【C言語】少数を含めた範囲の乱数を生成する方法を解説

2023-09-132024-07-23

この記事では、C言語を使って乱数を生成する方法についてわかりやすく解説します。

整数や少数の乱数をどのように作るのか、範囲を指定して乱数を生成する方法、そして乱数がどのようにゲームやシミュレーション、セキュリティに役立つのかを学ぶことができます。

目次から探す

整数の乱数生成

C言語では、乱数を生成するために主にrand()関数を使用します。

この関数は、0からRAND_MAX(通常は32767)までの整数の乱数を生成します。

ここでは、rand()関数の使い方や、範囲を指定した整数の乱数生成方法、乱数の初期化とシード値について詳しく解説します。

rand()関数の使い方

rand()関数は、標準ライブラリの<stdlib.h>ヘッダーファイルに定義されています。

基本的な使い方は非常にシンプルで、以下のように記述します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int random_number = rand(); // 乱数を生成
    printf("生成された乱数: %d\n", random_number);
    return 0;
}

このコードを実行すると、0からRAND_MAXまでの整数が生成され、コンソールに表示されます。

ただし、毎回同じ乱数が生成されるため、実用的な用途には適していません。

範囲を指定した整数の乱数生成

特定の範囲内の乱数を生成するには、rand()関数の出力を調整する必要があります。

例えば、1から10までの乱数を生成したい場合、以下のように計算します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
int main() {
    // シード値を現在の時刻で初期化
    srand(time(NULL));
    // 1から10までの乱数を生成
    int lower = 1;
    int upper = 10;
    int random_number = (rand() % (upper - lower + 1)) + lower;
    printf("1から10までの乱数: %d\n", random_number);
    return 0;
}

このコードでは、srand(time(NULL));を使ってシード値を初期化しています。

これにより、プログラムを実行するたびに異なる乱数が生成されます。

rand() % (upper - lower + 1)で指定した範囲の乱数を生成し、lowerを加えることで、範囲を調整しています。

乱数の初期化とシード値

乱数生成の初期化は、srand()関数を使用して行います。

srand()に渡す引数は、シード値と呼ばれ、これにより生成される乱数の系列が決まります。

シード値が同じであれば、生成される乱数も同じになります。

一般的には、time(NULL)を使って現在の時刻をシード値として設定することが多いです。

以下は、シード値を設定する例です。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
int main() {
    // シード値を現在の時刻で初期化
    srand(time(NULL));
    // 乱数を生成して表示
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        int random_number = rand();
        printf("乱数 %d: %d\n", i + 1, random_number);
    }
    return 0;
}

このコードを実行すると、毎回異なる5つの乱数が生成されます。

シード値を設定することで、乱数の再現性を持たせることができるため、デバッグやテストの際に便利です。

以上が、C言語における整数の乱数生成の基本的な方法です。

次のセクションでは、少数を含めた乱数生成について解説します。

少数の乱数生成

C言語では、整数の乱数を生成するためにrand()関数を使用しますが、少数の乱数を生成するためには、整数の乱数を少数に変換する必要があります。

ここでは、少数の乱数を生成する方法について詳しく解説します。

整数から少数への変換

整数の乱数を少数に変換する基本的な方法は、生成した整数を特定の値で割ることです。

例えば、0から9までの整数の乱数を生成し、それを10で割ることで、0.0から0.9までの少数を得ることができます。

以下は、整数から少数への変換の例です。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
int main() {
    // 乱数の初期化
    srand(time(NULL));
    // 整数の乱数を生成
    int randomInt = rand() % 10; // 0から9までの整数
    // 整数を少数に変換
    double randomDouble = randomInt / 10.0; // 0.0から0.9までの少数
    printf("生成された整数: %d\n", randomInt);
    printf("変換された少数: %f\n", randomDouble);
    return 0;
}

このコードを実行すると、生成された整数とそれに対応する少数が表示されます。

範囲を指定した少数の生成方法

特定の範囲内の少数を生成するためには、まず乱数の範囲を決定し、その範囲に基づいて少数を計算します。

例えば、aからbまでの範囲の少数を生成する場合、次のように計算します。

double randomDoubleInRange(double a, double b) {
    double random = (double)rand() / RAND_MAX; // 0.0から1.0の少数
    return a + (b - a) * random; // aからbまでの範囲の少数
}

この関数を使って、例えば1.5から5.5までの少数を生成することができます。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
double randomDoubleInRange(double a, double b) {
    double random = (double)rand() / RAND_MAX; // 0.0から1.0の少数
    return a + (b - a) * random; // aからbまでの範囲の少数
}
int main() {
    // 乱数の初期化
    srand(time(NULL));
    // 1.5から5.5までの少数を生成
    double randomValue = randomDoubleInRange(1.5, 5.5);
    printf("生成された少数: %f\n", randomValue);
    return 0;
}

このコードを実行すると、1.5から5.5の範囲内の少数が生成されます。

乱数の精度と注意点

C言語のrand()関数は、擬似乱数生成器を使用しているため、生成される乱数は完全にランダムではありません。

特に、rand()関数の精度や範囲には限界があります。

以下の点に注意が必要です。

シード値の設定: srand()関数を使用してシード値を設定しないと、プログラムを実行するたびに同じ乱数列が生成されます。

シード値には通常、time(NULL)を使用して現在の時刻を指定します。

RAND_MAXの確認: rand()関数が返す値の最大値はRAND_MAXで定義されています。

この値は実装によって異なるため、必要に応じて確認してください。

精度の限界: rand()関数は整数の乱数を生成するため、少数の精度は限られています。

高精度の乱数が必要な場合は、他のライブラリ(例えば、<random>ヘッダーを使用するC++など)を検討することをお勧めします。

これらの点を考慮しながら、C言語での少数の乱数生成を行うと良いでしょう。

実際のコード例

整数の乱数生成コード

C言語で整数の乱数を生成するには、rand()関数を使用します。

この関数は、0からRAND_MAX(通常は32767)までの整数を生成します。

以下は、基本的な整数の乱数生成のコード例です。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
int main() {
    // 乱数の初期化
    srand(time(NULL));
    // 乱数を生成して表示
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        int random_number = rand(); // 乱数を生成
        printf("乱数 %d: %d\n", i + 1, random_number);
    }
    return 0;
}

このコードでは、srand(time(NULL));を使って乱数のシードを初期化しています。

これにより、プログラムを実行するたびに異なる乱数が生成されます。

rand()関数を5回呼び出し、それぞれの乱数を表示しています。

少数の乱数生成コード

少数の乱数を生成するためには、整数の乱数を少数に変換する方法が一般的です。

以下は、整数の乱数を使って少数の乱数を生成するコード例です。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
int main() {
    // 乱数の初期化
    srand(time(NULL));
    // 乱数を生成して表示
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        double random_double = (double)rand() / RAND_MAX; // 0.0から1.0の範囲の少数
        printf("少数乱数 %d: %f\n", i + 1, random_double);
    }
    return 0;
}

このコードでは、rand()で生成した整数をRAND_MAXで割ることで、0.0から1.0の範囲の少数を生成しています。

これにより、生成される少数は常に0以上1未満になります。

範囲を指定した乱数生成の実装例

特定の範囲内の乱数を生成するには、生成した乱数を適切にスケーリングする必要があります。

以下は、指定した範囲(例えば、minからmaxまで)の乱数を生成するコード例です。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
int generate_random_in_range(int min, int max) {
    return rand() % (max - min + 1) + min; // minからmaxの範囲の乱数を生成
}
double generate_random_double_in_range(double min, double max) {
    return ((double)rand() / RAND_MAX) * (max - min) + min; // minからmaxの範囲の少数を生成
}
int main() {
    // 乱数の初期化
    srand(time(NULL));
    // 整数の乱数を生成
    printf("整数の乱数:\n");
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        int random_number = generate_random_in_range(10, 50); // 10から50の範囲
        printf("乱数 %d: %d\n", i + 1, random_number);
    }
    // 少数の乱数を生成
    printf("\n少数の乱数:\n");
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        double random_double = generate_random_double_in_range(1.5, 5.5); // 1.5から5.5の範囲
        printf("少数乱数 %d: %f\n", i + 1, random_double);
    }
    return 0;
}

このコードでは、generate_random_in_range関数を使って整数の乱数を、generate_random_double_in_range関数を使って少数の乱数を生成しています。

整数の乱数は10から50の範囲、少数の乱数は1.5から5.5の範囲で生成されます。

これにより、特定の範囲内での乱数生成が簡単に行えます。