C言語での乱数生成を完全マスター～rand関数とsrand関数の使い方と実践例～│C言語ナビゲーター

1. C言語での乱数生成方法：rand関数

1.1 rand関数とは？

rand()関数は、C言語で疑似乱数を生成するための関数です。疑似乱数とは、あらかじめ決められたアルゴリズムで生成される数列であり、真の乱数ではありませんが、一般的な用途には十分です。rand()は、0から32767までの範囲の整数を返します【8†source】。この範囲はシステムによって異なる場合がありますが、通常はこの値です。

1.2 rand関数の基本的な使い方

rand()関数を使用するためには、stdlib.hをインクルードする必要があります。以下のコードは、rand()関数を使って乱数を生成する基本的な例です。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void) {
    int randomNumber = rand(); 
    printf("Generated random number: %d
", randomNumber);
    return 0;
}

このコードを実行すると、0から32767の間の乱数が表示されます。ただし、このままでは毎回同じ乱数が生成されるという欠点があります。これについては後述します。

2. 乱数の範囲を調整する方法

2.1 剰余を使って範囲を制限する

乱数を生成する際、特定の範囲内での値が必要な場合がよくあります。例えば、1から100までの乱数を生成したい場合、rand()関数の出力に対して剰余演算子 % を使って範囲を調整できます。

int numberInRange = rand() % 100 + 1; // 1から100までの乱数を生成

この例では、rand()の出力を100で割った余りを取得し、そこに1を足すことで1から100までの乱数を生成しています。剰余を使うことで、簡単に任意の範囲の乱数を生成することができます【8†source】。

2.2 範囲を指定した乱数の生成

より柔軟に乱数の範囲を指定したい場合は、関数を作成して使用することもできます。以下は、任意の最小値と最大値の範囲内で乱数を生成する関数の例です。

int getRandomNumber(int min, int max) {
    return rand() % (max - min + 1) + min;
}

この関数を使用することで、getRandomNumber(1, 100)のようにして任意の範囲内で乱数を生成することができます。

3. srand関数で乱数のパターンを変える

3.1 srand関数とは？

rand()関数をそのまま使用すると、プログラムを実行するたびに同じ乱数のパターンが生成されます。これは疑似乱数の特性であり、デバッグには便利ですが、実用的な乱数が必要な場合には問題となります。そこで、srand()関数を使用して乱数の種（シード）を設定し、生成される乱数のパターンを変えることができます【7†source】【9†source】。

3.2 srand関数の使い方

srand()関数は、rand()関数の前に呼び出して、乱数の種を指定します。通常、srand((unsigned int)time(NULL))を使って現在の時間を種として指定します。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main(void) {
    srand((unsigned int)time(NULL)); // 現在の時間を種に設定
    int randomNumber = rand(); 
    printf("Generated random number: %d
", randomNumber);
    return 0;
}

このコードでは、srand()によって毎回異なる乱数のパターンが生成されます。time(NULL)は現在の時間を秒単位で返すため、毎回異なる種を設定することが可能です。

4. 乱数の活用例

4.1 ゲームでの乱数の利用

乱数はゲーム開発で頻繁に使用されます。例えば、キャラクターの位置をランダムに設定したり、アイテムの出現確率を決めたりする際に使用されます。以下は、サイコロを振るシミュレーションの例です。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main(void) {
    srand((unsigned int)time(NULL)); // シードを設定
    int diceRoll = rand() % 6 + 1; // 1から6までの乱数を生成
    printf("Dice roll: %d
", diceRoll);
    return 0;
}

このプログラムは、1から6までのランダムな数値を生成し、サイコロの目として出力します。乱数を利用することで、ゲームにおける予測不可能な要素を簡単に実装できます。

4.2 モンテカルロ法によるシミュレーション

乱数はまた、モンテカルロ法のようなシミュレーションにも利用されます。モンテカルロ法は、乱数を使用して解析的に求めるのが難しい問題の解を近似する手法です。例えば、乱数を使って円周率 π の値を近似することができます【9†source】。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>

int main(void) {
    int n_trials = 1000000;
    int n_inside = 0;
    double x, y, pi;

    srand((unsigned int)time(NULL));

    for (int i = 0; i < n_trials; i++) {
        x = (double)rand() / RAND_MAX;
        y = (double)rand() / RAND_MAX;
        if (x * x + y * y <= 1) {
            n_inside++;
        }
    }

    pi = 4.0 * n_inside / n_trials;
    printf("Approximated π: %f
", pi);

    return 0;
}

このプログラムは、ランダムな点を使って円周率を近似するモンテカルロ法の例です。rand()を使用して0から1の範囲の乱数を生成し、それを使って円の面積を近似します。

5. rand関数とsrand関数の注意点

5.1 疑似乱数の理解

C言語のrand()関数が生成する乱数は、疑似乱数です。本当にランダムな値ではなく、内部アルゴリズムに基づいて計算されるため、同じ種を使うと同じ乱数のパターンが生成されます。これはデバッグ時には便利ですが、完全なランダム性が必要な場合には適していません。

5.2 よくあるミス

乱数を使う際の一般的なミスとして、srand()を使用しないことや、rand()の出力範囲を誤解することがあります。特にrand()を使う前に必ずsrand()で種を設定しないと、毎回同じパターンの乱数が生成されてしまいます。また、rand() % nで範囲を調整する場合、nの値が意図したものと異なる結果を引き起こすこともあるため、注意が必要です。

結論

C言語での乱数生成は、ゲームやシミュレーションなどさまざまな分野で活用されています。rand()関数とsrand()関数の使い方を理解し、適切に乱数を生成することで、プログラムに予測不可能な要素を加えることができます。この記事を参考に、ぜひ乱数を活用したプログラムを作成してみてください。