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          如何確定生成的隨機數,是真的隨機?

           撰文 | Bob Yirka

            翻譯 | 張宇哲

            審校 | 董子晨曦

            許多年來,計算機科學家一直在尋找一種能夠生成真隨機數的方法。但由于硬件水平的限制,大多數家用和商用電腦中的隨機數生成器遠達不到“隨機”的標準。生成隨機數之所以重要,是因為它構成了密碼學的基礎。在計算力足夠的前提下,黑客能夠破解這些由偽隨機數編碼的信息。與我們所處的自然世界不同,量子世界中存在許多真隨機事件,例如不可預測的光子行為。

            來自英國、德國和俄羅斯的一支研究團隊利用量子力學的不可預測性,制造了一部能夠生成真隨機數的裝置。在發表于《物理評論快報》的論文中,他們描述了借助量子理論,開發了一款真隨機數生成器。


            一種分束器,1:入射光;2: 50%透射光;3: 50%反射光。@ Tamasflex,wikimedia

            該團隊制造的裝置由一個通用分束器組成,分束器一個輸入端為激光,另一輸入端則為空(即零信號)。隨后,他們利用兩個獨立的探測器測量出射光束。在這套裝置,每個到達分束器的光子被透射或被反射的概率相等,這意味著兩個測量結果間的差值是不可預測的。因此,這一差值便是真“隨機”的。


            研究人員通過測量了光子在到達分束器之前的狀態,進一步推進了這一研究。測量結果證實了由該設備產生的數據的確是隨機的。最終,他們制造出的設備能夠以每秒8.05千兆比特的速度生成隨機數,且每組數據都證實是實時且隨機的。值得一提的是,該設備使用的全部是現有的技術。

            原文鏈接:

            https://phys.org/news/2021-01-unpredictable-nature-quantum-mechanics-random.html

          andom模塊是Python的內置模塊,用于生成隨機數

          常用方法

          1.生成一個0到1之間的隨機浮點數

          >>> import random
          >>> random.random()
          0.5327753356458743

          2.生成指定范圍的隨機整數

          >>> random.randint(30,37)
          37

          3.生成指定范圍的隨機浮點數

          >>> random.uniform(10,12)
          10.937634968502632


          4.從列表隨機選取一個元素

          >>> L = ['a','b','c','d','e','f','g']
          >>> random.choice(L)
          'c'

          4.1從列表選取指定元素

          >>> L = ['a','b','c','d','e','f','g']
          >>> random.choices(L,k=3)
          ['g', 'a', 'g']

          4.2從列表選取指定元素,且不重復

          >>> L = ['a','b','c','d','e','f','g']
          >>> random.sample(L,k=3)
          ['d', 'e', 'f']

          5.隨機打亂列表順序

          >>> L = ['a','b','c','d','e','f','g']
          >>> random.shuffle(L)
          >>> L
          ['g', 'f', 'b', 'a', 'e', 'c', 'd']

          6.生成隨機數種子

          在 Python 中,隨機數生成器是基于偽隨機數算法實現的,每次運行程序時都會生成不同的隨機數序列。有時候我們需要讓程序每次運行時都生成相同的隨機數序列,這個時候就需要random.seed()

          >>> random.seed(12345
          >>> random.randint(20,30)
          26

          7.生成小于指定值的隨機數

          >>> random.randrange(10)
          2

          8.生成指定范圍數據

          >>> random.randrange(10,50,3)
          25


          以上是random模塊常用的一些方法

          更多內容請查看官方文檔

          https://docs.python.org/3/library/random.html?highlight=random#module-random

          獎和開盲盒性質一樣的都是通過ajax讀取后臺的隨機數據。

          圖1 轉輪盤抽獎

          圖2 轉輪盤抽獎結果

          1、轉輪盤

          本來是想直接繪圖實現輪盤,但是沒有找到怎么填充文字,只好把輪盤弄成了背景圖,通常用于游戲抽道具,商城積分抽獎,公司年末員工抽獎

          1. 點擊抽獎觸發jquery的click事件;
          2. 通過ajax獲取后臺的隨機數;
          3. 后臺通過mt_rand得到隨機獎項(角度),返回給前臺;
          4. 通過jquery改變css transform、transition屬性,旋轉背景,也就是輪盤;

          html代碼

          <style>
          .box{
              width:500px;height:500px;border:0px solid #DDD;margin:100px;position:relative;
          }
          .beij{
              background:url(cjbg.jpg) no-repeat center center;width:100%;height:100%;
          }
          .pointer{
              cursor:pointer;position:absolute;top:50%;left:50%;margin-left:-40px;margin-top:-48px;background:url(c1.png) no-repeat center center;width:80px;height:96px;z-index:21;
          }
          </style>
          
          <div  class='box' >
              <div  class='beij'></div>
              <div  class='pointer'></div>
          </div>

          js代碼

          <script>
          $(document).ready(function() {
          	var time=0.4;//轉一圈所需時間 s
          	var count=10;//默認多轉幾圈
          	/*
          	var angle=new Array();
          	angle[0]=23;
          	angle[1]=53;
          	angle[2]=83;
          	angle[3]=110;
          	angle[4]=133;
          	angle[5]=163;
          	angle[6]=223;
          	*/
          	var i=1;
              $(".pointer").click(function(){ 
          		$.ajax({
          			url: "/public/man/index.php/api/choujiang",
          			data:'',
          			type: "post",
          			dataType: "json",
          			success: function(result) {
          				//console.log(result.msg);
          				$('.beij').css({'transform':"rotate("+(i*count*360+result.angle)+"deg)","transition":" All "+(time*(5+result.angle/360))+"s ease-in-out"});
          				//彈窗提示
                  //setTimeout("alert('"+result.msg+"');",time*1000*(5+result.angle/360));
                  setTimeout("console.log('"+result.msg+"');",time*1000*(5+result.angle/360));
          			}
          		})
          		i++;
          	});
          });
          </script>

          說明:

          1. 因為改變css進行旋轉,開始的時候,直接執行了彈窗或者是console.log,這并不符合我們的要求,加入了setTimeout,在旋轉完成以后,再給出提示;
          2. time*1000*(5+result.angle/360) 是總得旋轉時間;

          后臺接口程序

              public function choujiang(){
          		/*
          		    id   獎品編號
          			title  中獎提示
          			prec  中獎概率
          			angle  旋轉角度
          		*/
          		$arr[0]=array('id'=>1,'title'=>'恭喜抽中一等獎:蘋果手機一部!','prec'=>1,'angle'=>23);
          		$arr[1]=array('id'=>2,'title'=>'恭喜抽中二等獎:Ipad','prec'=>2,'angle'=>68);
          		$arr[2]=array('id'=>3,'title'=>'恭喜抽中三等獎:','prec'=>25,'angle'=>113);
          		$arr[3]=array('id'=>4,'title'=>'恭喜抽中四等獎','prec'=>50,'angle'=>155);
          		$arr[4]=array('id'=>5,'title'=>'恭喜抽中五等獎','prec'=>80,'angle'=>202);
          		$arr[5]=array('id'=>6,'title'=>'恭喜抽中六等獎','prec'=>150,'angle'=>245);
          		$arr[6]=array('id'=>7,'title'=>'恭喜抽中七等獎','prec'=>240,'angle'=>290);
          		$arr[7]=array('id'=>8,'title'=>'獲得50元優惠券,還需加油哦!','prec'=>380,'angle'=>337);
          
                  //中獎幾率求和
          		$cmun=0;
          		for($i=0;$i<=count($arr)-1;$i++){
          			$cmun+=$arr[$i]['prec'];
          		}
                  //中獎隨機數
                  $smrand=mt_rand(1,$cmun);
                  $this->getRand(1,0,$arr,count($arr),$smrand);			
          	}
          
              public function getrand($m,$im,$arr,$count,$smrand){
          		/*
          		    $m  起始數
          			$im  第幾個數組元素
          			$count  數組總得元素個數
          			$arr  原始數組
          			$smrand  中獎隨機數
          		*/
          
                  //已經中獎
          		if($smrand>=$m&&$smrand<=$arr[$im]['prec']+$m-1){
          				//中獎返回
          				$msg=array('msg'=>$arr[$im]['title'],'angle'=>$arr[$im]['angle'],'smrand'=>$smrand);
          				exit(json_encode($msg,JSON_UNESCAPED_UNICODE));			   
          		}else{
          		   //最后一個不需要判斷  直接返回
          		   if($im+1==$count-1){
          				$msg=array('msg'=>$arr[$count-1]['title'],'angle'=>$arr[$count-1]['angle'],'smrand'=>$smrand);
          				exit(json_encode($msg,JSON_UNESCAPED_UNICODE));		
          		   }else{
          		       //起始數字
          			   $start=$arr[$im]['prec']+$m;
          			   //遞歸  再次調用數組  讀取下一個數組元素
          			   $this->getrand($start,$im+1,$arr,$count,$smrand);
          		   }
          		}
          	
          	}

          說明:

          1. 以上概率算法采用的是所有概率求和做分母、出現的概率做分子,如果才有百分比,實現方式是一樣的;
          2. 采用遞歸,依次判斷每一次的起始數字和結束數字,中獎的隨機數是否在該范圍內,在,就是中得該獎項,否則沒中,再判斷下一個;
          3. 最后一個數組元素是不需要判斷的,前邊的都不是,最后一個一定就是中獎;
          4. 記錄誰獲得了什么獎項,應該是在后臺返回數據之前,不能是前臺彈窗以后通過ajax通知后臺中獎信息;

          2、隨機抽取一個幸運員工

          點擊開始抽獎,單行文本框循環顯示員工,抽獎按鈕文字變為停止,點擊停止的時候,抽中的員工顯示在獲獎名單。

          圖3 隨機抽取幸運員工

          html代碼

          <style>
          body{
              background:#DDD;
          }
          .title{
              height:40px;line-height:40px;font-size:14px;font-weight:bold;margin:100px 0 0 100px;
          }
          .box{
              width:700px;height:200px;border:1px solid #EEE;border-radius:8px;background:#FFF;margin-left:100px;
          }
          .box li{height:30px;line-height:30px;}
          .cjbtn{
              margin:10px 0 0 100px;
          }
          #ygname{
              padding:3px 5px;;
          }
          
          </style>
          <div class='title'>獲獎名單</div>
          <div  class='box' >
            <ul>
            </ul>
          </div>
          <div class='cjbtn'><input type='text' id='ygname' /> <button id='choujiang'>開始抽獎</button></div>

          js代碼

          <script>
              var t;
          	var yuangong=new Array();
          	$.ajax({
          			url: "/public/man/index.php/api/yuangong",
          			data:'',
          			type: "post",
          			dataType: "json",
          			success: function(result) {
          				yuangong=result.msg
          
          			}
          	})
          
            
          $(document).ready(function() {
          
              $("#choujiang").click(function(){ 
          		if($(this).html()=='開始抽獎'){
                    if(yuangong.length>=3){
          			$(this).html("停止");
          			start();
          		  }
          		}else{
          		    $(this).html("開始抽獎");
          			stop();
          		}
          	});
          });
          
          function start() {
          	num = Math.floor(Math.random() * (yuangong.length-1));
          	$('#ygname').val(yuangong[num]['title']);
          	t = setTimeout(start, 0);
          }
          function stop() {
          	clearInterval(t);
          	//數組中刪除中獎員工信息防止重復中獎
          	yuangong.splice($.inArray(yuangong[num], yuangong), 1);
          	$(".box  ul").append("<li>"+$('#ygname').val()+"</li>");
          
          }
          
          </script>

          說明:

          num = Math.floor(Math.random() * (yuangong.length));

          1. yuangong.length員工數組長度;
          2. Math.random() 0到1的小數,包含0,不包含1;
          3. Math.floor 小數向下取整,可以為0;

          綜上:num得到的是0到數組下標的隨機數。

          clearInterval(t):用于停止t = setTimeout(start, 0);

          后臺php接口程序

              public function yuangong(){
          		$yuangong[0]=array('id'=>1,'title'=>'業務部【張三】');
          		$yuangong[1]=array('id'=>2,'title'=>'技術部【李四】');
          		$yuangong[2]=array('id'=>3,'title'=>'技術部【逍遙】');
          		$yuangong[3]=array('id'=>4,'title'=>'會計部【薛嫣】');
          		$yuangong[4]=array('id'=>5,'title'=>'行政部【王五】');
          		$yuangong[5]=array('id'=>6,'title'=>'行政部【王天林】');
          		$yuangong[6]=array('id'=>7,'title'=>'行政部【李笑和】');
          
          		$msg=array('msg'=>$yuangong);
          		exit(json_encode($msg,JSON_UNESCAPED_UNICODE));	
          	}

          3、隨機抽取多個幸運員工

          沒有想到什么效果,只是單純地獲取了隨機數

          html代碼

          <style>
          body{
              background:#DDD;
          }
          .title{
              height:40px;line-height:40px;font-size:14px;font-weight:bold;margin:100px 0 0 100px;
          }
          .box{
              width:700px;height:200px;border:1px solid #EEE;border-radius:8px;background:#FFF;margin-left:100px;
          }
          .box li{height:30px;line-height:30px;}
          .cjbtn{
              margin:10px 0 0 100px;
          }
          #ygname{
              padding:3px 5px;;
          }
          
          </style>
          <div class='title'>獲獎名單</div>
          <div  class='box' >
            <ul>
            </ul>
          </div>
          <div class='cjbtn'> <button id='choujiang'>開始抽獎</button></div>

          js代碼

          <script>
          var yuangong=new Array();
          var ygstr='';//存取獲獎員工
          var ygrs=5;//一次抽幾個
          var t;
          $.ajax({
          			url: "/public/man/index.php/api/yuangong",
          			data:'',
          			type: "post",
          			dataType: "json",
          			success: function(result) {
          				yuangong=result.msg
          
          			}
          })
          
          $(document).ready(function() {
              $("#choujiang").click(function(){ 
          		if(yuangong.length>=ygrs){
          		    start(1);
          		}
          	});
          });
          
          function start(ms) {
             //ms  第幾次獲取員工信息
             num = Math.floor(Math.random() * (yuangong.length));
             console.log(num);
             ygstr+="<li>"+yuangong[num]['title']+"</li>";
             if(ms>=ygrs){
          	   $(".box  ul").html(ygstr);
          	   ygstr="";
             }else{
          	   yuangong.splice($.inArray(yuangong[num], yuangong), 1);
                 start(ms+1);
             }
              	
          }
          </script>

          4、在線開盲盒

          需要我們點擊抽獎的時候通過ajax讀取后臺獲得的盲盒信息,直接顯示到前臺,前臺顯示同上邊的,都是一樣,說一下后臺程序。

          使用array_rand().隨機獲取幾個數組元素

          array_rand($arr,$count).用法

          1. $arr目標數組;
          2. $count隨機的個數;

          返回值是原數組的下標。

              public function manghe(){
          	
          		$goods[0]=array('id'=>1,'title'=>'手機');
          		$goods[1]=array('id'=>2,'title'=>'毛絨玩具');
          		$goods[2]=array('id'=>3,'title'=>'化妝品');
          		$goods[3]=array('id'=>4,'title'=>'啫喱水');
          		$goods[4]=array('id'=>5,'title'=>'面膜');
          		$goods[5]=array('id'=>6,'title'=>'學習用品');
          		$goods[6]=array('id'=>7,'title'=>'電腦');
          
          		$getarr=array_rand($goods,3);
          		$i=0;
          		foreach($getarr as $k){
          		    $rearr[$i]=$goods[$k];
          			$i++;
          		}
          
          		$msg=array('msg'=>$rearr);
          		exit(json_encode($msg,JSON_UNESCAPED_UNICODE));	
          	}

          如果包含特殊獎項,需要滿足抽獎多少次,一定抽中,可以達到抽獎次數以后在array_rand內隨機數減一,然后把大獎塞進該次抽獎的返回信息。

          array_push($rearr,$a)用法:

          1. $rearr目標數組;
          2. $a追加的元素或者是數組
              $tebie[999]=array('id'=>999,'title'=>'特別大獎');
          		$goods[0]=array('id'=>1,'title'=>'手機');
          		$goods[1]=array('id'=>2,'title'=>'毛絨玩具');
          		$goods[2]=array('id'=>3,'title'=>'化妝品');
          		$goods[3]=array('id'=>4,'title'=>'啫喱水');
          		$goods[4]=array('id'=>5,'title'=>'面膜');
          		$goods[5]=array('id'=>6,'title'=>'學習用品');
          		$goods[6]=array('id'=>7,'title'=>'電腦');
          
          		$getarr=array_rand($goods,3);
          		$i=0;
          		foreach($getarr as $k){
          		    $rearr[$i]=$goods[$k];
          			$i++;
          		}
                  array_push($rearr,$tebie[999]);
          
                  dump($rearr);
          
                  exit;

          輸出結果:


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