Курсовая работа: Статистическое исследование свойств псевдослучайных чисел получаемых методом Джона фон Неймана

Числа, генерируемые с помощью этих ГСЧ, всегда являются псевдослучайными, то есть каждое последующее сгенерированное число зависит от предыдущего:

Последовательности, составленные из таких чисел, образуют петли, то есть обязательно существует цикл, повторяющийся бесконечное число раз. Повторяющиеся циклы называются периодами.

Достоинством данных ГСЧ является быстродействие; генераторы практически не требуют ресурсов памяти, компактны. Недостатки: числа нельзя в полной мере назвать случайными, поскольку между ними имеется зависимость, а также наличие периодов в последовательности псевдослучайных чисел.

К алгоритмическим методам получения ГСЧ относиться метод серединных квадратов, предложенный в 1946 г. Дж. фон Нейманом.

Метод серединных квадратов

Имеется некоторое четырехзначное число R0. Это число возводится в квадрат и заносится в R1. Далее из R1 берется середина (четыре средних цифры) — новое случайное число — и записывается в R0. Затем процедура повторяется . Отметим, что на самом деле в качестве случайного числа необходимо брать не ghij, а 0.ghij — с приписанным слева нулем и десятичной точкой. Поясним его на примере. Пусть задано 4-значное целое число n1 = 9876. Возведем его в квадрат. Получим, вообще говоря, 8-значное число 97 535 376. Выберем четыре средние цифры из этого числа и обозначим n2 = 5353. Затем возведем его в квадрат (28 654 609) и снова извлечем 4 средние цифры. Получим n3 = 6546. Далее, 42 850116, n4 = 8501 и т. д. В качестве значений случайной величины предлагается использовать значения 0,9876; 0,5353; 0,6546; 0,8501; 0,2670; 0,1289.

Недостатки метода:

1) если на некоторой итерации число R0 станет равным нулю, то генератор вырождается, поэтому важен правильный выбор начального значения R0;

2) генератор будет повторять последовательность через Mn шагов (в лучшем случае), где n — разрядность числа R0, M — основание системы счисления.

Для примера : если число R0 будет представлено в двоичной системе счисления, то последовательность псевдослучайных чисел повторится через 24 = 16 шагов. Заметим, что повторение последовательности может произойти и раньше, если начальное число будет выбрано неудачно.

Характеристики генератора псевдослучайных чисел

Последовательности случайных чисел, формируемых тем или иным ГСЧ, должны удовлетворять ряду требований. Во-первых, числа должны выбираться из определенного множества, чаще всего это действительные числа в интервале от 0 до 1 либо целые от 0 до N. Во-вторых, последовательность должна подчиняться определенному распределению на заданном множестве ,чаще всего распределение равномерное.

ГСЧ должен выдавать близкие к следующим значения статистических параметров, характерных для равномерного случайного закона:

— математическое ожидание; — дисперсия; — среднеквадратичное отклонение.

Необязательным является требование воспроизводимости последовательности. Если ГСЧ позволяет воспроизвести заново однажды сформированную последовательность, отладка программ с использованием такого ГСЧ значительно упрощается.

Поскольку псевдослучайные числа не являются действительно случайными, качество ГСЧ очень часто оценивается по «случайности» получаемых чисел. В эту оценку могут входить различные показатели, например, длина цикла (количество итераций, после которого ГСЧ зацикливается), взаимозависимости между соседними числами (могут выявляться с помощью различных методов теории вероятностей и математической статистики) и т.п.

За эталон генератора случайных чисел (ГСЧ) принят такой генератор, который порождает последовательность случайных чисел с равномерным законом распределения в интервале (0; 1). За одно обращение данный генератор возвращает одно случайное число.

Если наблюдать такой ГСЧ достаточно длительное время, то окажется, что, например, в каждый из десяти интервалов (0; 0.1), (0.1; 0.2), (0.2; 0.3), …, (0.9; 1) попадет практически одинаковое количество случайных чисел — то есть они будут распределены равномерно по всему интервалу (0; 1).

Если изобразить на графике k = 10 интервалов и частоты Ni попаданий в них, то получится экспериментальная кривая плотности распределения случайных чисел.

Равномерный закон распределения

Непрерывная случайная величина Х имеет равномерный закон распределения на отрезке [a, b], если ее плотность распределения f(x) постоянна на этом отрезке и равна нулю вне его, т.е.

f(x)=

Кривая распределения f(x) и график функции распределения F(x) случайной величины X приведены рис. 1.1.