随机游走步数如何求解?

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模拟随机行走,假设位于原点的人在直线上往左或者往右随机行走1步,同时存在一个整数n,障碍物在n或者-n处,人遇到障碍物的时候停下。求解一下平均需要行走多少步。做图描述随着n的变化,随机行走的平均步数是如何变化的。

首先我们学习一下random模块几个常用的函数,这在今天求解问题的时候会用到。

random.randint(a, b): 返回一个整数N,并且满足a <= N <= b。

random.random():返回一个浮点数,并且范围是[0.0, 1.0)。

random.uniform(a, b):返回一个浮点数,并且满足若a <= b则a <= N <= b,若b

根据以往的思路,咱们还是把大问题简单化。题目要求的是随着n的变化,我们考察对于某一个特定的n,随机行走的平均步数是多少。

先考察行走一步的情况,产生一个随机数,0表示向左走,1表示向右走。看看走这一步的代码版本1:

import random
# Programmer: Python那些事
# Date: April 16, 2017
# Version 1: moves the person one step, either left or right, at random
location = 0 # tracks the person's current location
step = random.randint(0, 1) # returns 0 or 1, each with prob. 1/2
# Adjusts the random number to be either -1 or +1
if step == 0:
   step = -
location = location + step # updates location
print(location)

然后咱们将问题变得复杂一些,考虑一次随机行走,遇到n或者-n则停止,版本2如下:

import random
# Programmer: Python那些事
# Date: April 16, 2017
# Version 2: moves at random, one step at a time, left or right
# until the person reaches a barrier n or -n. Outputs the number of steps
# it took to reach the barrier
location = 0 # tracks the person's current location
n = 10 # value of the barrier
length = 0 # tracks the length of the random walk
# This moves the person until she reaches the barrier at n or -n
while abs(location) < n:    
   step = random.randint(0, 1) # returns 0 or 1, each with prob. 1/2
   # Adjusts the random number to be either -1 or +1
   
if step == 0:
       step = -1    
   
location = location + step # updates location
   
length =  length + 1
print(length)

还有两个问题需要考虑,其一是对于特定的n需要求解多次随机行走的平均步数,其二是随着n的变化,随机行走的平均步数是如何变化的。

我们需要在版本1的基础上进行循环才能解决问题1,还需要另外一个循环才能解决问题2。

那么有什么使得代码更简洁易懂的方法呢?答案肯定是有的,那就是定义函数randomWalk,接收参数n并且返回一次随机行走的步数。函数的定义方法如下:

               def randomWalk( n )

其中,def是Python的关键字,randomWalk是函数名,而n是参数。函数的最后通常会有返回值,在本例中返回的就是一次随机行走的步数,即return length。

函数定义即版本3的代码如下:

import random
# Programmer: Python那些事
# Date: April 16, 2017
# Version 3: moves at random, one step at a time, left or right,
# until the person reaches a barrier n or -n. Outputs the number of steps
# it took to reach the barrier

# This function takes in the value of the barrier, simulates a random
# walk that terminates on reaching the barrier, and returns the length
# of the simulated random walk
def randomWalk(n):
   location = 0 # tracks the person's current location
   
length = 0 # tracks the length of the random walk
   # This moves the person until she reaches the barrier at n or -n
   
while abs(location) != n:    
       step = random.randint(0, 1) # returns 0 or 1, each with prob. 1/2
       # Adjusts the random number to be either -1 or +1
       
if step == 0:
           step = -1    
       
location = location + step # updates location
       
length =  length + 1
   
return length

有了randomWalk这个函数,我们很容易求解一次随机行走的步数,即:

n = input("Enter a positive integer: ")
print(randomWalk(n))

同理,对于多次随机行走平均步数的求解,代码也变得简单易读,如下代码是随机行走100次的平均步数:

# This is the main part of the program (i.e., outside the function)
n = input("Enter the value of the barrier (a positive integer): ")
sum = 0 # track the total length of all simulated random walks
counter = 0
# The simulation is repeated 100 times
while counter < 100:
   sum = sum + randomWalk(n)
   counter = counter + 1
print(sum/100)

然而,我们要考虑随着n的变化随机行走的平均步数,是还需要对上述代码进行循环。思考到这里,你是否有方法使得代码更简洁易懂?

对,答案还是定义函数。函数获取两个参数,即n和随机行走的次数numRepititions,函数的定义版本4的代码如下:

# Simulates random walks with barrier n as many times as specified by
# numRepititions. Returns the average length of a walk.
def manyRandomWalks(n, numRepititions):
   sum = 0 # tracks the total length of all simulated random walks
   
counter = 0 # tracks the number of walks being performed
   
while counter < numRepititions:
       sum = sum + randomWalk(n)
       counter = counter + 1
   
return sum/numRepititions

最终,我们考察n=10,20,...,100的时候,随机行走100次的平均步数,主程序代码如下:

# Main loop for generating various values of the barrier 
# We use barrier values 10, 20, 30, 40,..., 100
n = 10
while n <= 100:
   print manyRandomWalks(n, 100)
   n = n + 10

小编在电脑上运行了一下,结果是113,415,937,1501,2356,4066,4965,6358,8313,10468。当然不同的执行结果肯定不一样了,这也是随机函数的魅力了。用MATLAB软件画一下图,似乎是更是直观:

image.png

今天,你学会这种随机行走的奥秘了吗?跟你的想象有什么区别吗?配图几米的漫画是否让你想起了某段时光?学完之后,欣赏一下几米的漫画《向左走,向右走》吧。

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