Add better error reporting for MemoryErrors caused by str->float conversions.
[python.git] / Doc / library / random.rst
blobb6b0b6c4dafe6f485c315f8373c8a0c67cccf22f
2 :mod:`random` --- Generate pseudo-random numbers
3 ================================================
5 .. module:: random
6    :synopsis: Generate pseudo-random numbers with various common distributions.
9 This module implements pseudo-random number generators for various
10 distributions.
12 For integers, uniform selection from a range. For sequences, uniform selection
13 of a random element, a function to generate a random permutation of a list
14 in-place, and a function for random sampling without replacement.
16 On the real line, there are functions to compute uniform, normal (Gaussian),
17 lognormal, negative exponential, gamma, and beta distributions. For generating
18 distributions of angles, the von Mises distribution is available.
20 Almost all module functions depend on the basic function :func:`random`, which
21 generates a random float uniformly in the semi-open range [0.0, 1.0).  Python
22 uses the Mersenne Twister as the core generator.  It produces 53-bit precision
23 floats and has a period of 2\*\*19937-1.  The underlying implementation in C is
24 both fast and threadsafe.  The Mersenne Twister is one of the most extensively
25 tested random number generators in existence.  However, being completely
26 deterministic, it is not suitable for all purposes, and is completely unsuitable
27 for cryptographic purposes.
29 The functions supplied by this module are actually bound methods of a hidden
30 instance of the :class:`random.Random` class.  You can instantiate your own
31 instances of :class:`Random` to get generators that don't share state.  This is
32 especially useful for multi-threaded programs, creating a different instance of
33 :class:`Random` for each thread, and using the :meth:`jumpahead` method to make
34 it likely that the generated sequences seen by each thread don't overlap.
36 Class :class:`Random` can also be subclassed if you want to use a different
37 basic generator of your own devising: in that case, override the :meth:`random`,
38 :meth:`seed`, :meth:`getstate`, :meth:`setstate` and :meth:`jumpahead` methods.
39 Optionally, a new generator can supply a :meth:`getrandbits` method --- this
40 allows :meth:`randrange` to produce selections over an arbitrarily large range.
42 .. versionadded:: 2.4
43    the :meth:`getrandbits` method.
45 As an example of subclassing, the :mod:`random` module provides the
46 :class:`WichmannHill` class that implements an alternative generator in pure
47 Python.  The class provides a backward compatible way to reproduce results from
48 earlier versions of Python, which used the Wichmann-Hill algorithm as the core
49 generator.  Note that this Wichmann-Hill generator can no longer be recommended:
50 its period is too short by contemporary standards, and the sequence generated is
51 known to fail some stringent randomness tests.  See the references below for a
52 recent variant that repairs these flaws.
54 .. versionchanged:: 2.3
55    Substituted MersenneTwister for Wichmann-Hill.
57 Bookkeeping functions:
60 .. function:: seed([x])
62    Initialize the basic random number generator. Optional argument *x* can be any
63    :term:`hashable` object. If *x* is omitted or ``None``, current system time is used;
64    current system time is also used to initialize the generator when the module is
65    first imported.  If randomness sources are provided by the operating system,
66    they are used instead of the system time (see the :func:`os.urandom` function
67    for details on availability).
69    .. versionchanged:: 2.4
70       formerly, operating system resources were not used.
72    If *x* is not ``None`` or an int or long, ``hash(x)`` is used instead. If *x* is
73    an int or long, *x* is used directly.
76 .. function:: getstate()
78    Return an object capturing the current internal state of the generator.  This
79    object can be passed to :func:`setstate` to restore the state.
81    .. versionadded:: 2.1
83    .. versionchanged:: 2.6
84       State values produced in Python 2.6 cannot be loaded into earlier versions.
87 .. function:: setstate(state)
89    *state* should have been obtained from a previous call to :func:`getstate`, and
90    :func:`setstate` restores the internal state of the generator to what it was at
91    the time :func:`setstate` was called.
93    .. versionadded:: 2.1
96 .. function:: jumpahead(n)
98    Change the internal state to one different from and likely far away from the
99    current state.  *n* is a non-negative integer which is used to scramble the
100    current state vector.  This is most useful in multi-threaded programs, in
101    conjunction with multiple instances of the :class:`Random` class:
102    :meth:`setstate` or :meth:`seed` can be used to force all instances into the
103    same internal state, and then :meth:`jumpahead` can be used to force the
104    instances' states far apart.
106    .. versionadded:: 2.1
108    .. versionchanged:: 2.3
109       Instead of jumping to a specific state, *n* steps ahead, ``jumpahead(n)``
110       jumps to another state likely to be separated by many steps.
113 .. function:: getrandbits(k)
115    Returns a python :class:`long` int with *k* random bits. This method is supplied
116    with the MersenneTwister generator and some other generators may also provide it
117    as an optional part of the API. When available, :meth:`getrandbits` enables
118    :meth:`randrange` to handle arbitrarily large ranges.
120    .. versionadded:: 2.4
122 Functions for integers:
125 .. function:: randrange([start,] stop[, step])
127    Return a randomly selected element from ``range(start, stop, step)``.  This is
128    equivalent to ``choice(range(start, stop, step))``, but doesn't actually build a
129    range object.
131    .. versionadded:: 1.5.2
134 .. function:: randint(a, b)
136    Return a random integer *N* such that ``a <= N <= b``.
138 Functions for sequences:
141 .. function:: choice(seq)
143    Return a random element from the non-empty sequence *seq*. If *seq* is empty,
144    raises :exc:`IndexError`.
147 .. function:: shuffle(x[, random])
149    Shuffle the sequence *x* in place. The optional argument *random* is a
150    0-argument function returning a random float in [0.0, 1.0); by default, this is
151    the function :func:`random`.
153    Note that for even rather small ``len(x)``, the total number of permutations of
154    *x* is larger than the period of most random number generators; this implies
155    that most permutations of a long sequence can never be generated.
158 .. function:: sample(population, k)
160    Return a *k* length list of unique elements chosen from the population sequence.
161    Used for random sampling without replacement.
163    .. versionadded:: 2.3
165    Returns a new list containing elements from the population while leaving the
166    original population unchanged.  The resulting list is in selection order so that
167    all sub-slices will also be valid random samples.  This allows raffle winners
168    (the sample) to be partitioned into grand prize and second place winners (the
169    subslices).
171    Members of the population need not be :term:`hashable` or unique.  If the population
172    contains repeats, then each occurrence is a possible selection in the sample.
174    To choose a sample from a range of integers, use an :func:`xrange` object as an
175    argument.  This is especially fast and space efficient for sampling from a large
176    population:  ``sample(xrange(10000000), 60)``.
178 The following functions generate specific real-valued distributions. Function
179 parameters are named after the corresponding variables in the distribution's
180 equation, as used in common mathematical practice; most of these equations can
181 be found in any statistics text.
184 .. function:: random()
186    Return the next random floating point number in the range [0.0, 1.0).
189 .. function:: uniform(a, b)
191    Return a random floating point number *N* such that ``a <= N <= b`` for
192    ``a <= b`` and ``b <= N <= a`` for ``b < a``.
194    The end-point value ``b`` may or may not be included in the range
195    depending on floating-point rounding in the equation ``a + (b-a) * random()``.
197 .. function:: triangular(low, high, mode)
199    Return a random floating point number *N* such that ``low <= N <= high`` and
200    with the specified *mode* between those bounds.  The *low* and *high* bounds
201    default to zero and one.  The *mode* argument defaults to the midpoint
202    between the bounds, giving a symmetric distribution.
204    .. versionadded:: 2.6
207 .. function:: betavariate(alpha, beta)
209    Beta distribution.  Conditions on the parameters are ``alpha > 0`` and
210    ``beta > 0``. Returned values range between 0 and 1.
213 .. function:: expovariate(lambd)
215    Exponential distribution.  *lambd* is 1.0 divided by the desired
216    mean.  It should be nonzero.  (The parameter would be called
217    "lambda", but that is a reserved word in Python.)  Returned values
218    range from 0 to positive infinity if *lambd* is positive, and from
219    negative infinity to 0 if *lambd* is negative.
222 .. function:: gammavariate(alpha, beta)
224    Gamma distribution.  (*Not* the gamma function!)  Conditions on the
225    parameters are ``alpha > 0`` and ``beta > 0``.
228 .. function:: gauss(mu, sigma)
230    Gaussian distribution.  *mu* is the mean, and *sigma* is the standard
231    deviation.  This is slightly faster than the :func:`normalvariate` function
232    defined below.
235 .. function:: lognormvariate(mu, sigma)
237    Log normal distribution.  If you take the natural logarithm of this
238    distribution, you'll get a normal distribution with mean *mu* and standard
239    deviation *sigma*.  *mu* can have any value, and *sigma* must be greater than
240    zero.
243 .. function:: normalvariate(mu, sigma)
245    Normal distribution.  *mu* is the mean, and *sigma* is the standard deviation.
248 .. function:: vonmisesvariate(mu, kappa)
250    *mu* is the mean angle, expressed in radians between 0 and 2\*\ *pi*, and *kappa*
251    is the concentration parameter, which must be greater than or equal to zero.  If
252    *kappa* is equal to zero, this distribution reduces to a uniform random angle
253    over the range 0 to 2\*\ *pi*.
256 .. function:: paretovariate(alpha)
258    Pareto distribution.  *alpha* is the shape parameter.
261 .. function:: weibullvariate(alpha, beta)
263    Weibull distribution.  *alpha* is the scale parameter and *beta* is the shape
264    parameter.
267 Alternative Generators:
269 .. class:: WichmannHill([seed])
271    Class that implements the Wichmann-Hill algorithm as the core generator. Has all
272    of the same methods as :class:`Random` plus the :meth:`whseed` method described
273    below.  Because this class is implemented in pure Python, it is not threadsafe
274    and may require locks between calls.  The period of the generator is
275    6,953,607,871,644 which is small enough to require care that two independent
276    random sequences do not overlap.
279 .. function:: whseed([x])
281    This is obsolete, supplied for bit-level compatibility with versions of Python
282    prior to 2.1. See :func:`seed` for details.  :func:`whseed` does not guarantee
283    that distinct integer arguments yield distinct internal states, and can yield no
284    more than about 2\*\*24 distinct internal states in all.
287 .. class:: SystemRandom([seed])
289    Class that uses the :func:`os.urandom` function for generating random numbers
290    from sources provided by the operating system. Not available on all systems.
291    Does not rely on software state and sequences are not reproducible. Accordingly,
292    the :meth:`seed` and :meth:`jumpahead` methods have no effect and are ignored.
293    The :meth:`getstate` and :meth:`setstate` methods raise
294    :exc:`NotImplementedError` if called.
296    .. versionadded:: 2.4
298 Examples of basic usage::
300    >>> random.random()        # Random float x, 0.0 <= x < 1.0
301    0.37444887175646646
302    >>> random.uniform(1, 10)  # Random float x, 1.0 <= x < 10.0
303    1.1800146073117523
304    >>> random.randint(1, 10)  # Integer from 1 to 10, endpoints included
305    7
306    >>> random.randrange(0, 101, 2)  # Even integer from 0 to 100
307    26
308    >>> random.choice('abcdefghij')  # Choose a random element
309    'c'
311    >>> items = [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]
312    >>> random.shuffle(items)
313    >>> items
314    [7, 3, 2, 5, 6, 4, 1]
316    >>> random.sample([1, 2, 3, 4, 5],  3)  # Choose 3 elements
317    [4, 1, 5]
321 .. seealso::
323    M. Matsumoto and T. Nishimura, "Mersenne Twister: A 623-dimensionally
324    equidistributed uniform pseudorandom number generator", ACM Transactions on
325    Modeling and Computer Simulation Vol. 8, No. 1, January pp.3-30 1998.
327    Wichmann, B. A. & Hill, I. D., "Algorithm AS 183: An efficient and portable
328    pseudo-random number generator", Applied Statistics 31 (1982) 188-190.
330    `Complementary-Multiply-with-Carry recipe
331    <http://code.activestate.com/recipes/576707/>`_ for a compatible alternative
332    random number generator with a long period and comparatively simple update
333    operations.