C#で重複のない乱数の生成(Visual Studio)

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はじめに

この記事では、Visual Studio2015でダブりのない乱数をｃ＃で作る方法を紹介する。

ついでに、生成した乱数をテキストファイルに出力する機能もついている

考え方

乱数のシャッフルのされ方には歴史がある。

Wiki：フィッシャー – イェーツのシャッフル

は非常に参考になる。

Wikiでは、フィッシャー – イェーツ(Fisher-Yate)とダステンフェルドのアルゴリズムを区別して扱っている。フィッシャー – イェーツ(Fisher-Yate)が当初考えた方法だと計算量がO(n²)だが、ダステンフェルドのアルゴリズムでは、O(n)と少なく済む。

※多くのサイトで、ダステンフェルドのアルゴリズムのことをFisher-Yate 法と呼んでいる。理由はよくわからないが、偏りのない乱数をまじめに考えた最初期の人がフィッシャーとイェーツだからだろう。

この記事でも、これらの考えを踏まえてコードを組んだ。

まず、1～10までの重複のない乱数を作りたいと考える。

その場合、10個の数字を入れる箱（配列）を用意する。そして、１番目の箱に1を、２番目の箱には2を……10番目の箱には10を入れる。

次に、１番目の箱を1～10番目の箱のどれかと交換する（自分と交換した場合、数字は変わらない）。その次は2番目の箱を2～10番目の箱のどれかと交換する。……9番目の箱は9～10番目の箱のどれかと交換する。

※10番目の箱は、交換操作をしても、自分と交換するしかないので意味がない。そのため、この最後の交換操作は省略されているコードも世の中にはある。このサイトで紹介するコードは、交換操作の後に、交換して得た数字を記録している。その関係上、最後の（無意味な）交換操作も行っている。

この手の手法を紹介しているサイトの多くは、1番目でなく10番目からスタートしていることが多い。つまり、配列の末尾に交換操作が終わった数字を後ろに退避している。（最初にこの手法を考えた人は、先頭でなく末尾からスタートして考えたのだろうか？）。

本質的には、先頭から考えても、末尾から考えても結果は同じである。末尾から考えると、発生させる乱数の最大の数字と、残っている配列の数が一致するので、数字の管理が楽になるというメリットがある。

※このサイトでは、先頭から考えている。そのため、乱数生成の部分は、

int r = i + rnd.Next(r_num - i); // iからr_num-1の乱数を取得

1	int r = i + rnd.Next(r_num - i); // iからr_num-1の乱数を取得

と書いている。

末尾から考えると、

int r = rnd.Next(i);

1	int r = rnd.Next(i);

とすっきり書けるようになる。

先頭から考えているか末尾から考えているかは、交換操作を行っているループ文(for文やwhile文など)を制御している変数（例えばi）にインクリメント演算子(i++)がついているかデクリメント演算子(i－－)が付いているかで判断できる。インクリメントの場合は先頭から考えており、デクリメントの場合は末尾から考えている。

このサイトのコードは、先頭から交換して考えている。末尾から考えると、交換操作の後に、交換して得た数字を記録する際に、少し面倒（r_arr[i]の部分をr_arr[r_num-i-1]にしないといけない）。

また、このサイトで紹介するコードを少しいじくれば、指定した数の乱数を得ることができる。例えば、1～10000までの乱数を考えるが、必要な乱数は最初の10個だけという場合に、交換操作を途中で打ち切れるようになっている (変数r_triで指定できる) 。末尾から考えると、この打ち切り操作を指定する部分で少し頭がこんがらがる。

コード

まず、Visual Studio 2015を立ち上げる。
左上にある「ファイル」→「新規作成」→「プロジェクト」から「コンソールアプリケーション」を選択。

名前は好きに指定（ここでは「r_test」としている）

ソースコードは以下のようになる。

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Linq;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.IO;//ファイルの出力をするために必要

namespace r_test
{
    class Program
    {
        static void Main(string[] args)
        {

            int r_max = 100;//発生させる乱数の最大値指定
            int r_min = 15;//発生させる乱数の最小値指定
            int r_num = r_max - r_min + 1;
            int r_tri = r_num;//(trial)生成する乱数の数（r_num以下を指定）
            int[] r_arr = new int[r_num];

            //string file_name = "test1.txt";//ファイル名を宣言
            string file_name = "min" + Convert.ToString(r_min) +"_" +
                "max" + Convert.ToString(r_max)+"_"+
                "trial"+ Convert.ToString(r_tri)+".txt";//ファイル名を宣言
            FileStream fs = new FileStream(file_name, FileMode.Create);//上書き保存する
            StreamWriter sw = new StreamWriter(fs);

            //初期条件
            sw.Write("//[初期条件]\t最小値:{0}\t 最大値：{1}\t  乱数を発生させる回数：{2}\r\n",
                r_min, r_max, r_tri);


            for (int k = 0; k < r_num; k++)
            {
                r_arr[k] = r_min + k;
                //配列がきちんと初期化できているか確認
                //sw.Write(" {0} 回目：{1} \r\n", k + 1, r_arr[k]);
            }

            int seed = Environment.TickCount;
            Random rnd = new System.Random();// インスタンスを生成


            for (int i = 0; i < r_tri; i++)
            {
                int r = i + rnd.Next(r_num - i);        // iからr_num-1の乱数を取得
                int temp = r_arr[i];
                r_arr[i] = r_arr[r];
                r_arr[r] = temp;
                sw.Write(" {0} 回目：{1} \r\n", i + 1, r_arr[i]);
            }


            sw.Close();//ファイルを閉じる
        }
    }
}

using System;

using System.Collections.Generic;

using System.Linq;

using System.Text;

using System.Threading.Tasks;

using System.IO;//ファイルの出力をするために必要

namespace r_test

{

class Program

{

static void Main(string[] args)

{

int r_max = 100;//発生させる乱数の最大値指定

int r_min = 15;//発生させる乱数の最小値指定

int r_num = r_max - r_min + 1;

int r_tri = r_num;//(trial)生成する乱数の数（r_num以下を指定）

int[] r_arr = new int[r_num];

//string file_name = "test1.txt";//ファイル名を宣言

string file_name = "min" + Convert.ToString(r_min) +"_" +

"max" + Convert.ToString(r_max)+"_"+

"trial"+ Convert.ToString(r_tri)+".txt";//ファイル名を宣言

FileStream fs = new FileStream(file_name, FileMode.Create);//上書き保存する

StreamWriter sw = new StreamWriter(fs);

//初期条件

sw.Write("//[初期条件]\t最小値:{0}\t 最大値：{1}\t 乱数を発生させる回数：{2}\r\n",

r_min, r_max, r_tri);

for (int k = 0; k < r_num; k++)

{

r_arr[k] = r_min + k;

//配列がきちんと初期化できているか確認

//sw.Write(" {0} 回目：{1} \r\n", k + 1, r_arr[k]);

}

int seed = Environment.TickCount;

Random rnd = new System.Random();// インスタンスを生成

for (int i = 0; i < r_tri; i++)

{

int r = i + rnd.Next(r_num - i); // iからr_num-1の乱数を取得

int temp = r_arr[i];

r_arr[i] = r_arr[r];

r_arr[r] = temp;

sw.Write(" {0} 回目：{1} \r\n", i + 1, r_arr[i]);

}

sw.Close();//ファイルを閉じる

}

using System.IO;//ファイルの出力をするために必要

1	using System.IO;//ファイルの出力をするために必要

は、ファイルの出力に必要。

発生させる乱数の最大値の指定、

int r_max = 100;//発生させる乱数の最大値指定

1	int r_max = 100;//発生させる乱数の最大値指定

発生させる乱数の最小値の指定、

int r_min = 15;//発生させる乱数の最小値指定

1	int r_min = 15;//発生させる乱数の最小値指定

用意する箱(配列の要素)の数

int r_num = r_max - r_min + 1;

1	int r_num = r_max - r_min + 1;

+1される理由は説明しなくても問題ないかな？（例えば、10～20の間に含まれる数字は10個でなく11個）

生成する乱数の数。途中で交換操作を打ち切って問題ない場合に指定。

int r_tri = r_num;//(trial)生成する乱数の数（r_num以下を指定）

1	int r_tri = r_num;//(trial)生成する乱数の数（r_num以下を指定）

配列の宣言

int[] r_arr = new int[r_num];

1	int[] r_arr = new int[r_num];

string file_name = "min" + Convert.ToString(r_min) +"_" +
"max" + Convert.ToString(r_max)+"_"+
"trial"+ Convert.ToString(r_tri)+".txt";//ファイル名を宣言
FileStream fs = new FileStream(file_name, FileMode.Create);//上書き保存する
StreamWriter sw = new StreamWriter(fs);