2025年mt19937(mt19937算法)

mt19937(mt19937算法)p p 定义 梅森旋转算法 Mersenne twister 是一个伪随机数发生算法 由松本真和西村拓士在 1997 年开发 基于有限二进制字段上的矩阵线性递归 可以快速产生高质量的伪随机数 修正了古典随机数发生算法的很多缺陷 其中 最为广泛使用 Mersenne

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定义:梅森旋转算法(Mersenne twister)是一个伪随机数发生算法。由松本真和西村拓士在1997年开发,基于有限二进制字段上的矩阵线性递归。可以快速产生高质量的伪随机数,修正了古典随机数发生算法的很多缺陷。

其中,最为广泛使用Mersenne Twister的一种变体是MT19937,可以产生32位整数序列。具有以下的优点:

  1. 周期非常长,达到2−1。尽管如此长的周期并不必然意味着高质量的伪随机数,但短周期(比如许多旧版本软件包提供的2)确实会带来许多问题。
  2. 在1 ≤k≤ 623的维度之间都可以均等分布(参见定义)。
  3. 除了在统计学意义上的不正确的随机数生成器以外,在所有伪随机数生成器法中是最快的(当时

实现过程:

整个算法主要分为三个阶段:

第一阶段:获得基础的梅森旋转链;

第二阶段:对于旋转链进行旋转算法;

第三阶段:对于旋转算法所得的结果进行处理;

算法实现的过程中,参数的选取取决于梅森素数,故此得名。

在讨论之前,引入MT19937-32的生成python代码:(此代码在 [0,2^32-1] 生成的伪随机数基本大致相同)

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接下来,我们观察上面MT19937的代码,我们可以发现代码分为四个部分:

一、_int32(x)模块

返回一个32位的二进制代码。


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二、init(self, seed):

首先,我们必须要知道seed在代码中是种子,意思是基于已知的seed生成624个state块(伪随机数通过对不同的state块进行变换求得),我们先将state的第一个数值定为seed,代码中的623个循环便是通过state间的变换求出求出剩下的state块。

三、extract_number(self)

MT19937算法通过此模块来得到不同的伪随机数。首先,我们先进行判断,如果此时self.mti指向第一个state,我们运行init(self, seed):得到623个state值,如果不是,则直接进入下面的伪随机数生成过程:用通过seed求得的state值进行代码中的变换求得并返回我们所需的伪随机数。

四、twist(self):

如果只有上面的块,那么只能求得624个不同的伪随机数,但是MT19937-32却可以求出2^32-1个不同的伪随机数便是因为这个模块。旋转模块基于上一次循环中我们已经使用过的624个state值,一一对应,通过原代码中的:

y = _int32((self.mt[i] & 0x) + (self.mt[(i + 1) % 624] & 0x7fffffff))
self.mt[i] = (y &gt;&gt; 1) ^ self.mt[(i + 397) % 624]

if y % 2 != 0:
self.mt[i] = self.mt[i] ^ 0x9908b0df

求得新的624个与上一次循环中不同的state值,并进入新的循环中。

引入反推导代码:

 

反推导就是我们在知道通过Mt19937算法求得的y1,来反推出用于MT19937算法的state原始值y。而异或的反推则是再异或相同的数就可以消去这个相同的数。

那么,我们先分析生成代码中所有的不同生成方式(主要分为 “&gt;&gt;” “&lt;&lt;” “&gt;&gt; &” “&lt;&lt; &”),所以,我们可以看到反推导代码中先将不同的生成方式写出(前四个),在其中,bits // shift是个难点,我们可以作以下分析:

 MT19937算法的基本思路大致如此。

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