Mengapa tidak mungkin menghasilkan angka yang benar-benar acak?


47

Saya sedang mencoba untuk menyelesaikan masalah hobi yang membutuhkan menghasilkan jutaan angka acak. Tetapi saya segera menyadari, menjadi sulit untuk menjadikannya unik. Saya mengambil Manual Desain Algoritma untuk membaca tentang pembuatan angka acak.

Ini memiliki paragraf berikut yang saya sepenuhnya tidak bisa mengerti.

Sayangnya, menghasilkan angka acak terlihat jauh lebih mudah daripada yang sebenarnya. Memang, pada dasarnya mustahil untuk menghasilkan angka yang benar-benar acak pada perangkat deterministik apa pun. Von Neumann [Neu63] mengatakan yang terbaik: "Siapa pun yang menganggap metode aritmetika untuk menghasilkan angka acak, tentu saja, dalam keadaan berdosa." jika mereka dihasilkan secara acak.

Mengapa tidak mungkin menghasilkan angka yang benar-benar acak di perangkat deterministik apa pun? Apa arti kalimat ini?


86
Apakah Anda benar-benar bertanya mengapa Anda tidak dapat menghasilkan angka acak pada perangkat deterministik ? Bukankah pertanyaannya sudah termasuk jawabannya?
herby

37
Jika semua angka yang Anda hasilkan harus unik, mereka tidak benar-benar acak. Sangat mungkin bahwa generator nomor acak yang benar akan memberikan hasil yang sama sepuluh kali berturut-turut.
TMN

28
Ada kekurangan dalam mencari nomor acak yang unik . Jika Anda membatasi angka untuk menjadi unik , maka angka tersebut tidak acak karena acak menuntut kemungkinan pengulangan tidak peduli seberapa tidak mungkin.
Mark Booth

13
Di luar komputer, apakah ada angka acak yang benar-benar acak? Lempar dadu, itu fisika dengan hanya banyak vektor.
MPelletier

9
@ MPellier: Tidak cukup. Mekanika kuantum mungkin (begitu para ilmuwan menemukan lebih banyak tentang itu) menyiratkan adanya keacakan yang sebenarnya, tergantung pada definisi Anda tentang keacakan.
Brian

Jawaban:


65

Seseorang harus mencari generator nomor pseudo-acak kriptografis aman . Kebanyakan PRNG adalah generator kongruensi linier (demikian next numberjuga fungsi liniernya previous number), jadi jika Anda memplot next numbervs previous numberAnda akan mendapatkan bagan garis paralel. CSPRNG tidak akan melakukan itu. Imbalannya adalah mereka lambat.

Saya mengelompokkan generator nomor acak ke dalam 3 kategori :

  1. Cukup bagus untuk pekerjaan rumah.
  2. Cukup bagus untuk mempertaruhkan perusahaan Anda.
  3. Cukup bagus untuk mempertaruhkan negara Anda.

Mengapa tidak mungkin untuk menghasilkan angka acak dalam perangkat deterministik?

Perangkat deterministik akan selalu menghasilkan output yang sama ketika diberi kondisi awal dan input yang sama - itulah artinya deterministic. "Angka yang benar-benar acak" adalah lebih dari sudut pandang filosofis, karena apa artinya menjadi randominti dari pandangan pusar filosofis (orang-orang bahkan tidak yakin apakah pembusukan atom adalah acak atau mengikuti beberapa pola yang kita tidak tahu. namun). Generator nomor acak yang aman secara kriptografis akan mengambil beberapa sumber eksternal entropi untuk membuat perangkat ini tidak deterministik.


1
Itu sebabnya tidak mungkin untuk mendapatkan angka yang benar-benar acak. Bahkan jika urutan tidak pernah berulang, yang tidak dijamin untuk angka acak , program lain dengan input yang sama akan menghasilkan hasil yang sama. Jadi, orang lain dapat mereproduksi nomor acak Anda di lain waktu, yang berarti itu tidak benar-benar acak sama sekali.
Spencer Rathbun

2
@ user973810 Masalah dengan definisi dari teori informasi adalah bahwa Anda tidak dapat menunjukkan contoh aktual dari urutan acak. Kita dapat membuktikan, untuk bahasa definisi yang masuk akal, bahwa hampir setiap urutan tanpa batas (dalam arti teknis) adalah acak, karena tidak dapat dijelaskan dalam bahasa sama sekali. Apa yang lebih berguna adalah konsep generator urutan acak: bukan yang menghasilkan urutan acak, tetapi yang menghasilkan urutan secara acak.
Gilles 'SO- berhenti menjadi jahat'

13
Nitpick ringan: beberapa orang, yaitu ahli fisika nuklir dan partikel, cukup yakin bahwa proses seperti peluruhan atom benar - benar acak.
David Z

9
@ David: Kita bisa sedikit lebih jauh dari itu. Berbagai percobaan pada ketidaksetaraan Bell menunjukkan bahwa proses kuantum tertentu secara pasti tidak dapat diprediksi . Mereka mungkin acak dalam beberapa pengertian filosofis atau mereka mungkin bergantung pada variabel tersembunyi non-lokal, tetapi kedua kasus mencegah prediksi yang dapat diandalkan.
dmckee

7
@dmckee: yeah, saya baru saja membayangkan akan lebih mudah untuk menjauh dari mencoba menjelaskan hubungan antara ketidaksetaraan Bell dan keruntuhan fungsi gelombang dalam komentar di prog.SE. Orang-orang selalu bisa datang ke situs kami jika mereka penasaran ;-) Tangurena: benar, Einstein memang mengatakan itu, tetapi itu hanya berarti dia benar-benar ingin alam semesta menjadi deterministik. Tapi tidak. Eksperimen yang dilakukan setelah kematian Einstein menunjukkan hal yang cukup meyakinkan (kecuali variabel tersembunyi non-lokal, alias keanehan ). Hanya karena dia Einstein, bukan berarti dia benar tentang segalanya.
David Z

22

Keacakan benar menyiratkan nondeterminisme. Jika deterministik, dapat diprediksi secara akurat (inilah yang dimaksud determinisme); jika bisa diprediksi, itu tidak acak.

Hal terbaik yang bisa Anda dapatkan dari generator angka pseudo-acak deterministik adalah aliran angka yang memiliki siklus yang sangat panjang (non-berulang tidak mungkin kecuali perangkat RNG Anda memiliki penyimpanan tidak terbatas) yang, selama siklus, menghasilkan nomor aliran yang memenuhi semua properti lain dari urutan acak (distribusi nilai yang seragam menjadi yang paling menarik).

Untuk mengatasi masalah ini, banyak UNIX dan suka Unix modern memiliki kernel RNG yang menggunakan sumber noise fisik untuk menghasilkan keacakan yang sebenarnya.

Pendekatan umum lainnya adalah mengambil waktu saat ini sebagai benih untuk RNG deterministik ( srand(time(NULL));dalam C); secara kriptografis, ini tidak berharga, karena waktu sekarang bukan rahasia, tetapi untuk hal-hal seperti simulasi fisik atau video game, itu cukup baik.


Perhatikan bahwa non-berulang juga tidak mungkin untuk generator dengan nilai output yang terbatas (jumlah bit terbatas). Tetapi tentu saja panjang siklus generator deterministik kemungkinan besar jauh lebih pendek daripada maksimum teoritis yang semuanya permutasi mungkin.
9000

@ 9000: Tentu saja ini tidak benar. Ambil angka irasional yang digunakan digit (basis apa pun) sebagai urutan "acak" Anda. Ledakan! urutan tidak berulang (menurut definisi) dan masih terikat (ke pangkalan Anda).
ThePopMachine

@ThePopMachine: Anda dapat menghasilkan urutan bit yang tidak berulang dari panjang apa pun, setara dengan urutan nomor yang tidak berulang dari panjang yang tidak terbatas. Anda tidak dapat menghasilkan urutan bilangan bulat berulang yang besarnya tidak terbatas (mis. 32-bit); setelah Anda menghasilkan semua permutasi dari nilai 32-bit, suatu urutan harus diulang. Kamu benar; kita hanya membicarakan hal-hal yang berbeda.
9000

@ 9000: Tanpa musang. Anda membuat pernyataan selimut yang salah. Jika Anda benar-benar hanya mencoba untuk tidak ada lebih dari n ^ k urutan panjang k yang berbeda untuk n nilai yang berbeda, dan karena itu harus diulang, maka ini cukup jelas dan tidak menarik.
ThePopMachine

2
@ThePopMachine: Saya akan menghargai jika Anda sedikit melunakkan. Mengutip, «non-berulang juga tidak mungkin untuk generator apa pun dengan nilai output terbatas (jumlah bit terbatas)». Yang Anda bicarakan secara eksplisit adalah jumlah bit yang tidak terbatas, sebagai urutan digit [biner] dari angka irasional. Pernyataan Anda, meskipun benar, tidak terkait dengan masalah.
9000

10

Bab kedua dari buku Discrete-Event Simulation: A First Course oleh Lawrence Leemis memberikan pengantar yang fantastis untuk generator nomor acak (atau lebih tepatnya, generator nomor psuedo-acak).

Kutipan dari bukunya menjelaskan dengan baik menurut pendapat saya:

Secara historis tiga jenis generator bilangan acak telah dianjurkan untuk aplikasi komputasi: (a) generator look-up tabel gaya tahun 1950-an seperti, misalnya, tabel perusahaan RAND dengan sejuta digit acak; (B) generator perangkat keras seperti, misalnya, perangkat "white noise" termal; dan (c) generator algoritmik (perangkat lunak). Dari ketiga jenis ini, hanya generator algoritmik yang telah diterima secara luas. Alasan untuk ini adalah bahwa hanya generator algoritmik yang memiliki potensi untuk memenuhi semua kriteria generasi nomor acak yang diterima secara umum berikut. Generator harus:

  • acak - mampu menghasilkan output yang melewati semua uji statistik keacakan yang wajar;
  • terkendali - dapat mereproduksi outputnya, jika diinginkan;
  • portabel - mampu menghasilkan output yang sama pada berbagai sistem komputer;
  • efisien - cepat, dengan kebutuhan sumber daya komputer minimal;
  • didokumentasikan - dianalisis secara teoritis dan diuji secara ekstensif.

Jadi walaupun dimungkinkan untuk menggunakan generator white-noise untuk mendapatkan angka acak "lebih baik", mereka belum mendapatkan penerimaan karena mereka tidak mengikuti sebagian besar kriteria di atas.

Saya akan merekomendasikan agar Anda mengambil salinan buku itu (atau sesuatu yang serupa). Memahami dengan tepat bagaimana kerja PRNG pasti akan membantu Anda dalam upaya Anda.


7

Karena Anda perlu menulis kode untuk menghasilkan angka acak dan Kode TIDAK acak. (Ini deterministik)

Jadi, Anda akhirnya mulai dengan "Nilai benih" yang diambil pada "Acak" (biasanya cap waktu saat ini) kemudian menggunakannya dalam algoritma untuk mulai menghasilkan angka. Tetapi seluruh rangkaian didasarkan pada nilai Seed asli!

Jadi jika Anda menjalankan kode Anda lagi dengan nilai Seed yang sama persis, Anda akan mendapatkan SET angka yang sama persis! Bagaimana orang yang masuk akal bisa menyebutnya acak? Tapi itu pasti terlihat acak.


Mengenai membuat mereka unik, Setelah menghasilkan nomor cukup periksa apakah Anda sudah memiliki nomor itu, jika Anda melakukannya, buang dan buat yang baru.


13
Di sisi positifnya, angka pseudo-acak berulang dapat menjadi hal yang bagus untuk debugging.
David Thornley

5

Karena Anda menghasilkan angka acak, Anda harus mengharapkan nilai yang dihasilkan menjadi tidak unik. Ini adalah sifat keacakan - Anda tidak bisa mengatakan urutan angka yang benar-benar acak (atau bahkan pseudo-acak) adalah unik, karena persyaratan itu akan memungkinkan nilai akhir dalam kisaran diprediksi, serta mengubah probabilitas semua nomor yang tidak dipilih setiap kali yang baru dipilih.


1
Ini benar-benar komentar daripada jawaban, karena sebenarnya tidak menjawab pertanyaan .
Mark Booth

5

Saya memiliki definisi Pseudo Random yang sangat sederhana :

Terlalu banyak variabel yang tidak diketahui untuk diprediksi.

Saya juga memiliki definisi sederhana True Random :

Variabel tak dikenal tak terbatas.

Masalah dengan komputer adalah bahwa ia selalu mengetahui SEMUA variabel. Angka acak hanyalah fungsi matematika dari beberapa nilai seed .
Yang terbaik yang bisa kita lakukan adalah memberikan komputer nilai seed pseudo-random, yang biasanya didasarkan pada variabel yang tidak dapat kita prediksi (seperti waktu yang tepat).

Meskipun komputer benar-benar tidak dapat membuat angka acak, ada baiknya memperkenalkan terlalu banyak variabel untuk diprediksi!


1
Nah "waktu" adalah contoh buruk dari sesuatu yang tidak dapat diprediksi. Pergerakan mouse, input mikrofon, dll. Di sisi lain adalah input yang tidak dapat diprediksi.
HoLyVieR

3

Menghasilkan angka acak dalam perangkat lunak memang tidak mungkin seperti yang ditunjukkan orang lain, namun dimungkinkan dengan perangkat keras untuk membangun perangkat yang dapat menghasilkan angka acak *. Ada beberapa contoh tentang hal ini di internet, dan ada berbagai metode yang digunakan, mulai dari membaca waktu antara kutu pada penghitung Geiger hingga mengambil sampel white noise (sebagian besar radiasi latar belakang dari alam semesta) dari penerima yang tidak dikunci. Saya sendiri telah membangun beberapa menggunakan beberapa metode yang tersedia.

* Fisika geek mana pun yang baik akan menunjukkan bahwa mengingat cara alam semesta beroperasi, tidak ada yang hiper-teknis yang benar-benar acak tetapi tidak ada cara yang masuk akal untuk memprediksi hasilnya sehingga demi diskusi ini mereka cukup.


5
Sebagai geek fisika paruh waktu, generator yang didasarkan pada peristiwa kuantum (sejauh yang dapat kami ketahui) benar-benar acak. Orang-orang yang tidak menyukai keacakan telah mencoba untuk mengambil keacakan dari mekanika kuantum sejak dimulai, dan semua yang dilakukan adalah menumpuk lebih banyak bukti bahwa itu benar-benar acak.
David Thornley

@ DavidThornley, ... sampai seseorang mengetahui rumusnya.
CaffGeek

1
@Chad: Tidak ada rumus dalam arti biasa; yang dikesampingkan oleh percobaan EPR. Bisa dibayangkan bahwa itu semua deterministik, tetapi tidak dengan cara yang mudah dimengerti.
David Thornley

@ DavidThornley, saya tahu itu kata yang salah untuk digunakan. Saya pikir kita tahu apa yang ingin saya katakan. Hampir setiap kali seseorang mengatakan sesuatu itu mustahil, orang lain akhirnya membuktikan bahwa mereka salah. Itu sifat manusia.
CaffGeek

2
Itu seperti mengatakan pada akhirnya seseorang akan membuat mesin yang dapat memecahkan masalah penghentian karena seseorang mengatakan itu tidak mungkin. Ini bukan masalah menemukan persamaan, itu sebenarnya acak menurut semua percobaan yang telah dijalankan dan matematika yang mendukungnya.
Alex

2

Tidak mungkin Anda dapat menghasilkan nomor acak tanpa perangkat keras khusus. Pada tahun pertama saya, beberapa teman sekelas dan saya mengusulkan generator angka acak yang pada dasarnya memiliki penerima AM dan disetel ke 4 saluran yang berbeda, dapatkan input ke konverter A ke D dan tambahkan semuanya (modulo nomor maks Anda). Karena kombinasi input analog dari sembarang jumlah stasiun adalah acak dan kami dapat menghasilkan sejumlah besar nomor acak dari konverter A2D kami mengusulkan ini bisa menjadi generator yang baik. Tentu saja, bahkan ini tidak benar-benar acak dalam arti filosofis, meskipun untuk sebagian besar tujuan praktis ini bisa berhasil.


2

Determinisme pada dasarnya adalah suatu fungsi. Ingat dari Aljabar bahwa suatu fungsi adalah korespondensi antara domain dan rentang sedemikian rupa sehingga setiap anggota domain berkorespondensi dengan tepat satu anggota rentang.

Jadi jika f (x) = z, f (x)! = Y kecuali y adalah z. Itu adalah sebuah fungsi. Bayangkan JavaScript:

function Add(A, B) {
      return A + B;
}

var addedNumber = Add(2,3);//returns 5
addedNumber = Add(2,3);//still 5

Tidak peduli berapa kali Anda menyebutnya Add(2,3)akan selalu kembali 5. Dengan kata lain, Tambah () adalah fungsi deterministik.

Faktor eksternal dapat membuat Add berperilaku dengan cara yang tidak deterministik. Misalnya, jika Anda memasukkan multithreading ke dalam persamaan. Input manusia juga menyebabkan non-determinisme.

Sekarang, di sinilah segalanya menjadi menarik.

"Siapa pun yang menganggap metode aritmatika menghasilkan angka acak, tentu saja, dalam keadaan berdosa."

Catatan Von Neumann menyatakan, "metode aritmatika untuk menghasilkan [...]". Ini tidak berbicara tentang input manusia, konkurensi, kecepatan angin sampel yang dibaca dari instrumen yang tepat atau cara non-algoritmik lainnya untuk menghasilkan input acak ke fungsi deterministik.

Ini hanya menyatakan suatu fungsi atau sistem fungsi tidak akan tiba-tiba menjadi non-deterministik. Dengan kata lain, Tambah (2,3) tidak akan mengembalikan 6 atau apapun selain 5 dengan input yang sama . Itu tidak mungkin.

Penulis kutipan mengambilnya selangkah lebih maju.

Yang terbaik yang bisa kita harapkan adalah angka pseudo-acak, aliran angka yang muncul seolah-olah mereka dihasilkan secara acak.

Konteksnya sebelumnya didefinisikan sebagai "pada perangkat deterministik". Saya bisa mengakhiri argumen di sini. Tetapi, bagaimana jika kita mengubah konteks dengan memperkenalkan elemen baru ke sistem? Unsur non-deterministik ditambahkan sebagai input membuat sistem menjadi sistem non-deterministik. Meskipun, dengan menghilangkan elemen non-deterministik, kita direduksi kembali menjadi sistem deterministik. Jika kita entah bagaimana dapat melacak atau mereproduksi input kita dapat mereproduksi hasilnya. Tetapi seluruh paragraf ini adalah tangetenial dengan apa yang penulis katakan. Ingat konteksnya.

Orang bisa berdebat tentang makna non-determinisme. Sekali lagi, tangetenial. Ingat konteksnya.

Jadi dia benar. Pada perangkat deterministik apa pun , mustahil bagi sistem deterministik untuk menghasilkan hasil acak yang sebenarnya.

Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.