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。

除了我的第一个答案，我想再补充一个答案。这个答案试图最小化每次调用rand7()时对rand5()的调用次数，以最大限度地利用随机性。也就是说，如果你认为随机性是一种宝贵的资源，我们就会尽可能多地利用它，而不丢弃任何随机比特。这个答案也与伊万的回答中的逻辑有一些相似之处。

The entropy of a random variable is a well-defined quantity. For a random variable which takes on N states with equal probabilities (a uniform distribution), the entropy is log2 N. Thus, rand5() has approximately 2.32193 bits of entropy, and rand7() has about 2.80735 bits of entropy. If we hope to maximize our use of randomness, we need to use all 2.32193 bits of entropy from each call to rand5(), and apply them to generating 2.80735 bits of entropy needed for each call to rand7(). The fundamental limit, then, is that we can do no better than log(7)/log(5) = 1.20906 calls to rand5() per call to rand7().

附注:除非另有说明，否则此答案中的所有对数都将以2为底。Rand5()将被假定为返回范围[0,4]的数字，rand7()将被假定为返回范围[0,6]的数字。分别将范围调整为[1,5]和[1,7]是很简单的。

So how do we do it? We generate an infinitely precise random real number between 0 and 1 (pretend for the moment that we could actually compute and store such an infinitely precise number -- we'll fix this later). We can generate such a number by generating its digits in base 5: we pick the random number 0.a1a2a3..., where each digit ai is chosen by a call to rand5(). For example, if our RNG chose ai = 1 for all i, then ignoring the fact that that isn't very random, that would correspond to the real number 1/5 + 1/52 + 1/53 + ... = 1/4 (sum of a geometric series).

Ok, so we've picked a random real number between 0 and 1. I now claim that such a random number is uniformly distributed. Intuitively, this is easy to understand, since each digit was picked uniformly, and the number is infinitely precise. However, a formal proof of this is somewhat more involved, since now we're dealing with a continuous distribution instead of a discrete distribution, so we need to prove that the probability that our number lies in an interval [a, b] equals the length of that interval, b - a. The proof is left as an exercise for the reader =).

现在我们有一个从范围[0,1]中均匀选择的随机实数，我们需要将它转换为范围[0,6]中的一系列均匀随机数，以生成rand7()的输出。我们怎么做呢?与我们刚才所做的正好相反——我们将其转换为以7为底的无限精确小数，然后每个以7为底的数字将对应于rand7()的一个输出。

以前面的例子为例，如果rand5()产生无限的1流，那么我们的随机实数将是1/4。将1/4换算成7为底，我们得到了无穷大小数0.15151515…，因此我们将产生作为输出1,5,1,5,1,5，等等。

好了，我们有了主要的思想，但还有两个问题:我们实际上无法计算或存储一个无限精确的实数，那么我们如何处理它的有限部分呢?第二，我们怎么把它换算成7进制呢?

将0到1之间的数字转换为以7为底的一种方法如下:

乘以7 结果的积分部分是下一个以7为基数的数字 减去积分部分，只留下小数部分 转到第一步

为了处理无限精度的问题，我们计算一个部分结果，并存储结果的上界。也就是说，假设我们调用rand5()两次，两次都返回1。到目前为止，我们生成的数字是0.11(以5为基数)。无论rand5()调用的无限序列的剩余部分产生什么，我们生成的随机实数永远不会大于0.12:0.11≤0.11xyz…< 0.12。

因此，跟踪当前数字到目前为止，以及它可能的最大值，我们将两个数字都转换为以7为底。如果它们对前k位一致，那么我们就可以安全地输出下k位——不管以5为底的无限流是什么，它们永远不会影响以7为底表示的下k位!

这就是生成rand7()的下一个输出的算法，我们只生成rand5()的足够多的数字，以确保我们确定地知道在将随机实数转换为以7为底的过程中下一个数字的值。下面是一个带有测试工具的Python实现:

import random

rand5_calls = 0
def rand5():
    global rand5_calls
    rand5_calls += 1
    return random.randint(0, 4)

def rand7_gen():
    state = 0
    pow5 = 1
    pow7 = 7
    while True:
        if state / pow5 == (state + pow7) / pow5:
            result = state / pow5
            state = (state - result * pow5) * 7
            pow7 *= 7
            yield result
        else:
            state = 5 * state + pow7 * rand5()
            pow5 *= 5

if __name__ == '__main__':
    r7 = rand7_gen()
    N = 10000
    x = list(next(r7) for i in range(N))
    distr = [x.count(i) for i in range(7)]
    expmean = N / 7.0
    expstddev = math.sqrt(N * (1.0/7.0) * (6.0/7.0))

    print '%d TRIALS' % N
    print 'Expected mean: %.1f' % expmean
    print 'Expected standard deviation: %.1f' % expstddev
    print
    print 'DISTRIBUTION:'
    for i in range(7):
        print '%d: %d   (%+.3f stddevs)' % (i, distr[i], (distr[i] - expmean) / expstddev)
    print
    print 'Calls to rand5: %d (average of %f per call to rand7)' % (rand5_calls, float(rand5_calls) / N)

注意，rand7_gen()返回一个生成器，因为它的内部状态涉及到将数字转换为以7为基数。测试工具调用next(r7) 10000次以产生10000个随机数，然后测量它们的分布。只使用整数数学，所以结果是完全正确的。

还要注意，这里的数字变得非常大，非常快。5和7的幂增长很快。因此，在生成大量随机数后，由于大算术，性能将开始明显下降。但请记住，我的目标是最大化随机位的使用，而不是最大化性能(尽管这是次要目标)。

在一次运行中，我对rand5()进行了12091次调用，对rand7()进行了10000次调用，实现了log(7)/log(5)次调用的最小值，平均为4位有效数字，结果输出是均匀的。

为了将这段代码移植到一种没有内置任意大整数的语言中，您必须将pow5和pow7的值限制为本地整型类型的最大值——如果它们变得太大，则重置所有内容并重新开始。这将使每次调用rand7()时对rand5()的平均调用次数略有增加，但希望即使对于32或64位整数也不会增加太多。

Here's a solution that fits entirely within integers and is within about 4% of optimal (i.e. uses 1.26 random numbers in {0..4} for every one in {0..6}). The code's in Scala, but the math should be reasonably clear in any language: you take advantage of the fact that 7^9 + 7^8 is very close to 5^11. So you pick an 11 digit number in base 5, and then interpret it as a 9 digit number in base 7 if it's in range (giving 9 base 7 numbers), or as an 8 digit number if it's over the 9 digit number, etc.:

abstract class RNG {
  def apply(): Int
}

class Random5 extends RNG {
  val rng = new scala.util.Random
  var count = 0
  def apply() = { count += 1 ; rng.nextInt(5) }
}

class FiveSevener(five: RNG) {
  val sevens = new Array[Int](9)
  var nsevens = 0
  val to9 = 40353607;
  val to8 = 5764801;
  val to7 = 823543;
  def loadSevens(value: Int, count: Int) {
    nsevens = 0;
    var remaining = value;
    while (nsevens < count) {
      sevens(nsevens) = remaining % 7
      remaining /= 7
      nsevens += 1
    }
  }
  def loadSevens {
    var fivepow11 = 0;
    var i=0
    while (i<11) { i+=1 ; fivepow11 = five() + fivepow11*5 }
    if (fivepow11 < to9) { loadSevens(fivepow11 , 9) ; return }
    fivepow11 -= to9
    if (fivepow11 < to8) { loadSevens(fivepow11 , 8) ; return }
    fivepow11 -= to8
    if (fivepow11 < 3*to7) loadSevens(fivepow11 % to7 , 7)
    else loadSevens
  }
  def apply() = {
    if (nsevens==0) loadSevens
    nsevens -= 1
    sevens(nsevens)
  }
}

如果你将一个测试粘贴到解释器中(实际上是REPL)，你会得到:

scala> val five = new Random5
five: Random5 = Random5@e9c592

scala> val seven = new FiveSevener(five)
seven: FiveSevener = FiveSevener@143c423

scala> val counts = new Array[Int](7)
counts: Array[Int] = Array(0, 0, 0, 0, 0, 0, 0)

scala> var i=0 ; while (i < 100000000) { counts( seven() ) += 1 ; i += 1 }
i: Int = 100000000

scala> counts
res0: Array[Int] = Array(14280662, 14293012, 14281286, 14284836, 14287188,
14289332, 14283684)

scala> five.count
res1: Int = 125902876

分布很好，很平坦(在每个箱子中，10^8的1/7大约在10k范围内，就像预期的近似高斯分布一样)。

下面使用随机数发生器在{1,2,3,4,5,6,7}上产生均匀分布，在{1,2,3,4,5}上产生均匀分布。代码很混乱，但逻辑很清晰。

public static int random_7(Random rg) {
    int returnValue = 0;
    while (returnValue == 0) {
        for (int i = 1; i <= 3; i++) {
            returnValue = (returnValue << 1) + SimulateFairCoin(rg);
        }
    }
    return returnValue;
}

private static int SimulateFairCoin(Random rg) {
    while (true) {
        int flipOne = random_5_mod_2(rg);
        int flipTwo = random_5_mod_2(rg);

        if (flipOne == 0 && flipTwo == 1) {
            return 0;
        }
        else if (flipOne == 1 && flipTwo == 0) {
            return 1;
        }
    }
}

private static int random_5_mod_2(Random rg) {
    return random_5(rg) % 2;
}

private static int random_5(Random rg) {
    return rg.Next(5) + 1;
}    

亚当·罗森菲尔德正确答案的前提是:

X = 5^n(在他的例子中，n=2) 操作n个rand5次调用以获得范围[1,x]内的数字y Z = ((int)(x / 7)) * 7 如果y > z，再试一次。否则返回y % 7 + 1

当n = 2时，有4种可能:y ={22,23,24,25}。如果你使用n = 6，你只有1个扔掉的东西:y ={15625}。

5^6 is 15625 7 times 2232 is 15624

你又给rand5个电话。但是，您获得一个丢弃值(或无限循环)的机会要低得多。如果有办法让y没有可能的一次性值，我还没有找到它。

这里我们使用约定的rand(n) -> [0, n - 1]

从我读到的许多答案中，它们要么提供了一致性，要么提供了暂停保证，但不能同时提供(adam rosenfeld的第二个答案可能)。

然而，这样做是可能的。我们基本上有这样的分布:

这给[0-6]上的分布留下了一个漏洞:5和6没有 发生的概率。想象一下，现在我们试图通过移动 概率分布和求和。

事实上，我们可以把初始分布平移1，然后 重复将得到的分布与移位的初始分布相加 2，然后3，以此类推，直到7，不包括在内(我们涵盖了整个范围)。 如下图所示。颜色的顺序，对应 步骤，是蓝色->绿色->青色->白色->品红->黄色->红色。

因为每个插槽由7个移位分布中的5个覆盖(移位从 0到6)，因为我们假设随机数是独立于1的 Ran5()呼叫另一个，我们获得

p(x) = 5 / 35 = 1 / 7       for all x in [0, 6]

这意味着，给定来自ran5()的7个独立随机数，我们可以 计算一个在[0-6]范围内具有均匀概率的随机数。 实际上是ran5()概率 分布甚至不需要均匀，只要样本是均匀的 独立(所以每次试验的分布保持不变) 同样，这也适用于5和7之外的其他数字。

这为我们提供了以下python函数:

def rand_range_transform(rands):
    """
    returns a uniform random number in [0, len(rands) - 1]
    if all r in rands are independent random numbers from the same uniform distribution
    """
    return sum((x + i) for i, x in enumerate(rands)) % len(rands) # a single modulo outside the sum is enough in modulo arithmetic

可以这样使用:

rand5 = lambda : random.randrange(5)

def rand7():
    return rand_range_transform([rand5() for _ in range(7)])

如果我们调用rand7() 70000次，我们可以得到:

max: 6 min: 0 mean: 2.99711428571 std: 2.00194697049
0:  10019
1:  10016
2:  10071
3:  10044
4:  9775
5:  10042
6:  10033

这很好，尽管远非完美。事实上，我们的一个假设是 在这个实现中很可能是false:我们使用一个PRNG，因此，结果 的值依赖于上一个结果。

也就是说，使用一个真正随机的数字来源，输出也应该是 真正随机的。这个算法在任何情况下都终止。

但这是有代价的:我们需要为一个rand7()调用7次rand5() 调用。