NumPy-随机数生成详解

NumPy作为Python数值计算的核心库，提供了功能强大、性能高效的随机数生成模块——numpy.random，该模块不仅能生成各种分布的随机数，还能满足可重复性、批量生成等需求。

一、随机数生成的基础：伪随机数与种子

1. 伪随机数的本质

计算机生成的随机数并非真正意义上的随机，而是通过确定性算法产生的伪随机数。这些随机数看似无规律，但实际上由初始值（种子）完全决定。只要种子相同，生成的随机数序列就会完全一致，这一特性为实验的可重复性提供了保障。

2. 种子的设置：确保结果可复现

通过np.random.seed()函数可以设置随机数种子，固定随机数序列：

import numpy as np# 设置种子
np.random.seed(42)
# 生成随机数
print(np.random.rand(3))  # [0.37454012 0.95071431 0.73199394]# 重新设置相同种子，生成相同序列
np.random.seed(42)
print(np.random.rand(3))  # [0.37454012 0.95071431 0.73199394]

在科研实验或程序调试中，设置种子能确保多次运行的结果一致，便于问题定位和结果验证。

二、常用随机数生成函数

1. 均匀分布随机数

均匀分布是最常用的随机分布之一，其随机数在指定区间内均匀取值。

• np.random.rand(d0, d1, ..., dn)：生成[0, 1)区间内的均匀分布随机数，形状由参数指定。

  # 生成2行3列的均匀分布随机数
  arr = np.random.rand(2, 3)
  print(arr)
  # 输出：
  # [[0.59865848 0.15601864 0.15599452]
  #  [0.05808361 0.86617615 0.60111501]]
  

• np.random.uniform(low=0.0, high=1.0, size=None)：生成[low, high)区间内的均匀分布随机数，更灵活地指定范围。

  # 生成5个[10, 20)区间的均匀分布随机数
  arr = np.random.uniform(10, 20, size=5)
  print(arr)  # [12.05844943 17.8158732  11.18274425 16.17365467 12.11334366]
  

2. 正态分布随机数

正态分布（高斯分布）是自然界中最常见的分布之一，许多现象都近似遵循正态分布。

• np.random.randn(d0, d1, ..., dn)：生成均值为0、标准差为1的标准正态分布随机数。

  # 生成3个标准正态分布随机数
  arr = np.random.randn(3)
  print(arr)  # [0.49671415 -0.1382643  0.64768854]
  

• np.random.normal(loc=0.0, scale=1.0, size=None)：生成均值为loc、标准差为scale的正态分布随机数。

  # 生成2行2列、均值为5、标准差为2的正态分布随机数
  arr = np.random.normal(loc=5, scale=2, size=(2, 2))
  print(arr)
  # 输出：
  # [[4.87300259 3.87939188]
  #  [5.85916983 6.23844269]]
  

3. 整数随机数

在需要生成离散整数的场景中，以下函数非常实用。

• np.random.randint(low, high=None, size=None, dtype=int)：生成[low, high)区间内的整数随机数。

  # 生成5个[1, 10)区间的整数
  arr = np.random.randint(1, 10, size=5)
  print(arr)  # [3 7 8 5 9]
  

• np.random.choice(a, size=None, replace=True, p=None)：从数组a中随机选择元素，可指定概率分布。

  # 从[1, 2, 3]中随机选择3个元素（可重复）
  arr = np.random.choice([1, 2, 3], size=3)
  print(arr)  # [2 1 3]# 按指定概率选择元素（p的和必须为1）
  arr = np.random.choice([1, 2, 3], size=3, p=[0.1, 0.6, 0.3])
  print(arr)  # [2 2 3]（2被选中的概率更高）
  

4. 其他常用分布

除了上述分布，numpy.random还支持多种其他分布的随机数生成，如指数分布、泊松分布等。

• np.random.exponential(scale=1.0, size=None)：生成指数分布随机数，scale为1/λ。

  arr = np.random.exponential(scale=2, size=3)
  print(arr)  # [1.52275333 0.88770418 3.14869517]
  

• np.random.poisson(lam=1.0, size=None)：生成泊松分布随机数，lam为λ（均值和方差）。

  arr = np.random.poisson(lam=3, size=4)
  print(arr)  # [4 2 3 5]
  

三、随机数生成的进阶操作

1. 随机排列与洗牌

在需要打乱数据顺序的场景中，随机排列函数非常有用。

• np.random.permutation(x)：返回一个随机排列的数组，或对整数序列进行随机排列。

  # 对数组进行随机排列
  arr = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
  permuted = np.random.permutation(arr)
  print(permuted)  # [3 5 1 2 4]# 生成0-4的随机排列
  permuted = np.random.permutation(5)
  print(permuted)  # [2 4 1 0 3]
  

• np.random.shuffle(x)：原地打乱数组x的顺序（无返回值）。

  arr = np.array([1, 2, 3, 4, 5])
  np.random.shuffle(arr)
  print(arr)  # [5 2 4 1 3]
  

2. 控制随机数的维度与形状

NumPy的随机数生成函数支持通过size参数灵活指定输出数组的形状，无论是一维、二维还是更高维数组，都能轻松生成。

# 生成3维数组（2×3×4）的均匀分布随机数
arr = np.random.rand(2, 3, 4)
print(arr.shape)  # (2, 3, 4)

四、随机数生成的应用场景

1. 数据增强

在机器学习中，为了扩充训练数据、提高模型的泛化能力，常对原始数据进行随机变换，如随机裁剪、随机翻转等，这些操作都依赖于随机数生成。

# 模拟对图像进行随机水平翻转（50%概率）
def random_flip(image):if np.random.rand() > 0.5:return image[:, ::-1]  # 水平翻转return image# 假设image是一个二维图像数组
image = np.array([[1, 2, 3], [4, 5, 6]])
flipped_image = random_flip(image)
print(flipped_image)

2. 蒙特卡洛模拟

蒙特卡洛模拟通过大量随机抽样来求解复杂问题，在金融、物理等领域有广泛应用。例如，用蒙特卡洛方法估算圆周率：

n = 1000000  # 抽样次数
x = np.random.uniform(-1, 1, n)
y = np.random.uniform(-1, 1, n)
# 计算落在单位圆内的点的数量
inside = (x**2 + y**2) <= 1
pi_estimate = 4 * np.sum(inside) / n
print(pi_estimate)  # 约为3.14（随着n增大，精度提高）

3. 随机初始化参数

在机器学习模型训练前，通常需要随机初始化模型参数（如权重矩阵），正态分布和均匀分布是常用的初始化方式。

# 随机初始化一个3×2的权重矩阵（均值0，标准差0.01）
weights = np.random.normal(loc=0, scale=0.01, size=(3, 2))
print(weights)
# 输出：
# [[-0.00463418 -0.00465729]
#  [ 0.01523029  0.00375698]
#  [-0.00634322 -0.00362741]]

五、注意事项

1. 种子的作用范围：np.random.seed()设置的种子只对后续的numpy.random模块函数有效，且在多线程环境中可能会出现种子混乱的问题，此时可使用numpy.random.RandomState创建独立的随机数生成器。

   # 创建独立的随机数生成器
   rng = np.random.RandomState(42)
   print(rng.rand(3))  # [0.37454012 0.95071431 0.73199394]
   

2. 性能考量：NumPy的随机数生成函数底层由C实现，性能远优于Python原生的random模块，尤其在生成大规模随机数时，优势更为明显。

3. 分布参数的选择：不同的应用场景需要选择合适的分布。例如，初始化神经网络权重时，常用正态分布或均匀分布；模拟等待时间时，常用指数分布。

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