Способы получения последовательностей случайных чисел

На практике используются 3 основных способа генерации случайных чисел:

1. аппаратный (физический)

2. табличный (файловый)

3. алгоритмический (программный)

Аппаратный способ.

Случайные числа вырабатываются специальной электронной приставкой (генератором случайных чисел). Реализация этого способа не требует дополнительных вычислительных операций по выбору случайных чисел. Необходимо только оперативное обращение к ВУ.

В качестве физического эффекта, лежащего в основе генератора, чаще всего используют шуму в электронных приборах.

Простейшие алгоритмы генерации последовательности псевдослучайных чисел

Одним из первых способов получения является выделение значения дробной части у многочлена первой степени:

Если n пробегает значения натурального ряда числе, то поведение y_n выглядит весьма хаотично.

К. Якоби доказал, что при рациональном коэффициенте a множество y конечно, а при иррациональном – бесконечно и всюду плотно в интервале [0, 1].

Критерий равномерности распределения любой функции: свойство эргамичности – среднее по реализациям псевдослучайное число равно среднему по всему их множеству с вероятностью 1.

Год, Фон Нейман.

Каждое последующее случайное число образуется возведением в квадрат предыдущего и отбрасывание цифр с обоих концов. Способ оказался ненадежным.

2. Лемер.

. Для подборов коэффициентов k, c, m были потрачены десятки лет. Подбор почти иррациональных чисел ничего не дает.

3. Разумнее ввести вычисления с целыми числами.

при c = 0 и m = 2ⁿ наибольший период достигается при k=3+8i или k=5+8i и при нечетном начальном числе.

Для имитации равномерного распределения на [a, b] используется обратное преобразование функции плотности вероятности.

где R – равномерно распределенное псевдослучайное число на [0, 1].

В основе построения программы генерации случайной числа с законом распределения, отличным от равномерного, лежит метод преобразования последовательности случайных чисел с равномерным законом распределения в последовательность случайных чисел с заданным законом распределения.

Метод основан на том, что случайная величина x принимает значения, равные корню уравнения

, имеет плотность распределения f(x). R – случайная величина, равномерно распределенная на [0, 1].

Значение случайной величины, распределенной по показательному закону может быть вычислено из данного уравнения следующим образом:

Распределение Пуассона относится к числу дискретных (переменная может принимать лишь целочисленные значения, включая 0, с математическим ожиданием и дисперсией l > 0). Для генерации Пуассоновских переменных можно использовать метод точек, в основе которого лежит генерируемое случайное значение R_i, равномерно распределенное на [0, 1], до тех пор, пока не станет справедливым

При получении случайной величины, функция распределения которой не позволяет найти решение уравнения

в явной форме, можно произвести кусочно-линейную аппроксимацию, а затем вычислить приближенное значение корня. Кроме того, при получении случайной величины часто используют те или иные свойства распределений.

Воспользуемся этим методом, чтобы сгенерировать случайную величину с законом распределения Эрланга. Распределение Эрланга характеризуется параметрами l и k.

При вычислении случайно величины воспользуемся тем, что поток Эрланга может быть получен путем прорешивания потока Пуассона k раз. Поэтому, достаточно получить k значений случайной величины распределенной по показательному закону и усреднить их.

Нормальное распределение случайной величины может быть получено как сумма большого числа случайных величин, распределенных по одному и тому же закону распределения с одними и теми же параметрами.

Случайная величина X имеющая нормальное распределение с математическим ожиданием M_X и среднеквадратичным отклонением s_X может быть получена по следующей формуле: