9.6. random — 生成伪随机数

    该模块实现了各种分布的伪随机数生成器。

    对于整数，从范围中有统一的选择。 对于序列，存在随机元素的统一选择、用于生成列表的随机排列的函数、以及用于随机抽样而无需替换的函数。

    在实数轴上，有计算均匀、正态（高斯）、对数正态、负指数、伽马和贝塔分布的函数。 为了生成角度分布，可以使用 von Mises 分布。

    几乎所有模块函数都依赖于基本函数 ，它在半开放区间 [0.0,1.0) 内均匀生成随机浮点数。 Python 使用 Mersenne Twister 作为核心生成器。 它产生 53 位精度浮点数，周期为 2**19937-1 ，其在 C 中的底层实现既快又线程安全。 Mersenne Twister 是现存最广泛测试的随机数发生器之一。 但是，因为完全确定性，它不适用于所有目的，并且完全不适合加密目的。

    这个模块提供的函数实际上是 类的隐藏实例的绑定方法。 你可以实例化自己的 Random 类实例以获取不共享状态的生成器。

    如果你想使用自己设计的不同基础生成器，类 Random 也可以作为子类：在这种情况下，重载 random() 、 seed() 、 getstate() 以及 setstate() 方法。可选地，新生成器可以提供 getrandbits() 方法——这允许 randrange() 在任意大的范围内产生选择。

    模块还提供 SystemRandom 类，它使用系统函数 从操作系统提供的源生成随机数。

    警告

    不应将此模块的伪随机生成器用于安全目的。 有关安全性或加密用途，请参阅 secrets 模块。

    参见

    M. Matsumoto and T. Nishimura, “Mersenne Twister: A 623-dimensionally equidistributed uniform pseudorandom number generator”, ACM Transactions on Modeling and Computer Simulation Vol. 8, No. 1, January pp.3–30 1998.

    用于兼容的替代随机数发生器，具有长周期和相对简单的更新操作。

    random.seed(a=None, version=2)

    初始化随机数生成器。

    如果 a 被省略或为 None ，则使用当前系统时间。 如果操作系统提供随机源，则使用它们而不是系统时间（有关可用性的详细信息，请参阅 os.urandom() 函数）。

    如果 a 是 int 类型，则直接使用。

    对于版本2（默认的）， 、 bytes 或 对象转换为 int 并使用它的所有位。

    对于版本1（用于从旧版本的Python再现随机序列），用于 和 bytes 的算法生成更窄的种子范围。

    在 3.2 版更改: 已移至版本2方案，该方案使用字符串种子中的所有位。

    random.getstate()

    返回捕获生成器当前内部状态的对象。 这个对象可以传递给 来恢复状态。

    random.setstate(state)

    state 应该是从之前调用 getstate() 获得的，并且 将生成器的内部状态恢复到 getstate() 被调用时的状态。

    random.getrandbits(k)

    返回带有 k 位随机的Python整数。 此方法随 MersenneTwister 生成器一起提供，其他一些生成器也可以将其作为API的可选部分提供。 如果可用， 启用 randrange() 来处理任意大范围。

    9.6.2. 整数用函数

    random.randrange(stop)

    random.randrange(start, stop[, step])

    从 range(start, stop, step) 返回一个随机选择的元素。 这相当于 choice(range(start, stop, step)) ，但实际上并没有构建一个 range 对象。

    位置参数模式匹配 range() 。不应使用关键字参数，因为该函数可能以意外的方式使用它们。

    在 3.2 版更改: 在生成均匀分布的值方面更为复杂。 以前它使用了像``int(random()*n)``这样的形式，它可以产生稍微不均匀的分布。

    返回随机整数 N 满足 a <= N <= b。相当于 randrange(a, b+1)。

    random.choice(seq)

    从非空序列 seq 返回一个随机元素。 如果 seq 为空，则引发 IndexError。

    random.choices(population, weights=None, **, cum_weights=None, k=1*)

    从population中选择替换，返回大小为 k 的元素列表。 如果 population 为空，则引发 。

    如果指定了 weight 序列，则根据相对权重进行选择。 或者，如果给出 cum_weights 序列，则根据累积权重（可能使用 itertools.accumulate() 计算）进行选择。 例如，相对权重``[10, 5, 30, 5]``相当于累积权重``[10, 15, 45, 50]``。 在内部，相对权重在进行选择之前会转换为累积权重，因此提供累积权重可以节省工作量。

    如果既未指定 weight 也未指定 cum_weights ，则以相等的概率进行选择。 如果提供了权重序列，则它必须与 population 序列的长度相同。 一个 指定了 weights 和cum_weights。

    weights 或 cum_weights 可以使用任何与 random() 返回的 值互操作的数值类型（包括整数，浮点数和分数但不包括十进制小数）。

    3.6 新版功能.

    random.shuffle(x[, random])

    将序列 x 随机打乱位置。

    可选参数 random 是一个0参数函数，在 [0.0, 1.0) 中返回随机浮点数；默认情况下，这是函数 random() 。

    要改变一个不可变的序列并返回一个新的打乱列表，请使用``sample(x, k=len(x))``。

    请注意，即使对于小的 len(x)，x 的排列总数也可以快速增长，大于大多数随机数生成器的周期。 这意味着长序列的大多数排列永远不会产生。 例如，长度为2080的序列是可以在 Mersenne Twister 随机数生成器的周期内拟合的最大序列。

    random.sample(population, k)

    返回从总体序列或集合中选择的唯一元素的 k 长度列表。 用于无重复的随机抽样。

    返回包含来自总体的元素的新列表，同时保持原始总体不变。 结果列表按选择顺序排列，因此所有子切片也将是有效的随机样本。 这允许抽奖获奖者（样本）被划分为大奖和第二名获胜者（子切片）。

    总体成员不必是 或 unique 。 如果总体包含重复，则每次出现都是样本中可能的选择。

    要从一系列整数中选择样本，请使用 range() 对象作为参数。 对于从大量人群中采样，这种方法特别快速且节省空间：sample(range(10000000), k=60) 。

    如果样本大小大于总体大小，则引发 。

    9.6.4. 实值分布

    以下函数生成特定的实值分布。如常用数学实践中所使用的那样, 函数参数以分布方程中的相应变量命名;大多数这些方程都可以在任何统计学教材中找到。

    random.random()

    返回 [0.0, 1.0) 范围内的下一个随机浮点数。

    random.uniform(a, b)

    返回一个随机浮点数 N ，当 a <= b 时 a <= N <= b ，当 b < a 时 b <= N <= a 。

    取决于等式 a + (b-a) * random() 中的浮点舍入，终点 b 可以包括或不包括在该范围内。

    random.triangular(low, high, mode)

    返回一个随机浮点数 N ，使得 low <= N <= high 并在这些边界之间使用指定的 mode 。 low 和 high 边界默认为零和一。 mode 参数默认为边界之间的中点，给出对称分布。

    (alpha, beta)

    Beta 分布。 参数的条件是 alpha > 0 和 beta > 0。 返回值的范围介于 0 和 1 之间。

    指数分布。 lambd 是 1.0 除以所需的平均值，它应该是非零的。 （该参数本应命名为 “lambda” ，但这是 Python 中的保留字。）如果 lambd 为正，则返回值的范围为 0 到正无穷大；如果 lambd 为负，则返回值从负无穷大到 0。

    random.gammavariate(alpha, beta)

    Gamma 分布。 （ 不是 gamma 函数！ ） 参数的条件是 alpha > 0 和 beta > 0。

    概率分布函数是:

    random.gauss(mu, sigma)

    高斯分布。 mu 是平均值，sigma 是标准差。 这比下面定义的 函数略快。

    random.lognormvariate(mu, sigma)

    对数正态分布。 如果你采用这个分布的自然对数，你将得到一个正态分布，平均值为 mu 和标准差为 sigma 。 mu 可以是任何值，sigma 必须大于零。

    random.normalvariate(mu, sigma)

    正态分布。 mu 是平均值，sigma 是标准差。

    random.vonmisesvariate(mu, kappa)

    冯·米塞斯分布。 mu 是平均角度，以弧度表示，介于0和 2pi 之间，kappa 是浓度参数，必须大于或等于零。 如果 kappa* 等于零，则该分布在 0 到 2pi* 的范围内减小到均匀的随机角度。

    random.paretovariate(alpha)

    帕累托分布。 alpha 是形状参数。

    random.weibullvariate(alpha, beta)

    威布尔分布。 alpha 是比例参数，beta 是形状参数。

    class random.SystemRandom([seed])

    使用 os.urandom() 函数的类，用从操作系统提供的源生成随机数。 这并非适用于所有系统。 也不依赖于软件状态，序列不可重现。 因此， 方法没有效果而被忽略。 getstate() 和 方法如果被调用则引发 NotImplementedError。

    9.6.6. 关于再现性的说明

    有时能够重现伪随机数生成器给出的序列是有用的。 通过重新使用种子值，只要多个线程没有运行，相同的序列就可以在两次不同运行之间重现。

    大多数随机模块的算法和种子函数都会在 Python 版本中发生变化，但保证两个方面不会改变：

    • 如果添加了新的播种方法，则将提供向后兼容的播种机。

    • 当兼容的播种机被赋予相同的种子时，生成器的 random() 方法将继续产生相同的序列。

    基本示例:

    1. >>> random()                             # Random float:  0.0 <= x < 1.0
    2. 0.37444887175646646
    4. >>> uniform(2.5, 10.0)                   # Random float:  2.5 <= x < 10.0
    5. 3.1800146073117523
    7. >>> expovariate(1 / 5)                   # Interval between arrivals averaging 5 seconds
    8. 5.148957571865031
    10. >>> randrange(10)                        # Integer from 0 to 9 inclusive
    11. 7
    13. >>> randrange(0, 101, 2)                 # Even integer from 0 to 100 inclusive
    15. >>> choice(['win', 'lose', 'draw'])      # Single random element from a sequence
    16. 'draw'
    18. >>> deck = 'ace two three four'.split()
    19. >>> shuffle(deck)                        # Shuffle a list
    20. >>> deck
    23. >>> sample([10, 20, 30, 40, 50], k=4)    # Four samples without replacement
    24. [40, 10, 50, 30]

    模拟:

    statistical bootstrapping) 使用重采样和替换来估计大小为五的样本的均值的置信区间的示例:

    1. # http://statistics.about.com/od/Applications/a/Example-Of-Bootstrapping.htm
    2. from statistics import mean
    3. from random import choices
    5. data = 1, 2, 4, 4, 10
    6. means = sorted(mean(choices(data, k=5)) for i in range(20))
    7. print(f'The sample mean of {mean(data):.1f} has a 90% confidence '
    8.       f'interval from {means[1]:.1f} to {means[-2]:.1f}')

    使用 #Permutation_tests) 来确定统计学显著性或者使用 p-值 来观察药物与安慰剂的作用之间差异的示例:

    模拟单个服务器队列中的到达时间和服务交付:

    1. from random import expovariate, gauss
    2. from statistics import mean, median, stdev
    4. average_service_time = 5.0
    5. stdev_service_time = 0.5
    7. num_waiting = 0
    8. arrivals = []
    9. starts = []
    10. arrival = service_end = 0.0
    11. for i in range(20000):
    12.     if arrival <= service_end:
    13.         num_waiting += 1
    14.         arrival += expovariate(1.0 / average_arrival_interval)
    15.         arrivals.append(arrival)
    16.     else:
    17.         num_waiting -= 1
    18.         service_start = service_end if num_waiting else arrival
    19.         service_time = gauss(average_service_time, stdev_service_time)
    20.         service_end = service_start + service_time
    21.         starts.append(service_start)
    23. waits = [start - arrival for arrival, start in zip(arrivals, starts)]
    25. print(f'Median wait: {median(waits):.1f}.  Max wait: {max(waits):.1f}.')

    参见

    Jake Vanderplas 撰写的视频教程，使用一些基本概念进行统计分析，包括模拟、抽样、改组和交叉验证。

    Peter Norvig 编写的市场模拟，显示了该模块提供的许多工具和分布的有效使用（高斯、均匀、样本、beta变量、选择、三角和随机范围等）。