Trình tạo số ngẫu nhiên

Tiến bộ khoa học và công nghệ của thế kỷ 20 phần lớn nhờ vào sự phát triển của lý thuyết xác suất và việc tạo ra các bộ tạo số ngẫu nhiên.

Số ngẫu nhiên là số có thể hiểu là kết quả của việc thực hiện một biến ngẫu nhiên nào đó - khái niệm cơ bản của lý thuyết xác suất. Khái niệm về tính ngẫu nhiên trong ngữ cảnh này hàm ý giá trị của một đại lượng nhất định không thể đoán trước được trước khi bắt đầu thử nghiệm.

Lịch sử số ngẫu nhiên

Nhu cầu sử dụng các số ngẫu nhiên của nhân loại đã xuất hiện từ rất lâu trước khi các nhà khoa học phát minh ra các thiết bị cho phép thu được các mảng ngẫu nhiên. Trong một thời gian dài, con người đã sử dụng các phương tiện ngẫu hứng để tạo ra các số ngẫu nhiên, bao gồm cả các đối tượng có bản chất hữu hình và vô tri vô giác.

Một trong những ví dụ nổi bật nhất về công cụ tạo số ngẫu nhiên đơn giản nhất là xúc xắc quen thuộc, được sử dụng rộng rãi ngày nay. Trong các thí nghiệm cơ bản và đào tạo, sự phụ thuộc của quy luật chuyển động của một con xúc xắc vào môi trường, điều kiện ban đầu và yếu tố con người có thể bị bỏ qua hoàn toàn, do đó, số điểm trên một con xúc xắc có thể được coi là ngẫu nhiên. Biến đổi. Xúc xắc đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển của lý thuyết xác suất: vào năm 1890, nhà nghiên cứu người Anh Francis Galton đã đề xuất một phương pháp tạo số ngẫu nhiên bằng cách sử dụng xúc xắc.

Phức tạp hơn một chút trong thiết bị là một trình tạo số khác được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống hàng ngày - trống xổ số. Thiết bị này là một cái trống với các quả bóng được đánh số được trộn lẫn bên trong nó trong quá trình quay. Lĩnh vực ứng dụng chính của trống xổ số là xổ số và lotto. Dễ đoán rằng lototron không phù hợp để sử dụng trong các thí nghiệm khoa học nghiêm túc do mức độ ngẫu nhiên và tốc độ hoạt động thấp.

Trình tạo số ngẫu nhiên đầu tiên cho phép bạn nhận được lượng dữ liệu lớn và phù hợp để giải các bài toán ứng dụng đã được phát minh vào năm 1939. Maurice George Kendall và Bernard Babington-Smith đã tạo ra một thiết bị có thể tạo ra một bảng chứa 100.000 số ngẫu nhiên. Và chỉ 16 năm sau, công ty chiến lược RAND của Mỹ đã cải thiện kết quả của các học giả người Anh gấp 10 lần - với sự trợ giúp của những cỗ máy đặc biệt, một bảng gồm một triệu số ngẫu nhiên đã được tạo ra. Phương pháp lập bảng để tạo số ngẫu nhiên đã nhận được sự phát triển đáng kể nhờ George Marsaglia, người đã nhận được 650 MB số ngẫu nhiên vào năm 1996. Tuy nhiên, do phạm vi hẹp nên phương pháp này hiện không được chấp nhận rộng rãi.

Máy tạo số ngẫu nhiên trong thời gian thực có một số lợi thế so với thiết bị tạo bảng số ngẫu nhiên. Một trong những chiếc máy đầu tiên như vậy là máy tính Ferranti Mark 1, vào năm 1951 có một chương trình tạo ra các số ngẫu nhiên dựa trên luồng nhiễu đầu vào của một điện trở. Thật thú vị, ý tưởng tạo ra một chương trình như vậy là nhà toán học vĩ đại người Anh Alan Turing. Một sáng tạo nữa trong lĩnh vực tạo số ngẫu nhiên là phát minh vào năm 1957 của ERNIE (Thiết bị chỉ báo số ngẫu nhiên điện tử), ban đầu nhằm tạo ra các con số trúng thưởng trong xổ số của Anh.

Số giả ngẫu nhiên

Việc phát minh ra bộ tạo số ngẫu nhiên chắc chắn đã thúc đẩy quá trình khoa học và công nghệ một cách đáng kể. Tuy nhiên, những thiết bị này có một nhược điểm cực kỳ quan trọng, hạn chế đáng kể khả năng ứng dụng của chúng. Vào giữa thế kỷ 20, nhà toán học người Mỹ gốc Hungary John von Neumann đã lưu ý đến sự không phù hợp của các bộ tạo số ngẫu nhiên vật lý trong điện toán, do không thể lặp lại một thí nghiệm ngẫu nhiên và do đó, không thể tái tạo một số ngẫu nhiên để kiểm tra hoạt động của máy. Đây là cách cộng đồng khoa học cần các số giả ngẫu nhiên - các số có một số thuộc tính quan trọng của số ngẫu nhiên, nhưng thu được không phải do kết quả của một thí nghiệm ngẫu nhiên mà dựa trên một thuật toán nào đó. Chính John von Neumann đã trở thành tác giả của phương pháp "ở giữa hình vuông", cho phép bạn nhận được các số giả ngẫu nhiên có mười chữ số ở đầu ra.

Tất nhiên, nhược điểm chính của số giả ngẫu nhiên là thiếu tính ngẫu nhiên của dữ liệu, điều này rất quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học và đời sống. Ngoài ra, tất cả các trình tạo số giả ngẫu nhiên đều có thuộc tính lặp, tức là lặp lại chuỗi số đầu ra từ một thời điểm nhất định, nhiều thuật toán có thể đảo ngược và thậm chí một số thuật toán có phân bố một chiều không đồng đều. Do đó, hiện tại, lĩnh vực này thu hút nhiều nhà nghiên cứu tìm cách phát triển các trình tạo số giả ngẫu nhiên hiện có hoặc tạo mới hiệu quả.

Sự thật thú vị

• Theo một số nhà sử học, những nỗ lực đầu tiên để tạo ra các số ngẫu nhiên có từ năm 3500 trước Công nguyên. Thật kỳ lạ, chúng được kết nối với trò chơi cờ "Senet" của người Ai Cập cổ đại, bao gồm việc di chuyển quân chip xung quanh bàn cờ.
• Trong một thời gian dài, kết quả của các cuộc tổng điều tra dân số và các bảng dữ liệu khác thu được bằng thực nghiệm được dùng làm nguồn số ngẫu nhiên cho một số bài toán thực tế.
• Một lỗ hổng trong thuật toán tạo số giả ngẫu nhiên đã bị khai thác vào đầu những năm 2010 bởi cựu giám đốc an ninh của Hiệp hội xổ số đa bang. Kẻ xâm nhập có quyền truy cập vào phần mềm được sử dụng để xác định số trúng vé số, nhờ đó anh ta có thể xác định các kết hợp trúng thưởng vài ngày trong năm. Anh ta bị buộc tội vào năm 2015 sau khi giành được 16,5 triệu đô la.
• Một trình tạo số giả ngẫu nhiên được cài đặt trên máy tính trên tàu của một tàu vũ trụ Apollo từng khiến chuyển động của nó gặp trục trặc và lệch nghiêm trọng khỏi quỹ đạo dự kiến. Như các nhà khoa học đã phát hiện ra, dữ liệu đầu ra của bộ tạo được sử dụng để tính vận tốc góc rơi vào nửa mặt phẳng dưới trong 80% trường hợp, hoàn toàn không đáp ứng các tiêu chí cần thiết về tính ngẫu nhiên của kết quả của bộ tạo.

Vấn đề tạo số ngẫu nhiên hiện là một trong những vấn đề phù hợp và hứa hẹn nhất trong cộng đồng khoa học. Đồng thời, chủ đề này chủ yếu thú vị đối với những người ở xa thế giới khoa học. Làm quen với các thuật toán tạo số giả ngẫu nhiên nổi tiếng nhất và lĩnh vực sử dụng của chúng.