【C言語超入門】 第29回 乱数

https://youtu.be/Be9UdOKmtdY

$\textcolor{pink}{四国めたん: }$教師役ですわ

$\textcolor{lime}{ずんだもん: }$生徒役なのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ 皆さん、こんにちは。四国めたんです

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ ずんだもんなのだ。こんにちはなのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ 今回もC言語のお勉強をしていきましょう

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ レッツゴーなのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ 今回は、少し趣向をかえて、 乱数 の生成についてのお話しをしますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ 乱数 はゲームを作成するのに、とても役立つのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ はい、ゲーム以外にも、暗号やID生成など、様々な用途で 乱数 が利用されていますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ ところで 乱数 の正確な定義が良く判らないのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ 乱数 の定義については、この解説の範囲を逸脱するので、知りたい方はネットなどで確認してくださいね

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ わかった、確認しておくのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ ところで、 乱数 の生成は、コンピューターと非常に相性が良くないことはご存知ですか？

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ えぇ～、そうなのか？知らなかったのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ コンピューターの特徴の一つとして、一連の処理を正確に、そして順序良く熟していくことが挙げられますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ たしかに...

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ そこに、例えば 乱数 のような不確定な要素は存在しませんわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ そうなのか？

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ はい、ゲームなどの特殊な用途を除けば、毎回、結果が異なる、もしくは意図した動作をしないようなコンピュータープログラムは失敗作でしかありませんわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ いわれてみればそうなのだ

擬似乱数について

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ じゃあ、 乱数 の生成が不得意なコンピューターで、どのようにして 乱数 を生成するのだ？

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ 実は、世の中には凄い方々がいて、規則に沿って数値を与えると、 乱数 らしき 答えを得ることができる、数学的な方法を考えてくれていますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ お～、すごいのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ これらの方法で得られる 乱数 のことを 擬似乱数 と呼びますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ 方法は1つだけなのか？

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ 擬似乱数 の生成方法は、一般に利用されるような簡単なものから、暗号に使用されるような、 これホントの乱数なのでは？ と疑いたくなるような方式まで存在しますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ なるほどなのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ では、なぜ 擬似乱数 と呼ばれるかというと、人には判らないレベルではあっても、微妙な偏りがあったり、繰り返しがあったりするからですわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ 本当の 乱数 には、かなわないのだ

C標準関数の乱数を使いましょう

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ まぁ、ゲーム等に使うような乱数であれば、C標準関数のrand関数を使えば、実用上、問題ないと思いますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ そうなのか？

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ はい、形式はint rand()ですわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ 詳しく、教えてほしいのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ はい、まず、使用するには"stdlib.h"ファイルをインクルードする必要がありますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ ファイルの先頭に#include <stdlib.h>を記述するのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ そして、引数は無く、戻り値は0以上の整数で、呼び出す毎に異なる値が返りますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ たしかに乱数っぽいのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ なお、戻り値として返る整数値の最大は、RAND_MAXとして"stdlib.h"内で定義されていますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ RAND_MAXは、実際にはいくつなのだ？

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ システムごとに異なりますが、Visual Studioの場合は0x7FFF、つまり、32,767ですわね

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ なるほどなのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ とりあえず実際のプログラムを見てみましょう

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void main() {
  for (size_t i = 0; i < 5; i++) {
    int num = rand();
    printf("%d ", num);
  }
  printf("\n");

  for (size_t i = 0; i < 5; i++) {
    int num = rand();
    int mod = num % 100;
    printf("%d ", mod);
  }
  printf("\n");

  for (size_t i = 0; i < 5; i++) {
    double num = rand();
    double norm = num / RAND_MAX;
    printf("%lf ", norm);
  }
  printf("\n");
}

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ たしかにバラバラな数値が出力されているのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ はい、最初のforループでは、取得した乱数をそのまま出力していますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ なるほどなのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ 次のループでは、100で割った余り、つまり、0～99の範囲の整数の乱数として出力していますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ お～、こうすれば、任意の整数の範囲の乱数を得られるのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ 負数も範囲に含める場合には、一定の数を差し引けばOKですわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ なるほどなのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ 最後のループは、取得した乱数を浮動小数点数に変換後、最大値で割って、0.0～1.0の範囲の浮動小数点数の乱数として出力していますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ こうすれば、任意の範囲の浮動小数点数の乱数を得られるのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ はい、範囲を拡げたければ、任意の数をかければ得られますわね

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ ところで、forループ内のインデックスが全て"i"になっているのだが...

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ はい、forループで使用するインデックス"i"は、ループが異なれば、別個のインデックスとして扱われますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ りょうかいなのだ

もう少しバラバラに...

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ とりあえず、もう一度プログラムを実行してみましょう

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ 当然、同じ結果を得ることができたのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ 乱数を使っているのに？

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ お～、そういえば乱数を使っているので、違う結果が出て欲しかったのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ はい、出力された数値が前回と一緒なので、乱数としては失敗ですわ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ なにしろ、1回、プログラムを実行すれば、次からは得られる数値が予測できてしまうからですわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ どうしてなのだ？

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ これは、rand関数が、内部では計算で乱数を取得しているからですわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ つまり、初期設定を変えなければ、同じ結果が出てしまうということか

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ はい、計算を正確に行うコンピューターの良い面が、裏目に出てしまった結果ともいえますわね

初期値を変えましょう

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ どうにかならないのか？

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ 実は、rand関数には、初期設定を変える関数srandがセットで提供されていますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ どのような関数なのだ？

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ 形式はvoid srand(unsigned int seed)となりますわね

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ 詳しく教えてほしいのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ 引数の"seed"に初期値となる値をセットするだけですわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ さっそく、srandを追加して確認してみるのだ

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void main() {
  srand(100);

  for (size_t i = 0; i < 5; i++) {
    int num = rand();
    printf("%d ", num);
  }
  printf("\n");

  for (size_t i = 0; i < 5; i++) {
    int num = rand();
    int mod = num % 100;
    printf("%d ", mod);
  }
  printf("\n");

  for (size_t i = 0; i < 5; i++) {
    double num = rand();
    double norm = num / RAND_MAX;
    printf("%lf ", norm);
  }
  printf("\n");
}

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ 前回とは異なる数値が出力されたのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ とはいえ、srandの"seed"にセットする値が同じであれば、毎回、同じ数値が得られることは変わりありませんわね

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ ダメではないか！

時刻を初期値に

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ この問題は、srandの"seed"に乱数で得られる値をセットすることで解消しますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ 乱数を生成するのに乱数を使うのか？？？

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ よく使われるのは、現在の時刻をsrandの"seed"にセットする方法ですわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ 時刻だと乱数にならないのではないか？

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ たしかにプログラム中で時刻を取得する場合、 最初 以外は定期的な取得となるので、乱数にはなりませんわね

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ 最初 以外は？

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ はい、人がプログラムを開始する時刻は、意図しない限りはランダムになりますわ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ ですので、最初に取得する時刻は、おおむね乱数として扱えますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ なるほどなのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ なお、現在の時刻を取得するには、C標準関数のtimeを使用しますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ どのような関数なのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ 形式はtime_t time(time_t* timer)ですわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ 詳しく教えてほしいのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ まず、使用するには"time.h"ファイルをインクルードする必要がありますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ ファイルの最初に#include <time.h>と記述するのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ そして、"timer"に変数へのポインタをセットすると、その変数には戻り値と同じ値がセットされますわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ 同じ値が得られるのであれば、ムダではないのか？

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ まぁ、通常はNULLをセットして問題ないと思いますわ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ そして、戻り値は現在時刻で、単位は"秒"ですわね

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ time_tとはなんなのだ？

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ time_tは時刻を表す整数の型ですので、そのままsrand関数の引数にセットしても問題ありませんわ

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ とりあえず実例をおねがいするのだ

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

void main() {
  srand(time(NULL));

  for (size_t i = 0; i < 5; i++) {
    int num = rand();
    printf("%d ", num);
  }
  printf("\n");

  for (size_t i = 0; i < 5; i++) {
    int num = rand();
    int mod = num % 100;
    printf("%d ", mod);
  }
  printf("\n");

  for (size_t i = 0; i < 5; i++) {
    double num = rand();
    double norm = num / RAND_MAX;
    printf("%lf ", norm);
  }
  printf("\n");
}

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ 実行するたびに得られる数値が異なるのだ

timeについて

time関数で得られる値は、1970年1月1日0時0分0秒(UTC)からの経過時間で、秒単位です。

戻り値の time_t型 で表せる時間は29億年分くらいあるようなので、最大1秒以内にtime関数を再実行する以外では、同じ値を取得することはないでしょう。

まとめ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ お疲れさまでした

$\footnotesize \textcolor{lime}{ずんだもん:}$ おつかれさまなのだ

$\footnotesize \textcolor{pink}{四国めたん:}$ 以上で 乱数 についての説明は終わりですわ