تولید اعداد تصادفی در رایانه
از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد.
از آنجاییکه رایانه‌ها ماشین‌هایی از نوع معیّن (Deterministic) هستند، با دریافت ورودی یکسان، همیشه یک خروجی بیرون می‌دهند. ازین رو تولید اعداد تصادفی در کامپیوتر مبحثی است که در این مقاله به بررسی آن می‌پردازیم.
فهرست مندرجات |
[ویرایش] در برنامه‌نویسی
در زبان‌های برنامه نویسی مختلف تابعی وجود دارد که عددی تصادفی و معمولاً در بازهٔ صفر و یک تولید می‌کند. این تابع باید به گونه‌ای باشد که با چند بار تولید عدد تصادفی کاربر قادر به حدس زدن و پیدا کردن قاعده و الگویی در ایجاد این اعداد نشود.
[ویرایش] رایانه چه کاری انجام می‌دهد؟
هر بار که این تابع صدا زده می‌شود، رایانه عدد تولید شدهٔ قبلی را به عنوان ورودی جدید تابع تولید عدد تصادفی می‌فرستد. منشاء مشکل نیز در همین مرحله است.
[ویرایش] منشاء مشکل تولید اعداد تصادفی
هر بار که این تابع صدا زده شود، بر اساس ماهیت جبری ماشین و با توجه به مقدار اولیهٔ فرستاده شده به تابع تولید عدد تصادفی (seed) باید با یک دنباله از اعداد مشابه یکدیگر مواجه شویم.
[ویرایش] یک مثال دنیای واقعی
در زبان برنامه‌نویسی جاوا، کلاسی وجود دارد با نام Random که دو نوع Constructor دارد. نوع اول آن ورودی دریافت نمی‌کند ولی نوع دوم آن یک عدد long به عنوان seed که همان ورودی اولیهٔ تابع تولید عدد تصادفی است، دریافت می‌کند.
یک شیٔ از این کلاس برای تولید دنباله‌ای از اعداد شبهتصادفی به کار می‌رود. این کلاس از جاوا دارای متدهایی مانند next که برای دریافت عدد شبه تصادفی بعدی است، است. اگر seed یا مقدار اولیهٔ فرستاده شده به Constructor یکسان باشد. ما با گرفتن اعداد بعدی از دو شیٔ با دنباله‌ای کاملاً یکسان از اعداد مواجه می‌شویم. در زیر قسمتی از تابع next در کلاس Random را مشاهده می‌کنید.
synchronized protected int next(int bits) {
seed = (seed * 0x5DEECE66DL + 0xBL) & ((1L << 48) - 1);
return (int)(seed >>> (48 - bits));
}
این تابع و در واقع روش پیش‌روی و به دست آوردن seed و یا مقدار اولیهٔ بعدی در جاوا، بر گرفته از روش پیشنهادی دونالد کنوت در کتاب هنر برنامه‌نویسی کامپیوتر می‌باشد.
[ویرایش] چگونه مقدار اولیه مناسب را پیدا کنیم؟
در برنامه‌نویسی به عنوان مثال برای نوشتن یک بازی راه‌حل‌های گوناگونی مانند قرار دادن مقدار اولیه برابر با تعداد بازی‌های انجام شده بر روی رایانه و یا ذخیرهٔ خروجی آخرین seed از برنامهٔ قبلی در حال اجرا است. با اینحال کماکان مشکل مقدار دهی اولین seed پابرجاست.
[ویرایش] اولین seed
راحت‌ترین راه حل این مسأله در دنیای کامپیوتر استفاده از زمان فعلی دستگاه است. کامپیوترهای امروزی زمان را با دقت میلی‌ثانیه در دسترس دارند. برنامه‌ها می‌توانند زمان اولین اجرای خود را به عنوان seed به اولین باری که تابع تولید اعداد تصادفی صدا زده می‌شود، بفرستند. ولی اگر باز هم دونفر به طور کاملاً هم‌زمان برنامه را اجرا کنند خروجی یکسان دریافت خواهند کرد. این مشکل هم با افزودن معیارهای دیگری به seed مانند زمان آخرین کلیک موشی (Mouse Click)، مدت زمان بالا بودن سیستم عامل و مواردی مشابه، به مقدار زیادی کاهش داد. با افزودن این معیارها و معیارهای مشابه دیگر به برنامه احتمال ایجاد تشابه را به سمت صفر کاهش می‌دهیم.
[ویرایش] آیا مشکل ما کاملاً حل شده است؟!
خیر!. به عنوان مثال در همان زبان برنامه‌نویسی جاوا که به عنوان نمونه آورده شد، ورودی Constructor یک عدد از نوع اولیهٔ long به عنوان ورودی می‌گیرد. این عدد long یک عدد ۶۴ بیتی در جاوا است که خود باعث محدود شدن seed و امکان به وجود آمدن اعداد تصادفی برابر را فراهم می‌سازد.
[ویرایش] اعداد شبه تصادفی
همانطور که دیدیم اعداد تصادفی تولید شده توسط رایانه و محاسبات ریاضی اعداد کاملاً تصادفی نبوده و از اینرو این اعداد را اعداد شبه تصادفی می‌نامند.
[ویرایش] روشهای فیزیکی و سخت افزاری تولید اعداد تصادفی
امروزه تلاشهای بسیاری برای استفاده از علم مکانیک کوانتوم به عنوان استاندارد طلایی تصادفی بودن در حال انجام است. به عنوان مثال:
- استفاده از صداهای جوی دریافت شده توسط رادیوی متصل به رایانه.
- تابش حاصل از شکافت هسته‌ای که توسط یک Geiger counter متصل به رایانه دریافت می‌شود.
[ویرایش] منابع
برداشت آزادی از توضیحات در مورد بازی Minesweeper و امکان ایجاد تشابه در حالت‌های بازی در این مقاله از پایگاه وب Xona.com
مرجع زبان برنامه‌نویسی جاوا از پایگاه وب شرکت Sun
روشهای سخت افزاری تولید اعداد تصادفی از ویکی‌پدیای انگلیسی
