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Java随机函数变换问题如何解决

解决的问题问题1Java中Math.random()函数是等概率返回区间[0,1)中的任意一个小数。即x

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    解决的问题

    问题1

    Java 中 Math.random()函数是等概率返回区间[0,1)中的任意一个小数。即x < 1情况下,[0,x)中的数出现的的概率是x,如果我们要将x < 1情况下,[0,x)中的数出现的的概率调整成x^2,应该如何做?

    问题1思路

    由于[0,x)的概率是x,那么调用两次Math.random(),如果较大的那个值也要在[0,x)区间内,那么两次调用都必须在[0,x)区间内(因为任意一次在[x,1)都会导致返回值不在[0,x)上),即概率是x^2,代码如下

    package snippet;
    
    public class Code_0004_RandToPow2 {
        // 将`[0,x)`中的数出现的的概率调整成`x^2`
        public static double randToPow2() {
            return Math.max(Math.random(), Math.random());
        }
    }

    我们可以通过如下测试代码来验证问题1的解法:

    package snippet;
    
    public class Code_0004_RandToPow2 {
        // 将`[0,x)`中的数出现的的概率调整成`x^2`
        public static double randToPow2() {
            return Math.max(Math.random(), Math.random());
        }
    
        // 测试用例
        public static void main(String[] args) {
            int count = 0;
            int testTimes = 10000000;
            double x = 0.17;
            for (int i = 0; i < testTimes; i++) {
                if (randToPow2() < x) {
                    count++;
                }
            }
            System.out.println((double) count / (double) testTimes);
            System.out.println(Math.pow(x, 2));
        }
    }

    打印的结果如下

    0.0288603
    0.028900000000000006

    接近目标要求。

    问题2

    假设我们有一个随机函数f(),这个函数可以等概率返回[1,5]中的一个数,如何只利用f()函数而不引入其他随机函数,得到一个等概率返回[1,7]中任意一个数的函数g()。

    思路

    由于目标是求[1,7]等概率返回一个,如果我们能加工得到一个x()函数,这个函数是等概率返回[0,6]范围内的任意一个数,那么目标函数g()只需要调用这个x()函数再加上1,即是g()函数要求

    public static int g() {
        return x() + 1;
    }

    要得到[0,6]等概率返回一个数,我们需要先得到一个0和1等概率返回的随机函数m(),我们可以通过f()函数来得到,即

    // 通过[0,5]等概率返回的随机函数f()
    // 加工出等概率得到0和1
    // 1,2,3,4,5 五个数
    // 得到1,2的时候,返回0
    // 得到4,5的时候,返回1
    // 得到3的时候,弃而不用,再次尝试
        public static int m() {
            int ans = 0;
            do {
                ans = f();
            } while (ans == 3);
            return ans < 3 ? 0 : 1;
        }

    有了等概率返回 0 和 1 的随机函数 m(), 我们可以很方便的生成[0,6]随机等概率返回一个数的方法,因为[0,6]需要三个二进制数表示,那么我们可以调用三次m()函数,可以等概率得到[0,7]范围内任意一个数,我们可以在得到 7 的时候,重试上述过程,只有结果在[0,6]才返回,这样就加工出了x()函数。

        // 等概率返回0~6
        public static int x() {
            int ans = 0;
            do {
                ans = (m() << 2) + (m() << 1) + m();
            } while (ans == 7);
            return ans;
        }

    最后,目标函数f()通过如下方式

        // 等概率返回1~7
        public static int g() {
            return x() + 1;
        }

    即可得到。完整代码如下

    package snippet;
    
    public class Code_0005_Rand5ToRand7 {
    
        // 此函数只能用,不能修改
        // 等概率返回1~5
        public static int f() {
            return (int) (Math.random() * 5) + 1;
        }
    
        // 通过[0,5]等概率返回的随机函数f()
    // 加工出等概率得到0和1
    // 1,2,3,4,5 五个数
    // 得到1,2的时候,返回0
    // 得到4,5的时候,返回1
    // 得到3的时候,弃而不用,再次尝试
        public static int m() {
            int ans = 0;
            do {
                ans = f();
            } while (ans == 3);
            return ans < 3 ? 0 : 1;
        }
    
        // 等概率返回0~6
        public static int x() {
            int ans = 0;
            do {
                ans = (m() << 2) + (m() << 1) + m();
            } while (ans == 7);
            return ans;
        }
    
        // 等概率返回1~7
        public static int g() {
            return x() + 1;
        }
    
        
    }

    问题3

    Java随机函数变换问题如何解决

    和问题2思路一致,核心都是要先实现一个等概率返回 0 和 1 的随机函数m()。,然后看目标函数区间需要几个二进制位,来决定调用几次m()函数,不赘述,完整代码见

    /**
     * The rand7() API is already defined in the parent class SolBase.
     * public int rand7();
     * @return a random integer in the range 1 to 7
     */
    class Solution extends SolBase {
        public int rand10() {
            return rand(10);
        }
    
        public int rand(int N) {
            int bit = 1;
            int base = 2;
            while (base <= N) {
                base = 2 << bit;
                bit++;
            }
            int v = build(bit);
            while (v < 1 || v > N) {
                v = build(bit);
            }
            return v;
        }
    
        private int build(int bit) {
            int v = 0;
            for (int i = 0; i < bit; i++) {
                v += (m() << i);
            }
            return v;
        }
    
        // 核心:生成 0 和 1 等概率返回的随机函数
        public int m() {
            int i = rand7();
            while (i == 7) {
                i = rand7();
            }
            return (i == 1 || i == 2 || i == 3) ? 0 : 1;
        }
    }

    问题4

    有一个函数f(),不等概率(但是是固定概率)返回0和1,如何只通过f()函数,得到等概率返回 0 和 1 的随机函数g(),

    思路,

    调用两次f()函数,可以得到如下情况

    0 0
    1 1
    0 1
    1 0

    当两次都是0,或者两次都是1的时候,舍弃,虽然 0 和 1 的概率不一样,但是

    0 1
    1 0

    概率一定一样

    所以得到 0 1就返回 0 ,得到 1 0就返回1,即g()函数

    完整代码如下

    package snippet;
    
    // 不等概率随机函数变成等概率随机函数
    public class Code_0005_EqualProbabilityRandom {
    
        // 不等概率函数,
        // 内部内容不可见
        public static int f() {
            return Math.random() < 0.8 ? 0 : 1;
        }
    
        // 等概率返回0和1
        public static int g() {
            int first;
            do {
                first = f(); // 0 1
            } while (first == f());
            return first;
        }
    
    }
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