给定一个函数,它产生的是1到5之间的随机整数,写一个函数,它产生的是1到7之间的随机整数。
当前回答
int ans = 0;
while (ans == 0)
{
for (int i=0; i<3; i++)
{
while ((r = rand5()) == 3){};
ans += (r < 3) >> i
}
}
其他回答
int rand7() {
int value = rand5()
+ rand5() * 2
+ rand5() * 3
+ rand5() * 4
+ rand5() * 5
+ rand5() * 6;
return value%7;
}
与选定的解决方案不同,该算法将在常数时间内运行。然而,它对rand5的调用比所选解决方案的平均运行时间多2次。
请注意,这个生成器并不完美(数字0比任何其他数字都有0.0064%的可能性),但对于大多数实际目的,保证恒定的时间可能比这种不准确性更重要。
解释
这个解源于数字15624能被7整除的事实,因此,如果我们可以随机且均匀地生成从0到15624的数字,然后对7取余,我们就可以得到一个近乎均匀的rand7生成器。将rand5滚动6次,将0到15624之间的数字统一生成,并使用这些数字组成以5为基数的数字,如下所示:
rand5 * 5^5 + rand5 * 5^4 + rand5 * 5^3 + rand5 * 5^2 + rand5 * 5 + rand5
mod 7的属性允许我们稍微简化一下方程:
5^5 = 3 mod 7
5^4 = 2 mod 7
5^3 = 6 mod 7
5^2 = 4 mod 7
5^1 = 5 mod 7
So
rand5 * 5^5 + rand5 * 5^4 + rand5 * 5^3 + rand5 * 5^2 + rand5 * 5 + rand5
就变成了
rand5 * 3 + rand5 * 2 + rand5 * 6 + rand5 * 4 + rand5 * 5 + rand5
理论
15624这个数字不是随机选择的,而是可以用费马小定理来发现的,该定理指出,如果p是质数,那么
a^(p-1) = 1 mod p
这就得到,
(5^6)-1 = 0 mod 7
(5^6)-1等于
4 * 5^5 + 4 * 5^4 + 4 * 5^3 + 4 * 5^2 + 4 * 5 + 4
这是一个以5为底的数,因此我们可以看到,这种方法可以用于从任何随机数发生器到任何其他随机数发生器。尽管在使用指数p-1时总是会引入对0的小偏差。
为了更准确地推广这种方法,我们可以有这样一个函数:
def getRandomconverted(frm, to):
s = 0
for i in range(to):
s += getRandomUniform(frm)*frm**i
mx = 0
for i in range(to):
mx = (to-1)*frm**i
mx = int(mx/to)*to # maximum value till which we can take mod
if s < mx:
return s%to
else:
return getRandomconverted(frm, to)
这是我在看过别人的答案后得出的最简单的答案:
def r5tor7():
while True:
cand = (5 * r5()) + r5()
if cand < 27:
return cand
Cand在[6,27]范围内,如果r5()的可能结果是均匀分布的,则可能结果是均匀分布的。你可以用下面的代码来测试我的答案:
from collections import defaultdict
def r5_outcome(n):
if not n:
yield []
else:
for i in range(1, 6):
for j in r5_outcome(n-1):
yield [i] + j
def test_r7():
d = defaultdict(int)
for x in r5_outcome(2):
s = sum([x[i] * 5**i for i in range(len(x))])
if s < 27:
d[s] += 1
print len(d), d
R5_outcome(2)生成r5()结果的所有可能组合。我使用与解决方案代码中相同的筛选器进行测试。你可以看到所有的结果都是相等的,因为它们有相同的值。
如果我们考虑尝试给出最有效答案的附加约束,即给定一个长度为m(1-5)的均匀分布整数的输入流I,输出一个长度为m(1-7)的均匀分布整数的流O,长度为L(m)。
最简单的分析方法是将流I和O分别视为5元数和7元数。这是通过主答案的思想来实现的,即取流a1, a2, a3,…- > a1 + a2 + 5 * 5 ^ 2 * a3 + . .流O也是如此。
然后如果我们取长度为m的输入流的一段,选n s.t, 5^m-7^n=c,其中c>0,且尽可能小。然后有一个从长度为m的输入流到1到5^m的整数的统一映射,还有一个从1到7^n的整数到长度为n的输出流的统一映射,当映射的整数超过7^n时,我们可能不得不从输入流中丢失一些情况。
这就给出了L(m)的值约为m (log5/log7)也就是。82米。
上述分析的难点是方程5^m-7^n=c,它不容易精确求解,而在1到5^m的均匀值超过7^n的情况下,我们失去了效率。
问题是如何接近m (log5/log7)的最佳可能值。例如,当这个数字接近一个整数时,我们能否找到一种方法来实现这个精确的整数值输出?
如果5^m-7^n=c,那么从输入流中,我们有效地生成了一个从0到(5^m)-1的均匀随机数,并且不使用任何高于7^n的值。但是,这些值可以被保存并再次使用。它们有效地生成了从1到5^m-7^n的统一数字序列。所以我们可以尝试使用这些,并将它们转换成7位数,这样我们就可以创建更多的输出值。
如果我们让T7(X)是由大小为X的均匀输入导出的随机(1-7)整数的输出序列的平均长度,并假设5^m=7^n0+7^n1+7^n2+…+ 7 ^ nr + s, s < 7。
那么T7(5^m)=n0x7^n0/5^m + ((5^m-7^n0)/5^m) T7(5^m-7^n0)因为我们有一个无长度序列,概率为7^n0/5^m,残差长度为5^m-7^n0,概率为(5^m-7^n0)/5^m)。
如果我们一直代入,我们得到:
T7(5^m) = n0x7^n0/5^m + n1x7^n1/5^m + ... + nrx7^nr/5^m = (n0x7^n0 + n1x7^n1 + ... + nrx7^nr)/5^m
因此
L(m)=T7(5^m)=(n0x7^n0 + n1x7^n1 + ... + nrx7^nr)/(7^n0+7^n1+7^n2+...+7^nr+s)
另一种说法是:
If 5^m has 7-ary representation `a0+a1*7 + a2*7^2 + a3*7^3+...+ar*7^r
Then L(m) = (a1*7 + 2a2*7^2 + 3a3*7^3+...+rar*7^r)/(a0+a1*7 + a2*7^2 + a3*7^3+...+ar*7^r)
最好的情况是上面的原始情况,即5^m=7^n+s,其中s<7。
然后机械师》(5 ^ m) = nx (7 ^ n) / (7 ^ n + s) = o (n + 1) = m (Log5 / Log7) + o(1)美国之前。
最坏的情况是我们只能找到k和s.t 5^m = kx7+s。
Then T7(5^m) = 1x(k.7)/(k.7+s) = 1+o(1)
其他情况介于两者之间。看看对于很大的m,我们能做得多好,也就是说,我们能多好地得到误差项,这将是很有趣的:
T7(5^m) = m (Log5/Log7)+e(m)
一般来说,似乎不可能实现e(m)=o(1)但希望我们可以证明e(m)=o(m)。
整个问题取决于5^m的7位数字对不同m值的分布。
我相信有很多理论涵盖了这一点,我可能会在某个时候看一看并报告。
这个答案更像是一个从Rand5函数中获得最大熵的实验。因此,T有点不清楚,几乎可以肯定比其他实现慢得多。
假设0-4为均匀分布,0-6为均匀分布:
public class SevenFromFive
{
public SevenFromFive()
{
// this outputs a uniform ditribution but for some reason including it
// screws up the output distribution
// open question Why?
this.fifth = new ProbabilityCondensor(5, b => {});
this.eigth = new ProbabilityCondensor(8, AddEntropy);
}
private static Random r = new Random();
private static uint Rand5()
{
return (uint)r.Next(0,5);
}
private class ProbabilityCondensor
{
private readonly int samples;
private int counter;
private int store;
private readonly Action<bool> output;
public ProbabilityCondensor(int chanceOfTrueReciprocal,
Action<bool> output)
{
this.output = output;
this.samples = chanceOfTrueReciprocal - 1;
}
public void Add(bool bit)
{
this.counter++;
if (bit)
this.store++;
if (counter == samples)
{
bool? e;
if (store == 0)
e = false;
else if (store == 1)
e = true;
else
e = null;// discard for now
counter = 0;
store = 0;
if (e.HasValue)
output(e.Value);
}
}
}
ulong buffer = 0;
const ulong Mask = 7UL;
int bitsAvail = 0;
private readonly ProbabilityCondensor fifth;
private readonly ProbabilityCondensor eigth;
private void AddEntropy(bool bit)
{
buffer <<= 1;
if (bit)
buffer |= 1;
bitsAvail++;
}
private void AddTwoBitsEntropy(uint u)
{
buffer <<= 2;
buffer |= (u & 3UL);
bitsAvail += 2;
}
public uint Rand7()
{
uint selection;
do
{
while (bitsAvail < 3)
{
var x = Rand5();
if (x < 4)
{
// put the two low order bits straight in
AddTwoBitsEntropy(x);
fifth.Add(false);
}
else
{
fifth.Add(true);
}
}
// read 3 bits
selection = (uint)((buffer & Mask));
bitsAvail -= 3;
buffer >>= 3;
if (selection == 7)
eigth.Add(true);
else
eigth.Add(false);
}
while (selection == 7);
return selection;
}
}
每次调用Rand5添加到缓冲区的比特数目前是4/5 * 2,所以是1.6。 如果包括1/5的概率值,则增加0.05,因此增加1.65,但请参阅代码中的注释,我不得不禁用它。
调用Rand7消耗的比特数= 3 + 1/8 *(3 + 1/8 *(3 + 1/8 *(… 这是3 + 3/8 + 3/64 + 3/512…大约是3.42
通过从7中提取信息,我每次调用回收1/8*1/7位,大约0.018
这使得每次调用的净消耗为3.4比特,这意味着每一次Rand7调用到Rand5的比率为2.125。最优值应该是2.1。
我可以想象这种方法比这里的许多其他方法都要慢得多,除非调用Rand5的代价非常昂贵(比如调用一些外部熵源)。
(我剽窃了亚当·罗森菲尔德的答案,使其运行速度提高了7%左右。)
假设rand5()返回分布相等的{0,1,2,3,4}中的一个,目标是返回分布相等的{0,1,2,3,4,5,6}。
int rand7() {
i = 5 * rand5() + rand5();
max = 25;
//i is uniform among {0 ... max-1}
while(i < max%7) {
//i is uniform among {0 ... (max%7 - 1)}
i *= 5;
i += rand5(); //i is uniform {0 ... (((max%7)*5) - 1)}
max %= 7;
max *= 5; //once again, i is uniform among {0 ... max-1}
}
return(i%7);
}
我们在跟踪这个循环在变量max中所能产生的最大值。如果到目前为止的结果在max%7和max-1之间,那么结果将均匀分布在该范围内。如果不是,则使用余数,余数是0到max%7-1之间的随机数,然后再次调用rand()来生成一个新的数字和一个新的max。然后我们重新开始。
编辑:在这个方程中,期望调用rand5()的次数是x:
x = 2 * 21/25
+ 3 * 4/25 * 14/20
+ 4 * 4/25 * 6/20 * 28/30
+ 5 * 4/25 * 6/20 * 2/30 * 7/10
+ 6 * 4/25 * 6/20 * 2/30 * 3/10 * 14/15
+ (6+x) * 4/25 * 6/20 * 2/30 * 3/10 * 1/15
x = about 2.21 calls to rand5()