Satunnaisuus ohjelmissa

Satunnaisuutta tarvitaan esimerkiksi salausalgoritmeissa, koneoppimisessa sekä tietokonepelien ennustettavuuden vähentämisessä. Satunnaisuutta mallinnetaan käytännössä satunnaislukujen avulla, joiden luomiseen Java tarjoaa valmiin Random-luokan. Random-luokasta voi tehdä olion jota voi käyttää seuraavalla tavalla.

import java.util.Random;

public class Arvontaa {
    public static void main(String[] args) {
        Random arpoja = new Random(); // luodaan apuväline arpoja

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            // Arvotaan ja tulostetaan satunnainen luku
            int luku = arpoja.nextInt(10);
            System.out.println(luku);
        }
    }
}

Yllä olevassa esimerkissä luodaan ensin Random-luokasta olio. Random-olio tarjoaa metodin nextInt, jolle annetaan parametrina kokonaisluku. Metodi palauttaa satunnaisen kokonaisluvun väliltä [0,kokonaisluku[ eli 0..(annettu kokonaisluku - 1).

Ohjelman tuottama tulostus ei ole aina sama. Yksi mahdollinen tulostusesimerkki on seuraava:

Metodin nextInt avulla pystyy luomaan hyvin monipuolista satunnaisuutta. Ohjelmoija saattaisi esimerkiksi haluta, että ohjelman ilmoittama lämpötila on satunnainen ja väliltä [-30,50]. Tällöin ratkaisu on arpoa lukuja nollan ja kahdeksankymmenen väliltä ja miinustaa arvotusta luvusta 30.

Random arpoja = new Random();
int lampotila = arpoja.nextInt(81) - 30;
System.out.println(lampotila);

Random-luokasta tehdyn olion kautta päästään käsiksi myös satunnaisiin liukulukuihin, joita käytetään muunmuassa todennäköisyyslaskennan yhteydessä; tietokoneilla todennäköisyyksiä simuloidaan yleensä väliltä [0..1] olevilla luvuilla.

Random-oliolta satunnaisia liukulukuja saa metodilla nextDouble. Tarkastellaan seuraavia säämahdollisuuksia:

• Sataa räntää todennäköisyydellä 0.1 (10%)
• Sataa lunta todennäköisyydellä 0.3 (30%)
• Aurinko paistaa todennäköisyydellä 0.6 (60%)

Luodaan edellä olevista arvioista sääennustaja.

import java.util.ArrayList;
import java.util.Random;

public class SaaEnnustaja {
    private Random random;

    public SaaEnnustaja() {
        this.random = new Random();
    }

    public String ennustaSaa() {
        double todennakoisyys = this.random.nextDouble();

        if (todennakoisyys <= 0.1) {
            return "Sataa räntää";
        } else if (todennakoisyys <= 0.4) { // 0.1 + 0.3
            return "Sataa lunta";
        } else { // loput, 1.0 - 0.4 = 0.6
            return "Aurinko paistaa";
        }
    }

    public int ennustaLampotila() {
        return (int) (4 * this.random.nextGaussian() - 3);
    }
}

Metodi ennustaLampotila on monella tapaa mielenkiintoinen. Metodin sisällä tehtävä kutsu this.random.nextGaussian() on tavallinen metodikutsu, jonka kaltaisia olemme nähneet aikaisemminkin. Kiinnostavaa tässä Random-luokan ilmentymän tarjoamassa metodissa on se, että metodin palauttama luku on normaalijakautunut (normaalijakautuneilla luvuilla voi kuvata esimerkiksi ihmisten pituuksia ja painoja — jos et koe mielenkiintoa satunnaisuuden eri lajeihin se ei haittaa!).

public int ennustaLampotila() {
    return (int) (4 * this.random.nextGaussian() - 3);
}

Edellisessä esimerkissä käytetään eksplisiittistä tyyppimuunnosta liukulukujen muuntamiseen kokonaisluvuiksi (int). Vastaavalla menetelmällä voidaan muuttaa myös kokonaislukuja liukuluvuiksi kirjoittamalla (double) kokonaisluku

Luodaan vielä pääohjelma josta luokkaa SaaEnnustaja käytetään.

// importit

public class Ohjelma {

    public static void main(String[] args) {
        SaaEnnustaja ennustaja = new SaaEnnustaja();

        // tallennetaan päivät listalle
        ArrayList<String> paivat = new ArrayList<>();
        paivat.add("Ma");
        paivat.add("Ti");
        paivat.add("Ke");
        paivat.add("To");
        paivat.add("Pe");
        paivat.add("La");
        paivat.add("Su");

        System.out.println("Seuraavan viikon sääennuste:");

        for (String paiva: paivat) {
            String saaEnnuste = ennustaja.ennustaSaa();
            int lampotilaEnnuste = ennustaja.ennustaLampotila();

            System.out.println(paiva + ": " + saaEnnuste + " " + lampotilaEnnuste + " astetta.");
        }
    }
}

Ohjelman tulostus voisi olla esimerkiksi seuraavanlainen:

Muistathan tarkistaa pistetilanteesi materiaalin oikeassa alareunassa olevasta pallosta!