概率、随机数、随机数生成函数

相关的面试中涉及的随机数生成、以及概率的有关问题的讨论,请参阅 
如何通过投掷一枚硬币产生各种概率

解决这类题有两大窍门:

0-1区间上的均匀分布,和 if 相结合实现对某一概率的要求;

多次采样,并不限制为1次;

适当地取舍;

首先来看一道笔试题:

实现某一随机数生成函数 f()f(),返回0的概率是60%,返回1的概率是40%(有偏置型硬币)。

import random
def bias_coin():
p = random.random()
return 0 if p < 0.6 else 1

假设此时 f()f()已知,根据 f()f()求另一随机数生成函数 g()g(),使返回 0,10,1的概率均为 0.5, 0.5.

多次取样,求joint probability(联合概率)。对本例而言,调用两次 f()f()即可,此时会出现4中结果(构成样本空间),(0, 0), (0, 1), (1, 0), (1, 1),其中出现(0, 1)(0.6*0.4)和(1, 0)(0.4*0.6)的概率是一致的,据此可构造等概率事件。

def g():
while True:
a, b = bias_coin(), bias_coin()
if (a, b) == (0, 1):
return 1
if (a, b) == (1, 0):
return 0

我们接着看如何符合某一概率分布(离散型)进行采样,而不限于 

如下的伯努利分布(最为简单的0-1分布),比如三个离散值 [(1,0.3),(2,0.4),(3,0.3)][(1, 0.3), (2, 0.4), (3, 0.3)]。

def bernoulli(p):
u = random.random()
return 1 if u < p else 0

此时我们需要重新定义该函数形式:

def withProbRandomPick(prob_dist):
r = random.random()
s = 0
for prob in prob_dist:
s += prob[1]
# 这一步相加很妙,很妙
if r < s:
return prob[0]

简单验证:

prob_dist = [(1, .3), (2, .4), (3, .3)]
from collections import defaultdict
cnt = defaultdict(int)
N = 10**6
for i in range(N):
cnt[withProbRandomPick(pro_dist)] += 1
for n in cnt:
print(n, cnt
/N)

输出为:

1 0.30159
2 0.39829
3 0.30012
# 十分接近

《程序员面试金典第5版》
(Cracking the Coding Interview) 也有一道给定一个随机数生成函数生成另一个随机数函数的题目;

给定rand5(),实现一个方法rand7()。也即,给定一个产生0到4(含)随机数方法,编写一个产生0到6(含)随机数的方法。(P105)

解题的关键在于确保产生每一个数的概率相等。我们首先来分析:

rand5(): [0, 1, 2, 3, 4]

2*rand5(): [0, 2, 4, 6, 8]

rand5() + rand5():(rand5()+rand5()不仅与2*rand5()取值范围不同)最终的取值范围在[0, 8],但取每一个值的概率并不相等,比如0=0+0, 4=4+0=0+4=2+2=1+3=3+1,对应于各种情况

5*rand5() + rand5():取值范围在[0, 24],取每一个值的概率达到完美的相等;

# 这里不妨给出rand5()的简单实现
def rand5():
p = random.random()
return int(p*5)

# 根据rand5(),得rand7()的实现
def rand7():
while True:
x = 5*rand5()+rand5()
if x < 21:
return x%7

稍加变形,给定rand7(),如何实现rand5()呢? 

关键还在于确保产生的每一个值的概率相等。

形式上与上面的方法相同:7*rand7()+rand7()

# 也姑且给出rand7()的简单实现
def rand7():
p = random.random()
return int(7*p)

def rand5():
while True:
x = 7*rand7()+rand7()
while x < 45:
return x%5

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