdade efetivos. O intervalo sai da própria distribuição simulada.

Exemplo: quando k = 2 exagera

Uma balança com resolução de 1 g é calibrada com um padrão cuja incerteza-padrão é 0,10 g. A resolução é retangular com a = 0,5 g, u = 0,29 g, e domina o resultado.

Método do GUM Monte Carlo (106 sorteios)
Incerteza-padrão 0,31 g 0,31 g
Meia largura do intervalo de 95,45 % 2 × 0,31 ≈ 0,61 g ≈ 0,54 g

A incerteza-padrão é a mesma. O que muda é o intervalo: como a distribuição do resultado é achatada (quase a retangular da resolução, suavizada pelo padrão), ela tem caudas curtas, e o fator de abrangência real fica perto de 1,77, não de 2. O GUM superestima a incerteza expandida em cerca de 13 % neste caso. Superestimar é o lado seguro, mas também pode reprovar instrumento sem motivo.

Validar o GUM com Monte Carlo

O JCGM 101 propõe usar a simulação para validar o método do GUM: se os extremos dos dois intervalos concordam dentro de uma tolerância numérica definida a partir dos algarismos significativos de u(y), o cálculo linear está adequado para aquele tipo de medição. É uma forma prática de justificar a planilha de incerteza perante um auditor sem rodar simulação em toda calibração.

Erros comuns

  • Rodar poucos sorteios (mil, dez mil) e tratar o resultado como definitivo.
  • Achar que Monte Carlo corrige modelo errado. Se uma fonte ficou de fora ou a distribuição foi mal escolhida, a simulação reproduz o erro com mais casas decimais.
  • Usar gerador de números aleatórios de planilha sem verificar a qualidade e sem registrar a configuração. Software ou planilha que faz esse cálculo precisa de validação.

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