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伪随机数的定义,伪随机数的原理

来源:小易整编  作者:小易  发布时间:2023-02-22 06:27
摘要:在复杂网络分析领域,经常需要研究随机性。很多复杂网络的配置模型(例如ER图和无标度网络)在生成网络实例的时候,都需要通过计算机产生随机数。我们大多数时间不需要知道计算机产生随机数的具体细节,不过这里还是整理一下相关的知识,其中包含了一些很有...

在复杂网络分析领域,经常需要研究随机性。很多复杂网络的配置模型(例如ER图和无标度网络)在生成网络实例的时候,都需要通过计算机产生随机数。我们大多数时间不需要知道计算机产生随机数的具体细节,不过这里还是整理一下相关的知识,其中包含了一些很有意思的思想和方法。

本文介绍了伪随机数的定义、生成和检验,主要回答以下两个问题:(1)为什么计算机生成的随机数叫“伪”随机数?(2)为什么我们将确定性的伪随机数视为“随机”的?

真随机与伪随机

(1)计算机是一个确定性的设备,这种完全确定性的系统,自身很难产生真正的随机数。
(2)但是,通过引入系统以外的变量,实际上是可以生成统计意义上的真随机数的。
真随机数:
具备不确定性的随机数序列。
真随机数可以通过物理方法产生,例如掷骰子,但是这种方法产生的随机数有以下缺点:(1)难以复现,(2)耗费资源,(3)难以被计算机利用。
对于电脑来说,这种不能通过确定性的系统自身产生,Linux实现了通过硬件(系统运行的噪声)产生的“真”随机数。
但是这种方法有一些问题。例如,系统运行的噪声并不完全是随机的,只是很难预测(例如鼠标事件可能本身就是有一定规律的)。此外,我们很难知道这种方法产生的随机数的具体分布。也就是说,我们没有办法通过这种方法产生一个指定分布(例如均匀分布,泊松分布...)的随机数。
(似乎/dev/urandom生成的是不太完善的均匀分布的随机数:https://stackoverflow.com/questions/41945941/what-is-the-distribution-of-dev-urandom-code-to-verify)
伪随机数:
伪随机数之所以“伪”,是因为它实际上不具备不确定性,是可以预测的。
伪随机数通过一个确定的函数和一个种子产生的,也就是说,知道了种子(或已经产生的随机数),就可以计算得到接下来随机数序列。

伪随机数的检验

上面说到,伪随机数是完全可以预测的。那么,就有一个问题:它的“随机性”又是怎么一回事呢?

伪随机数生成器的“随机性”指的是它生成的序列看起来像一组随机数:

假设我们有一个(0,1)均匀分布的伪随机数生成器,它生成了一组样本A。

假设我们有一个“真正的”(0,1)均匀分布的随机事件,它生成了一组样本B。

那么,A和B具有完全相同的统计规律。

换句话说,如果如果只给了一串样本,几乎没有办法区分它是由真正的随机事件产生的,还是通过伪随机数生成器生成的。

换句话说,如果一个伪随机数生成器生成的一串样本能够通过:(1-1)均匀分布的检验,(1-2)独立性的检验;我们就认为这个伪随机数生成器生成了独立同均匀分布的随机数。

伪随机数生成器的检验通常有以下两种:(1)实证检验(Empirical test);(2)理论检验(Theoretical test)。

其中,实证检验的全部方法的总结如下图所示:

伪随机数的定义,伪随机数的原理

(1)实证检验(Empirical test) 

(1-1)均匀分布的检验

实证检验采用的是假设检验的思路,主要看的是生成的样本的分布(Empirical)和均匀分布(Theoritical)的相似程度。

假设检验的Null Hypothesis是:

生成的样本的分布和均匀分布没有显著差别。

对于均匀分布的检验主要有两种:Kolmogorov-Smirnov test和Chi-square test。(其实不一定要是均匀分布,这两种检验可以检验任意分布)。

(1-1-1)Kolmogorov-Smirnov test

基本思想是看理论分布F(x)和样本频数之间的最大差值。

伪随机数的定义,伪随机数的原理

具体步骤:

伪随机数的定义,伪随机数的原理

关于KS检验的D统计量,有如下图形化的解释:


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