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Estoy haciendo pruebas de generación de números aleatorios con pero no están dando los resultados esperados, este es mi programa de prueba:

std::srand(std::time(nullptr));

constexpr unsigned valores = 10u;
constexpr unsigned limite = 0xffffffffu;

unsigned v[valores]{};

while (!std::any_of(std::begin(v), std::end(v), [limite](auto v) { return v == limite; }))
    ++v[std::rand() % valores];

const auto total = std::accumulate(std::begin(v), std::end(v), .0);

std::cout << "Total: " << total;

for (const auto& valor : v)
    std::cout << valor << '\t' << valor / total << '\n';

Y este es el resultado que obtengo:

Total:    42947046200
4294966596    0.1000060
4294967012    0.1000060
4294966528    0.1000060
4294966953    0.1000060
4294967162    0.1000060
4294966644    0.1000060
4294966519    0.1000060
4294967295    0.1000060
4293656217    0.0999756
4293655274    0.0999756

Habiendo generado casi cuarenta y tres mil millones de números aleatorios entre el cero y el nueve esperaba que cada número apareciera un 10% de las veces. Pero no es así, el rango [0, 7] es más común que los números ocho y nueve.

Necesito que la distribución sea uniforme para transformarla en una distribución normal con el método Box Muller, pero ya he podido ver que no es del todo uniforme. He hecho las mismas pruebas con varias raíces aleatorias y el resultado siempre es el mismo. ¿Por qué pasa esto?

1 respuesta 1

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El problema que tienes en realidad son dos problemas. El primer problema es matemático y tiene que ver con el uso del operador módulo (%) el segundo problema es de la función std::rand.

Problema(s)

La función std::rand, devuelve números pseudoaleatorios en el rango [​0, RAND_MAX], la única garantía sobre el valor de RAND_MAX es que será al menos 327671 yo no se recomienda su uso para la generación de números pseudoaleatorios con una mínima seriedad2 ya que:

  • Es dependiente de implementación.
  • No da garantías de la calidad de la secuencia obtenida.
    • Puede tener poca variancia en bits bajos.
    • Las semillas pueden tener un periodo corto.

Pero aún suponiendo que std::rand no tuviera problema alguno, aún queda la cuestión del uso del operador módulo (%). Suponiendo que tu RAND_MAX sea 32767, en el rango [0, 32767] tienes:

  • 3277 números cuyo % 10 es cero.
  • 3277 números cuyo % 10 es uno.
  • 3277 números cuyo % 10 es dos.
  • 3277 números cuyo % 10 es tres.
  • 3277 números cuyo % 10 es cuatro.
  • 3277 números cuyo % 10 es cinco.
  • 3277 números cuyo % 10 es seis.
  • 3277 números cuyo % 10 es siete.
  • 3276 números cuyo % 10 es ocho.
  • 3276 números cuyo % 10 es nueve.

Ahí tienes el motivo por el que los números ocho y nueve son menos comunes. La única manera de evitar este efecto negativo al usar el módulo contra el retorno de std::rand es usando un divisor exacto del valor RAND_MAX.

Solución

No uses std::rand, usa las utilidades de la cabecera de C++11 <random>. Usándolas en tu código de prueba:

constexpr unsigned valores = 10u;
constexpr unsigned limite = 0xffffffffu;

unsigned v[valores]{};

std::random_device device;
std::mt19937 generador(device());
std::uniform_int_distribution<> distri(0, 9);
//   ~~~~~~~~~~~^~~~~~~~~~~~~          ^  ^
//               \                      \  \__ Valor máximo generado.
//                \                      \
//                 \                      \___ Valor mínimo generado.
//                  \
//                   \___ Distribución uniforme.

while (!std::any_of(std::begin(v), std::end(v), [limite](auto v) { return v == limite; }))
    ++v[distri(generador)];

const auto total = std::accumulate(std::begin(v), std::end(v), .0);

std::cout << "Total: " << total;

for (const auto& valor : v)
    std::cout << valor << '\t' << valor / total << '\n';

He obtenido este resultado:

Total:    42949668382
4294966985    0.1000000
4294966361    0.1000000
4294966743    0.1000000
4294967068    0.1000000
4294966763    0.1000000
4294966783    0.1000000
4294966720    0.1000000
4294966776    0.1000000
4294967295    0.1000000
4294966888    0.1000000

Es más, si tu objetivo es obtener una distribución normal no necesitas aplicar una transformación: puedes generar números directamente con esa distribución:

constexpr unsigned valores = 10u;
constexpr unsigned limite = 0xffffffffu;

unsigned v[valores]{};

std::random_device device;
std::mt19937 generador(device());
std::normal_distribution<> distri(5, 1);
//   ~~~~~~~~^~~~~~~~~~~          ^  ^
//            \                    \  \__ Desvío de la distribución.
//             \                    \
//              \                    \___ Media de la distribución
//               \
//                \___ Distribución normal

while (!std::any_of(std::begin(v), std::end(v), [limite](auto v) { return v == limite; }))
    ++v[static_cast<std::size_t>(distri(generador))];

const auto total = std::accumulate(std::begin(v), std::end(v), .0);

std::cout << "Total: " << total << '\n';

for (const auto& valor : v)
    std::cout << valor << '\t' << valor / total << '\n';

Con el que he obtenido este resultado:

Total:    12582396805
397820    0.0000316
16573165  0.0013172
269252286 0.0213991
1709947726    0.1359000
4294925005    0.3413439
4294967295    0.3413473
1710067581    0.1359095
269270524 0.0214006
16599688  0.0013193
395715    0.0000314

1Es decir: la parte positiva de un número entero de 16 bits ½216 - 1
2Suele basarse en un generador lineal congruencial, con todas sus desventajas.

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