对数正态分布伪随机数的产生与检验

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对数正态分布伪随机数的产生与检验

第27卷第6期2007年11月

天津商学院学报

Vo!.27No.6Nov.2007

JournalofTianjinUniversityofCommerce

对数正态分布伪随机数的产生与检验

滕建辅1,梁静毅1,滕颖2

(1.天津商业大学信息工程学院,天津300134;2.天津大学电子信息工程学院。天津300072)

摘要:本文给出了一种产生对敷正态分布伪随机教的算法以厦相应的检验方法,产生的均匀分布随机序列。经近似抽样产生正态分布的随机敦,弄经变换抽样最终产生对敷正态分布的随机序列。采用卡方检验验证其是否符夸对数正态分布。计算实例表明,所给出的方法具有产生伪随机敷速度快、微量大、方差小和较长的周期等特点。具有较太的工程实用价值。计算结果验证了所给方法的正确性。

关键词:伪随机敷;均匀分布;正态分布;对数正态分布;卡方检验;工程模瓤中围分类号:0211.6

文献标识码:^

文章编号:1001—0262(2007)06—0(301—05

随着计算机仿真技术的发展,伪随机数的产生引起了许多学者的关注”。1。伪随机数发生器广泛应用于电子电路的成品率设计、蜂窝移动通信系统的小区容量分析、CDMA关键技术的仿真、数字水印技术、DVB信道编解码与调制解调以及信息安全等诸多领域。

对于一个高质量的伪随机数发生器,它所生成的伪随机数序列应具有不相关性,即序列的任意数值间相互独立。理想的伪随机数系列应是串行不相

正态分布伪随机数的产生以及对这些伪随机数如何检验却报导的不多。本文给出了对数正态分布伪随机数的产生以及用卡方分布检验其均匀性的方法。计算结果表明,本文所给出的方法产生伪随机数速度快,数量大,而且具有较小的方差和较长的周期等特点。

一般情况下,只要所用的伪随机数序列(r口)满

足均匀性和不相关性,由(r1)产生的r(x)的简单子样就严格满足独立同分布于F(*)的特性。所以本文先产生(o,1)区间的均匀分布随机数,然后通过抽样生成正态分布的随机数以及对数正态分布的随机数。

关的,也就是说序列中的任何一个子序列与其他子

序列之间应是不相关的。其次,生成的伪随机数序列应具有均匀性,即满足一个确定的概率分布。

伪随机数发生器在满足上面特点的同时,所生成的伪随机数还应具有长的周期。理想的随机数序列的周期应该是无限长的,但对于由一定算法产生

1算法原理

1.1均匀分布随机数的产生

的伪随机数其必然有一定的周期性,导致随机数出

现一定的相关性和重复性。伪随机数发生器研究的

目前,有多种生成(o,1)均匀分布随机数的方

法,如平方取中算法洞余算法以及Tausworthe序列

等。在这些算法中,线性同余发生器是目前应用较

广的一种生成均匀分布随机数的方法,其表达式为

目标就是利用现有工具,拓展伪随机数的周期,使其

在一定长度内表现为均匀不相关或者使其伪随机序列的相关性越小越好。

用数学递推公式产生的随机数需要经过统计检验才能决定在实际中能否应用。近年来。许多学者都致力于伪随机数产生的研究,大量文献介绍(o,1)区间均匀分布伪随机数的产生和检验,但对对数

收稿日期:2007-10—15

矗+1=ax.+c(modm)(1)

式中n、c为常量,m为模数,它们均为正整数。诚+c

对m做模运算后就得到置+。。由此产生序列(丑),xo是程序开始时给定的初始值。此算法对于a、c以及

蜀的选取没有什么规律可寻,随机数的不相关性与参

作者简介:辟建辅(1954一),男,山东潍坊人,教授,博士生导师.主要从事电路设计与信号处理的研究。

万方数据 

对数正态分布伪随机数的产生与检验

.2.

天津商学院学报

2007年

数以及初值的选取有很大关系。可以证明,取m=r,可以获得的随机数的最大周期为r=2“2。

为了提高伪随机数的质量,文献[1]在产生均

匀分布随机数时,提出了两种算法对原来线性同余发生器的算法进行了改进。本文采用文献[1]中的

算法产生(0,1)区间的均匀分布随机数,其基本原理如下:

(1)将x的初值设定为一个32位的整数,然后将低16位作为伪随机数输出,高16位作为下次运

算的进位(即c),系数&乘以前一个随机数的低16

位值,加上其高16位的值c,得到本次运算的32位

结果,将其低16位取出,作为下一个伪随机数输出。将产生出的(兄)序列对m进行模运算,最终得到符

合(O,1)均匀分布的随机序列。试验证明,由此产

生的随机序列的周期明显加长,但是在一定长度内,如50000,随机数重复出现的概率较大,有的甚至重复出现了10次之多,也就是说在一定程度上影响了随机数的均匀性。

(2)针对上述问题,再做以下改进。在程序中同时产生两个形如x的随机序列(丘)、(j:-),分别做步骤(1)所叙述的运算,将每次产生的两个32位的伪随机数的低16位分别取出,然后进行位拼接,

形成一个32位的新随机数,虽然两个序列都存在随机数重复的问题,但因为那不是按照周期重复出现

的现象,而是算法本身导致的,也就是说在一个很长的周期中重复出现某一个数,但并不具有一定的重现期,故将两个数进行拼接后,随机数重复出现的现象大大减少。将新产生出的(丢)序列2”一1对进行模运算,这样就可以得到一个周期很长而且均匀

性很好的均匀分布随机序列。有关的详细过程可以参考文献[1]。

1.2正态分布抽样

随机变量的抽样是直接地或间接地由均匀分布

的总体产生已知分布,(*)的简单子样。鉴于所需要的随机数服从正态分布,鉴于直接抽样,变换抽样,设选抽样运算量太大,而且抽样效率太低等特点,这里采取近似抽样的方法生成服从正态分布的随机序列。

设r,,/'2,…,r-为n个相互独立的均匀分布在[0,1]区间上的随机数,由于E(r)=1/2,D(r)=1/12,根据独立同分布的中心极限定理推知,当n充分大时,变量

万 

方数据r_=/6:掣

Y,.旦

(2)

/“

~12

服从N=(肛,口2)。试验中取n=12可以达到很好的精度。故

掣=∑ri一6=∑P∑(1一r1)(3)

当且取0,口取i且n充分大时,即可以得到近似正态分布N(o,1)的随机数。1.3对数正态分布抽样

变换抽样的方法的一般过程为:先抽样产生x

的一组样本(置),然后通过变换yf=g(Xi)得到y的一个容量为Ⅳ的子样。设工具有密度函数以*),

数,则Y=g(x)是一个新的随机变量,设其反函数

为X=妒(Y),则l,的概率密度为

,[妒(y)]I妒7(y)I(4)

本文中,对数正态分布的随机序列正是应用此

方法产生的。

f(x)=赢e印{-毗旁业}

对数正态分布的密度函数为

(5)

其中,z≥o,A为常数。由已经得到的正态分布的容量为Ⅳ的样本序

列。应用抽样公式

E=口+exp{口7置-Al(6)

抽取产生对数正态分布的随机序列,其中(置)即是已经抽样产生的符合N(0,1)正态分布的随机

序列。为简单起见,程序中,将口,A均取为0。故抽样公式变为

K=exp(口’Xi)

(7)

1.4卡方检验

对于抽样得到的样本序列(E),我们来检验关

于样本空间分布的一种假设:

风:观测结果落在第i组的概率为n。

卡方检验的基本思想是:将样本空间s分成互不相容的k组,记^为第i组的观测频数,i=1,2,…,&,而原假设巩是“观测结果落在第i组的概率

为P;”,且有∑P。=1,令吼=Np。,为第i组的理论

频数,检验原假设就是比较观测频数^与理论频数

Y=g(x)为一一对应的变换,且具有非零的连续导

对数正态分布伪随机数的产生与检验

第6期滕建辅,等:对数正态分布伪随机数的产生与检验

砚之间的差异是否显著,K.Pearson提出用统计量公式(8)便可以得到‰。£,。(d)的理论值通过程

序运算产生,然后进行比较。

妊=砉垒≠=砉与≯㈣

作为衡量分布(p。,…,P。)与实际数据的偏差,其证明的极限定理如下:

当x的理论分布确为(p,,…,n)时,有K。一

(2),分布的分位数的计算

所谓,分布的分位数的计算,就是计算,分

布的上侧概率

Z。即当N足够大时,可以近似地认为x,的分布

就是毹一t。

依据这个定理,提出第一种检验方法如下:当

d=I—F盯;Ⅳ)=Jf(u;n)du

(10)

的逆函数,其近似计算公式为

蝓瑚:一。(d)时,否定风,否则就接受风。其中

Z一。(口)为X2统计上侧概率为a的分位点。蠢.。(a)满足n=

的密度函数。

当n≤2时t(1)=《,爿:(2)=一21n

(1la)

(1lb)

当n≥3时,Z(n)=(u。+川五;习)2/2

改进

其中‰是N(0,1)的分位数。为了得到更精确的结

J,(#)如,其中以x)为,分布_Z(4)

果。可以Z(n)为初值,利用牛顿迭代法对公式进行

另外依据这个极限定理,也可以提出另一种检验方法,称为拟合优度。设就某一组具体数据算出

x.+I:*i一尝l:0,1.2,…(12)

托““t一了瓦厂‘2^’…

¨2i

公式中用到的r分布的下侧概率P的求法,在

后面给出。求解公式中的正态分布的分位数u。,即是求解

秭之值为c,计算概率P(^,c)=P(采.,≥c)。P(I,c)的意义是:当假设风成立而』、r相当大时,偏差“

取不小于C的值的可能性的大小,把这个概率称为

拟合优度。由于,分布是一个中间隆起的单峰分

布,典型的符合良好的情况应P(k,c)是在0.3—0.7的范围内,P(^,c)过小固然反映拟台不佳,但过大接近1的P(^,c)也难免使人对数据的真实性产

生怀疑。

a_l-咖(‰)2』—者{山Il’…

公式的反函数,其近似公式为

rⅡ’日0<a<O.5

(13)

卢=d

(1)确定分组个数&

一般而言,分组的个数^与样本观测值的取法有关,与样本总量J】v有关,也与实验数据的分布性质有关,其总的原则是^的值不宜过大,k值过大导致出现若干频数为0的区间。%值也不宜过小,过小出现不可解释的错误结论,参考数据如表1所示。

裹1样本总量与分组数

Ⅳ100

200

500

1000

2000

5000

10ooo

50ooo

‰={Ⅱ’口0.5<d<I卢=I—d

【0I

(14)

其中,ItI#一(y∑bly‘)2,y=一ln[邻(1一卢)];6.为

参数。

公式在Ⅳ大于45且d较小时准确率较好,但当Ⅳ较小时和准确值差别较大。还可以将得到的

,(n)值带人r分布的分布函数中,得出a,与a的

给定值相比较的方法确定抽样是否符合已知分布。

(3),分布的上侧概率Ot的计算

r分布的密度函数为

^10—1214—16

20一丝28—3036—3950一56鹤一74120一142

,(,(n);n)=JLf辽监re善(15)?r(n、x

将长度为[O,3口]的区间按照等距离分组的方法分组,对对数正态分布的密度函数进行积分,得到样点落在每个区间的理论频率

上侧概率d为

一‘、n,

只=』高贯一(一警)出

i=I,2,…k

a=l-F瓴2(n);n)=I以u;n)du

÷

(16)

(9)

其中

F叼(n);n)=f,(p;/7,)如

(17)

再用公式:m。=^≯。,算出各组的理论频数,运用

因为J1分布的分布函数L(p)可以由递推公式求出

万方数据 

对数正态分布伪随机数的产生与检验

天津商学院学报

2007盎

,I(p+i)=‘缸)一言以(p)

(18)

以(p+1)2言玑(p)

(19)

其中,仉(p)=矿e”/,(p),故只要知道了L(肛)和址(芦)的初值,就可以求出F分布的密度函

数和分布函数,而,分布的分布函数可以由F分布导出,故可以利用上面的递推公式来间接计算,(n)

,口(n);n)=L(号)

(20)

初值的选取为:

n删‘({)=z』去等如,

玑(吉)=√寺e一;

(z a)n为偶数时L(1)=1一e5,玑(1)=£e。

(21b)

公式中f了杀善舡,可以由标准正态分布的

下侧概率公式导出,即

中(以.)一丁1

2』—杰亍等如一号=

』去等如

(22)

而计算标准正态分布的分布函数的近似公式为

f导E,(g)+0.5(。≥o)

酬小仁争,f(x㈨删。3’

其中,误差函数E,“*)*l一(1+耋a∥)。6,*=

ilul,a;为参数。

这样将卡方检验得到的,(n)带人到卡方分布

上侧概率口的计算公式中,得到统计量对应的概率值,如果a大于给定值则接受假设,否之则拒绝假设。本试验中运用前文所述的均匀分布的伪随机数发生器,产生了600000个(O,1)均匀分布的伪随机数。将其按照等距离的方法分为125组,经检验可

以得到表2。

万 

方数据表2均匀分布卡方检验

可见由拼接成32位后产生的随机序列具有更好的均匀性,因为随机数产生在(0,1)这个很小的范围内,所以二者的r检验值差异不大。

将(0,1)均匀分布的伪随机数12个分为一组,由近似抽样方法,产生50000个正态分布随机数。同样按照等距离的方法将[-30-t§,30"]£毒]的距离分成125组,同样对此范围内的随机数进行了卡方检验,比较上面两种方法,可以得到表3。

表3正态分布卡方检验

,(n)值

50ooo16位114.91l43拼接32位

“55816

圈1正态分布抽样分布

围2对数正;螽分布抽样分布

由正态分布的随机数变换抽样产生对数正态分布的随机数。由于对数分布的随机数的离散性较小,故对[o,39髓Ⅲ§]范围内的数进行统计,将此距离按照等距离的方法分成125组,比较两种方法,可以得到表4。

2抽样结果与分析

对数正态分布伪随机数的产生与检验

第6期

滕建辅,等:对数正态分布伪随机数的产生与检验

裹4对敛正态分布卡方检验r(n)值

16位拼接32位

500001182573911857339

分布的伪随机数的算法。4结论

本文给出了一种产生对数分布正态伪随机数的算法以及相应的检验方法。首先产生(0,I)均匀分布随机序列,经近似抽样产生正态分布的随机数,再经变换抽样最终产生对数正态分布的随机序列。经卡方检验,验证其是否符合对数正态分布。计算实例表明,本文所给出的方法产生伪随机数速度快,数量大.而且具有较小的方差和较长的周期等特点,具有较大的实用价值,可用于系统仿真、测试及其它诸多工程领域。

致谢:感谢天津大学电子信息工程学院昊裕功教授在启发式教学中提出了对数正态分布伪随机数的产生厦检验这一课题以及对论文所提出的建议和参考资料。

而当K=125,由程序产生的理论卡方分位数:艋∞1=168.459,毹Ⅻ=172.732

可见均满足r(n)≤t,故可以认为由以上两种方法抽样得到的随机数序列符合对数正态分布。由统

计出的,(n)值计算,可以得到其上侧概率为:

a=1一,(118.57339;124)=O.644

783

由0.620671>0.01,也可以得出结论,随机序

列符合对数正态分布。通过图示可以更直观地表达由此方法产生的伪随机数较好地符合规定的分布形式,分别如图I、图2所示。

3模型的评价

由产生均匀分布的伪随机数的算法产生的随机序列周期很长,而且进行位拼接后随机数的重复性大大减小,使得对数正态分布伪随机数发生器的可扩展性得到了很大程度的提高。

每产生12个均匀分布的伪随机数后,即生成一个正态分布的伪随机数,所以数组的最大容量只有

50

参考文献:

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机散发生器研究[J].计算机科学,2005.32(4):137—139.[4]商小晴。张哲.刘国良.等.一种Linua用户空间下的快速伪

随机数生成算法[J].北京航空航天大学学报,2006,32(4):

489—493.

000而不是600000,节省了存储空间。

产生正态分布伪随机数的近似抽样,算法简单,

近似性较好。

本算法的关键是寻找一种快速优良的产生均匀

[5]张桂华,龚志勇.长伪随机序列实时相位快速计算算法研究

[J].无线电工程.2006,36(11):36-37.

AlgorithmsforGeneratingandTestingLognormalPseudorandomNumbers

TENGJian.ful,LIANGJing.yjl,TENGYin92

(1.SchoolafInformationEnglnetting,TianjinUniversity0fCommerco,Tianjin300134,China;2.SchoolofInfonnationE|Igineering,Ti蛐jinUnive.raity,Ti蚰jin300072,China)

Elmnlc

Abstract:AlgoriflmMforgeneratinggorithm

andte日h。培thelngnormalp自eudorandomnumbers

are

giveninthepaper.First,an

81.-

forgenerating(0.1)uniformlydistributedpseudorandom119JJxlbei镕isintrodlloexl,andthenthenormallydistributed

aIe

pBeudomndomilumbeHobtajJledthroughapproximamdecimation.Furthermore.thelngnormalpseudorandomnllmbels

8Mgeneratedthroughthe

cahtedexampleshows

m日d面0frandomdeviateswithnⅫaldistribution.The

metllodB啪he

methodfor

test

isgiven.Thecal-

thevalidityofthegiv即method.Theusedforengineeringsimulatima.

Keywords:pseudorandomn11]11lMce;uniformdistribution;normaldistribution;lognormaldisLribufion;X2t∞l;engineering

simulation

(责任编辑高俊丽)

万方数据 

对数正态分布伪随机数的产生与检验

对数正态分布伪随机数的产生与检验

作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):引用次数:

滕建辅, 梁静毅, 滕颖, TENG Jian-fu, LIANG Jing-yi, TENG Ying

滕建辅,梁静毅,TENG Jian-fu,LIANG Jing-yi(天津商业大学信息工程学院,天津,300134), 滕颖,TENG Ying(天津大学电子信息工程学院,天津,300072)天津商学院学报

JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY OF COMMERCE2007,27(6)0次

参考文献(5条)

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2.马华.张晓清.张鹏鸽 一种基于线性同余算法的伪随机数产生器[期刊论文]-纯粹数学与应用数学 2005(3)3.赵学龙.王庆梅.许满武.刘凤玉 基于一维扩展元胞自动机的伪随机数发生器研究[期刊论文]-计算机科学2005(4)

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5.张桂华.龚志勇 长伪随机序列实时相位快速计算算法研究[期刊论文]-无线电工程 2006(11)

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