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Python3 生成伪随机数

在项目中,我们做随机图像增强或者概率性的需求时,可能会用到随机函数,这里介绍下 Python3 自带的伪随机数生成器模块 random,大多数知识来源于官网教材,我加以总结和添加代码实例

random模块介绍

  • 对于整数,从范围中有统一的选择。 对于序列,存在随机元素的统一选择、用于生成列表的随机排列的函数、以及用于随机抽样而无需替换的函数。
  • 在实数轴上,有计算均匀、正态(高斯)、对数正态、负指数、伽马和贝塔分布的函数。 为了生成角度分布,可以使用 von Mises 分布。
  • 几乎所有模块函数都依赖于基本函数 random() ,它在半开放区间 [0.0,1.0) 内均匀生成随机浮点数。

random 模块常用函数学习

必须记住的函数

  • random.sed(a=None, version=2):初始化随机数生成器。如果 a 被省略或为 None ,则使用当前系统时间。 如果操作系统提供随机源,则使用它们而不是系统时间
  • random.getstate()返回捕获生成器当前内部状态的对象。 这个对象可以传递给 setstate() 来恢复状态。
  • random.setstate(state):state 应该是从之前调用 getstate() 获得的,并且 setstate() 将生成器的内部状态恢复到 getstate() 被调用时的状态。可以和random.getstate()一起配合使用,使得程序中两个不同地方的变量获得相同的随机数状态

返回随机整数用函数

  • random.randrange(stop):初始值默认为 0,返回 0-stop 之间的随机数整数
  • random.randrange(start, stop[, step]):从 range(start, stop, step) 返回一个随机选择的元素。 这相当于 choice(range(start, stop, step)) ,但实际上并没有构建一个 range 对象。
  • random.randint(a,b)生成随机整数 N 满足 a <= N <= b。相当于 random.randrange(a, b+1),但这个函数更常用。

实例代码如下:

>>> import random
>>> random.randint(1,20)
2
>>> random.randint(1,20)
1
>>> random.randrange(10)
5

以上三个返回随机整数用的函数,在重复使用的情况下,可能会返回重复的随机整数

返回随机序列用函数

  • random.choice(sep): 从一个序列中随机选取一个元素返回
  • random.shuffle(x[,random]):将序列x随机打乱位置(原地打乱):不返回任何对象
  • random.sample(population,k)返回从总体序列或集合中(population)选择的唯一元素的 k 长度列表。 用于无重复的随机抽样。

实例代码如下:

>>> range_list = list(range(10))
>>> range_list
[0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9]
>>> random.choice(range_list)
6
>>> random.shuffle(range_list)
>>> range_list
[9, 0, 5, 7, 4, 3, 2, 6, 1, 8]
>>> random.sample(range_list, 3)
[3, 8, 2]

返回实指分布函数

以下函数生成特定的实值分布,如常用数学实践中所使用的那样, 函数参数也以分布方程中的相应变量命名:

  • random.random()返回 [0.0, 1.0) 范围内的下一个随机浮点数。
  • random.uniform(a, b)返回a到b之间的一个随机浮点数 N ,当 a <= b 时 a <= N <= b ,当 b < a 时 b <= N <= a 。取决于等式 a + (b-a) * random() 中的浮点舍入,终点 b 可以包括或不包括在该范围内。
  • 其他不常用的如:Beta分布random.betavariate(alpha, beta),Gamma分布random.gammavariate(alpha, beta),指数分布random.expovariate(lambd)等

实例代码如下:

>>> random.random()                                                        
0.5031251868994626
>>> random.random()
0.9571548892051094
>>> random.uniform(1,2)
1.2647918605857986
>>> random.uniform(1,2)
1.7418032314031406

练习题

例子1:地理老师为了考核班里的20个学生,中国34个省的省会城市是什么。但为了防止学生作弊,每份试卷的题目顺序不一样,答案也不一样。因此需要写一个程序创建20份试卷,每份试卷创建34个多重选择题,次序随机。为每个题提供一个正确答案和3个随机的错误答案。试卷写进20个文本文件,每份试卷的答案也写进20个文本文件。 
代码如下:

import random
capital_city_string = "北京市--北京 ;上海市 --上海 ;天津市 --天津 ;重庆市 --重庆 ;" \
                    "黑龙江省 --哈尔滨 ;吉林省 --长春; 辽宁省 --沈阳 ;内蒙古自治区--呼和浩特 ;" \
                     "河北省 --石家庄 ;新疆维吾尔自治区--乌鲁木齐 ;甘肃省-- 兰州 ;青海省--西宁 ;" \
                     "陕西省 --西安 ;宁夏回族自治区--银川 ;河南省-- 郑州 ;山东省--济南 ;" \
                    "山西省--太原 ;安徽省--合肥 ;湖南省--长沙;湖北省--武汉 ;江苏省--南京 ;" \
                     "四川省--成都; 贵州省--贵阳 ;云南省--昆明 ;广西壮族自治区--南宁 ;" \
                    "西藏自治区-- 拉萨 ;浙江省--杭州; 江西省--南昌 ;广东省--广州 ;福建省--福州 ;" \
                    "台湾省--台北 ;海南省 --海口 ;香港特别行政区-- 香港; 澳门特别行政区-- 澳门"
grade = {0: "A", 1: "B", 2: "C", 3: "D"} # 设置答案等级
def get_dict(city_string): # 将省会和省会城市的字符串转变成一个字典格式
    province_and_capital_dict = {}
    city_list = city_string.split(";")
    for city_index in city_list:
        province_and_capital_list = city_index.split("--")
        province_and_capital_dict[province_and_capital_list[0]] = province_and_capital_list[1]
    return province_and_capital_dict

def make_test_paper(province_and_capital_dict):
    for i in range(20):
        f_test = open("E:\\test" + str(i + 1) + ".txt", "w+") # 创建试卷文件
        f_answer = open("E:\\answer" + str(i + 1) + ".txt", "w+") # 创建试卷答案文件
        f_test.write("Name:\n") # 试卷前需要学生填写自己的姓名
        f_test.write("Score:\n\n") # 试卷的得分
        province_and_capital_dictkeys = list(province_and_capital_dict.keys()) # 获得34省列表
        random.shuffle(province_and_capital_dictkeys) # 随机打乱34省列表的顺序
        for i in range(34): # 循环创建34个题目
            # 将问题写入文件
            f_test.write(str(i+1)+","+"what's the capital of " + province_and_capital_dictkeys[i]+"?\n")
            correct_answer = province_and_capital_dict[province_and_capital_dictkeys[i]] # 问题的正确答案
            error_answer = list(province_and_capital_dict.values()) # 所有的答案
            error_answer.remove(correct_answer) # 在所有答案中移除正确的那个答案,得到错误答案的列表
            random.shuffle(error_answer) # 随机打乱错误答案
            answer = random.sample(error_answer, 3) # 在错误答案列表中随机选择3个错误答案
            answer.append(correct_answer) # 将正确答案添加到答案列表中
            random.shuffle(answer) # 再打乱4个答案的顺序
            f_test.write("\n"+grade[0]+answer[0]+"\n"+grade[1]+answer[1]+"\n"+grade[2]+answer[2]+"\n"+grade[3] +
                         answer[3] + "\n\n") # 得到A、B、C、D四个答案,并写入到文件中
            answer_grade = ""
            for answer_index in answer:
                if answer_index == correct_answer:
                    index = answer.index(answer_index)
                    answer_grade = grade[index] # 得到正确答案的等级(A、B、C、D)
            f_answer.write(str(i+1)+","+answer_grade+correct_answer) # 最后将答案写入试卷答案文件
        f_test.close()
        f_answer.close()
# 调用两个方法
if __name__ == "__main__":
    province_and_capital_dict = get_dict(capital_city_string)
    print(province_and_capital_dict)
    make_test_paper(province_and_capital_dict)

例2:生成随机验证码

# -*- coding: utf-8 -*-
# author: honggao.zhang
# get random code

import random


def get_code(flag="number_case"):
	source = []
	if flag == "number_case":
		for i in range(48, 58):
			source.append(chr(i))  # 所有数字
		result = ''.join(random.sample(source, 4))

	if flag == "upper_case":
		for i in range(65, 91):
			source.append(chr(i))
		result = ''.join(random.sample(source, 4))

	elif flag == "lower_case":
		for i in range(97, 123):
			source.append(chr(i))
		result = ''.join(random.sample(source, 4))

	elif flag == "all_case":
		source = []
		for i in range(48, 58):
			source.append(chr(i))  # 所有数字
		for i in range(65, 91):
			source.append(chr(i))  # 所有大写字母
		for i in range(97, 123):
			source.append(chr(i))  # 所有小写字母
		result = ''.join(random.sample(source, 4))

	return result


if __name__ == "__main__":
	# chr函数用一个整数作参数,返回一个对应的字符
	# print([chr(i) for i in range(65, 91)])  # 所有大写字母
	# print([chr(i) for i in range(97, 123)])  # 所有小写字母
	# print([chr(i) for i in range(48, 58)])  # 所有数字
	result = get_code(flag="all_case")
	print(result)  # sFcD

参考资料

python3—-生成随机数(random模块) 
random-生成伪随机数

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2019-08-07