Генерация псевдослучайных чисел в Python

В компьютерных приложениях часто возникает необходимость в подражании случайности, особенно при создании игр. Если в программе присутствует генератор чисел, который вырабатывает случайные числа, их можно использовать для определения различных путей выполнения программы или случайного выбора объекта из коллекции. Главная задача – сгенерировать число. Эмуляция другого типа случайности также строится на этом принципе.

Мы не можем с уверенностью утверждать, существует ли случайность в природе или это просто наше представление из-за недостатка знаний. Что мы знаем точно, так это то, что в программировании настоящей случайности нет. Произвольное число не возьмется из ниоткуда, и запрограммировать его появление невозможно. Однако можно создать программу, которая, применяя сложную формулу к "зерну", выдает число, кажущееся случайным.

"Зерно" – это исходные данные для формулы. Например, в качестве "зерна" может выступать системное время в миллисекундах, которое постоянно изменяется, и поэтому "зерно" всегда будет различным. Программист также может задать его вручную.

Такую программу (точнее модуль или функцию) называют генератором псевдослучайных чисел. В стандартной библиотеке языка Python существует модуль random, содержащий множество функций для работы с псевдослучайностью, например, "перемешивание" элементов последовательности, и не только генерацию псевдослучайных чисел.

На этом уроке мы обсудим функции random(), randrange() и randint() из модуля random. Имейте в виду, что в модуле random присутствует одноимённая функция random(). Бывает и такое.

Чтобы воспользоваться функциями, необходимо импортировать модуль random:

>>> import random

Либо импортировать отдельные функции из него:

>>> from random import random, randrange, randint

Функции получения целых псевдослучайных чисел — randint() и randrange()

Функции randint() и randrange() предназначены для генерации псевдослучайных целых чисел. Первая из них является более простой, так как она всегда принимает два аргумента — границы целочисленного диапазона, из которого выбирается любое число:

>>> random.randint(0, 10)
6

или (при импорте отдельных функций):

>>> randint(100, 200)
110

В случае randint() обе границы включены в диапазон, т. е. на математическом языке он обозначается как [a; b].

Числа могут быть отрицательными:

>>> random.randint(-100, 10)
-83
>>> random.randint(-100, -10)
-38

Важно отметить, что первое число всегда должно быть меньше или равно второму, то есть условно a <= b.

Функция randrange() предоставляет больше возможностей. Она может принимать один, два или даже три аргумента. Если указан только один, то возвращается случайное число от 0 до этого аргумента, не включая последний. На математическом языке это описывается как [0; a).

>>> random.randrange(10)
4

Или:

>>> randrange(5)
0

При передаче функции randrange() двух аргументов она ведёт себя как randint(), за исключением того, что верхняя граница не включается в диапазон, т. е. [a; b).

>>> random.randrange(5, 10)
9
>>> random.randrange(1, 2)
1

В этом случае второй вызов всегда будет возвращать число 1.

Если в randrange() используются три аргумента, то первые два обозначают границы диапазона, как в случае с двумя аргументами, а третий аргумент определяет шаг. Используя randrange(10, 20, 3), можно получить одно из следующих чисел: 10, 13, 16, или 19:

>>> random.randrange(10, 20, 3)
13
>>> random.randrange(10, 20, 3)
19
>>> random.randrange(10, 20, 3)
10

Функция random() для генерации вещественных "случайных" чисел

Чтобы получить случайное вещественное число, следует воспользоваться функцией random() из одноименного модуля Python. Эта функция не требует аргументов и возвращает число от 0 до 1, исключительно:

>>> random.random()
0.17855729241927576
>>> random.random()
0.3310978930421846

или такой вариант:

>>> random()
0.025328854415995194

Лучше использовать большую точность, но если вам требуется округлить результат, то в Python удобно воспользоваться функцией round():

>>> a = random.random()
>>> a
0.8366142721623201
>>> round(a, 2)
0.84
>>> round(random.random(), 3)
0.629

Если требуется генерация случайных вещественных чисел в пределах отличных от [0; 1), нужно использовать математические трюки. Простейший из них — умножение результата функции random() на нужное целое число для получения вещественного в диапазоне от 0 до этого числа, не включая его:

>>> random.random() * 10
2.510618091637596
>>> random.random() * 10
6.977540211221759

Если требуется нижняя граница, отличная от нуля, просто умножьте число из random() на разницу между верхней и нижней границами, добавив нижнюю границу:

>>> random.random() * (10 - 4) + 4
9.517280589233597
>>> random.random() * (10 - 4) + 4
6.4429124181215975
>>> random.random() * (10 - 4) + 4
4.9231983600782385

В этом примере число умножается на 6, и результат — число в диапазоне от 0 до 6. Добавляем 4 и получаем число от 4 до 10.

Для примера получения чисел в диапазоне от -1 до 1:

>>> random.random() * (1 + 1) - 1
-0.673382618351051
>>> random.random() * (1 + 1) - 1
0.34121487148075924
>>> random.random() * (1 + 1) - 1
-0.988751324713907
>>> random.random() * (1 + 1) - 1
0.44137358363477674

Здесь нижняя граница равна -1. Когда добавляется верхняя граница, то происходит замена на минус ( +(-1) = - 1).

Используя функцию random(), можно генерировать любые псевдослучайные числа. Если необходимо получить целое число, его можно округлить с помощью функции round() или отбросить дробную часть с помощью int():

>>> int(random.random() * 100)
61
>>> round(random.random() * 100 - 50)
-33

Практическая работа

1. Используя функцию randrange(), получите псевдослучайное четное число в диапазоне от 6 до 12. Также получите число, кратное пяти, от 5 до 100.
2. Напишите программу, которая запрашивает у пользователя границы диапазона и тип числа (целое или вещественное), которое он хочет получить. На экран выводится подходящее случайное число.