用Python生成隨機數：從種子random generator開始

一、隨機數及其應用

隨機數是計算機科學中的常用應用，涉及到密碼學、遊戲、模擬、統計等多個領域。對於遊戲來說，生成隨機數可以增加遊戲的可玩性、趣味性，同時還可以防止玩家預測遊戲出現的情況，增加遊戲的公平性；而對於模擬和統計來說，隨機數可以讓結果更真實、更準確、更有科學意義。

Python提供了許多生成隨機數的模塊，其中最常見的是random模塊，通過該模塊的功能，我們可以得到一個隨機數，具體實現如下：

import random
print(random.random()) #輸出 [0, 1) 中的隨機浮點數
print(random.randint(1, 100)) #輸出 [1, 100] 中的隨機整數

二、隨機數的種子與生成器

要想得到真正的隨機數，需要有真正的隨機源。而計算機程序中的隨機數能夠生成的範圍是有限的，所以需要使用偽隨機數生成器來解決這一問題。偽隨機數生成器是一個確定性的計算機演算法，它能夠根據初始輸入（即種子）來生成一系列看似無序的數字序列。

Python的random模塊中的偽隨機數生成器使用的種子是當前系統時間，因此每次運行程序的時候，都會得到不同的隨機數，代碼如下：

import random
print(random.randint(1, 100))

如果想得到相同的隨機數序列，就需要使用相同的種子。一般情況下，我們使用當前時間戳來做種子，如下所示：

import random
import time
random.seed(time.time())
print(random.randint(1, 100))

上述代碼中，使用了當前時間戳作為種子，得到的隨機數和運行程序的時間有關。如果希望得到確定性的隨機數序列，可以將種子設置為一個特定值，比如：

import random
random.seed(1) #種子設置為1
print(random.randint(1, 100))

上述代碼中，每次運行程序都會得到相同的隨機數序列。

三、隨機數生成器的高級應用

在Python中，random模塊提供了許多高級的隨機數生成器，如隨機選擇序列中的元素、隨機生成字元串、生成隨機布爾值等。具體實現如下：

import random
print(random.choice(['apple', 'banana', 'orange'])) #從序列中隨機選擇一個元素
print(random.sample(['apple', 'banana', 'orange', 'pear', 'grape'], k=3)) #從序列中隨機選擇指定數量的元素
print(random.choices(['apple', 'banana', 'orange'], weights=[1, 2, 3], k=5)) #從序列中隨機選擇指定數量的元素，每個元素被選中的概率不同
print(''.join(random.choices('abcdefghij', k=4))) #隨機生成長度為4的字元串
print(random.randrange(0, 101, 2)) #輸出 [0, 100] 中的偶數
print(random.uniform(1, 10)) #輸出 [1, 10) 中的隨機浮點數
print(random.getrandbits(16)) #輸出一個16位的隨機整數
print(random.random() < 0.5) #輸出一個隨機的布爾值

四、總結

本文介紹了如何在Python中生成隨機數，探討了隨機數的應用、隨機數生成器的原理，以及如何使用種子和高級隨機數生成器。在實際應用中，生成隨機數可以提高程序的可玩性、重複性以及結果的準確性。通過學習本文，可以更好地理解隨機數的概念及其應用，進一步提升Python編程能力。