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一、产生随机数的原理
1.随机数(Random Number)是指一个数字在一定范围内,它经过某种特定算法产生,是完全不易预测的值。由于不易预测,又称为“真随机数”,即真正的随机数只有在特定的条件下才能产生。
2.随机数的产生原理项目一般分为真正的随机数和伪随机数。真正的随机数(True Random Number)是完全不能预测的,而伪随机数(Pseudo Random Number)是受固定控制的,由一定算法经过特定输入(例如随机种子、初始值)推算出来。
3.真随机数产生原理一般通过物理原理(即各种物理变化)产生,例如利用硒鼓、摩擦电容器等物理特征,采集大量数据,通过熵(Entropy)和算法(Algorithm)对数据作用,把物理模型数据(Physical Model Data)转换成计算机可接受的数据,从而获得随机数。
4.使用伪随机数的情况一般有两种:确定步骤伪随机数(Deterministic Pseudo-Random Number,也称确定性伪随机数)和确定步骤真随机数(Deterministic Random Number)。前者是经过精心编写的某种算法包括算法内的参数,根据这些参数,经过一系列计算就可以产生出模拟实际中随机分布情况的数据;而后者,使用现存技术,采用某些熵作为来源,它把物理模型中的数据转换成计算机可接受的随机数。
5.随机数在很多方面有重要作用,比如信息安全(如数据安全与密码学)、计算机图形学(即图形计算机)以及最基本的抽样调查(Sampling Survey)等。
6.通过开箱检验(Box-Muller Transform)的方法也可以产生随机数,它是一种以确定性的抽样方法实现随机中断的方法,这种方法精度较高,可以得到平均分布式的随机数,是最常用的随机数产生方法之一。
7.再比如说,线性模块产生器(Linear Congruential Generator),这种在计算机科学中最常用的伪随机算法,它也可以产生随机数。线性模块产生器的原理是基于递推关系式,根据一定的参数,计算生成随机数 M(Modulo),然后再根据 M 的值得出下一个随机数即可,同时它保证不会出现越界的情况。
8.上述只是几种常用的方法,在实际应用中,还有很多种方法可以产生随机数,以上所述只是其中的一小部分。
1、什么是随机数:随机数是指无重复概率出现,不可预测和无规则规律的一种数字序列,一般用于实现计算机的随机行为(如计算机游戏中的组合,模拟产生统计随机事件等)。
2、随机数的产生方式:(1)使用伪随机数产生器(PRNG),即使用确定性算法和预定义的整数种子(seed),可以根据种子(seed)序列产生出同一模型的结果,从而产生随机数。(2)使用硬件的伪随机数发生器(HRNG),即使用使用物理特性(如:声音、电压、测温等)来模拟自然界的真正随机性,准确可靠地产生出随机数,这一方法被认为是最具安全性、最准确可靠的产生随机数的方式。(3)使用量子随机数发生器(QRNG),利用量子物理现象产生随机数,这一方法也称为量子加密,使用复杂的随机数加密算法,可以大大提高随机数的难以预测性,达到了极高的安全性。
3、随机数的应用:(1)计算机游戏:使用随机函数来模拟不可预测的环境会更加有趣过程,例如像游戏地图,士兵战斗等。(2)数据编码:使用随机数产生不同的密钥用来加密数据,可以阻止未经授权的使用者访问指定的文件和网站。(3)抽奖:包括抽签、抽卡牌和拆宝箱等,一般使用随机数序列来模拟随机抽取指定物品。
4、应用实例:(1)日常数学生活:日常世界中常常需要使用随机数,例如在教室随机抽取学生,用随机数序列来分组,抽签等。(2)电子表格:也称为程序表,用于模拟和求解一定条件、一定规则的问题,这里仍然是使用随机数序列进行模拟。(3)互联网广告:互联网公司,特别是搜索引擎公司,将使用伪随机数确定有多少广告将展示在每个屏幕上,从而制定该网页最优的展示效果。
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