9.6. random — 生成伪随机数

源码： Lib/random.py

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 random() ，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 random.Random 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。

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

警告

The pseudo-random generators of this module should not be used for security purposes.

Bookkeeping functions:

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），str 、 bytes 或 bytearray 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 str 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 setstate() 来恢复状态。

random.setstate(state)

state 应该是从之前调用 getstate() 获得的，并且 setstate() 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，getrandbits() 启用 randrange() 来处理任意大范围。

Functions for integers:

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: randrange() 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。

random.randint(a, b)

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

Functions for sequences:

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.shuffle(x[, random])

Shuffle the sequence x in place. The optional argument random is a 0-argument function returning a random float in [0.0, 1.0); by default, this is the function random().

Note that for even rather small len(x), the total number of permutations of x is larger than the period of most random number generators; this implies that most permutations of a long sequence can never be generated.

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 hashable 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。

To choose a sample from a range of integers, use an range() object as an argument. This is especially fast and space efficient for sampling from a large population: sample(range(10000000), 60).

如果样本大小大于总体大小，则引发 ValueError 。

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。

random.betavariate(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。

random.expovariate(lambd)

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:

          x ** (alpha - 1) * math.exp(-x / beta)
pdf(x) =  --------------------------------------
            math.gamma(alpha) * beta ** alpha
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 normalvariate() 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（von Mises）分布。 mu 是平均角度，以弧度表示，介于0和 2*pi 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 2*pi 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。

Alternative Generator:

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，seed() 方法没有效果而被忽略。 getstate() 和 setstate() 方法如果被调用则引发 NotImplementedError。

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.

Complementary-Multiply-with-Carry recipe 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。

9.6.1. 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。

9.6.2. 例子和配方

Basic usage:

>>> random.random()                      # Random float x, 0.0 <= x < 1.0
0.37444887175646646

>>> random.uniform(1, 10)                # Random float x, 1.0 <= x < 10.0
1.1800146073117523

>>> random.randrange(10)                 # Integer from 0 to 9
7

>>> random.randrange(0, 101, 2)          # Even integer from 0 to 100
26

>>> random.choice('abcdefghij')          # Single random element
'c'

>>> items = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
>>> random.shuffle(items)
>>> items
[7, 3, 2, 5, 6, 4, 1]

>>> random.sample([1, 2, 3, 4, 5],  3)   # Three samples without replacement
[4, 1, 5]

A common task is to make a random.choice() with weighted probabilities.

If the weights are small integer ratios, a simple technique is to build a sample population with repeats:

>>> weighted_choices = [('Red', 3), ('Blue', 2), ('Yellow', 1), ('Green', 4)]
>>> population = [val for val, cnt in weighted_choices for i in range(cnt)]
>>> population
['Red', 'Red', 'Red', 'Blue', 'Blue', 'Yellow', 'Green', 'Green', 'Green', 'Green']

>>> random.choice(population)
'Green'

A more general approach is to arrange the weights in a cumulative distribution with itertools.accumulate(), and then locate the random value with bisect.bisect():

>>> choices, weights = zip(*weighted_choices)
>>> cumdist = list(itertools.accumulate(weights))
>>> cumdist            # [3, 3+2, 3+2+1, 3+2+1+4]
[3, 5, 6, 10]

>>> x = random.random() * cumdist[-1]
>>> choices[bisect.bisect(cumdist, x)]
'Blue'