3.3. Gerando números aleatórios no computador

"Any one who considers arithmetical means of producing random digits is, of course, in a state of sin." - John von Neumann (quoted by D. E. Knuth, in "The Art of Computer Programming II", Addison-Wesley Longman Publishing Co. 1997)

É possível gerar, no computador, números verdadeiramente aleatórios através da medição de fenômenos físicos externos, como ruído térmico, ruído sonoro, turbulência atmosférica, efeitos foto-elétricos, efeitos quânticos, entre outros. Veja, por exemplo, Wikipedia: Hardware random number generator e RANDOM.ORG. Essa forma de geração de números aleatórios é de fundamental importância em algumas aplicações de criptografia, em situações em que a segurança é crítica. Essa classe de geradores de números aleatórios costuma ser denomidada por TRNG (True Random Number Generators).

Mas a geração de tais números é custosa ou relativamente lenta. Por isso, em geral, números gerados aleatoriamente por programas de computador são baseados em algoritmos determinísticos. Esses algoritmos são feitos para simularem a geração de uma sequência aleatória através de alguma regra. Esses números gerados são ditos pseudo-aleatórios. Essa classe de geradores de números aleatórios costuma ser denomidada por PRNG (Pseudo Random Number Generators). A maior fonte de aleatoriedade deles vêm de uma semente, usada para inicializar a sequência. Essa semente, sim, é baseada, em geral, em alguma fonte externa de entropia fornecida pelo sistema operacional, por exemplo a partir de movimentos do mouse, das teclas digitadas no teclado ou de ruído térmico, obtido através dos sensores de temperatura na placa do circuito integrado.

O estudo desses algoritmos de PRNG formam uma linha de pesquisa importante. E há uma série de testes de aleatoriedade para verificar a qualidade dos algoritmos.

Geradores Congruentes Lineares

Uma família de métodos simples, que podemos mencionar para efeito de ilustração, é a dos geradores congruentes lineares. É uma família de métodos parametrizada por três parâmetros, \(a\), \(b\) e \(m\). A sequência de números pseudo-aleatórios é iniciada a partir de uma semente \(X_0\) e é definida, recursivamente, por

\[ X_{n+1} = (a X_n + b) \operatorname{mod} m. \]

A sequência é, necessariamente, periódica e gera, no máximo, \(m-1\) números diferentes. Mas a periodicidade pode ser bem menor, dependendo da combinação de parâmetros. A qualidade do método, aliás, é fortemente dependente das escolhas dos parâmetros. Compare, por exemplo, os dois casos abaixo:

Mersenne Twister

Por sua vez, um algoritmo clássico e muito utilizado para a geração de números pseudo aleatórios é o Mersenne Twister.

Xoshiro

Um outro algoritmo desenvolvido mais recentemente é o Xoshiro.

Números aleatórios não uniformes

Os algoritmos acima geram números buscando simular números aleatórios distribuídos uniformemente.

Gerando números aleatórios em Julia