游程检验的随机性检测模型

时间: 2024-04-19 19:19:54 浏览: 15
游程检验是一种常用的随机性检测模型,用于评估一串二进制序列的随机性。它基于统计学原理,通过计算序列中连续出现相同数字的游程(run)的长度分布来判断序列的随机性。 在游程检验中,一个游程是指连续出现相同数字的序列片段。例如,在二进制序列"110100111001"中,有4个游程,分别是"11"、"0"、"111"和"00"。游程检验通过统计不同长度的游程出现的频率,然后与理论上的期望频率进行比较,来判断序列的随机性。 常见的游程检验模型包括: 1. 简单游程检验(Simple Runs Test):该模型统计序列中1和0的游程长度,并与理论上的期望频率进行比较。 2. 长度为3的游程检验(Runs of Three Test):该模型统计序列中长度为3的游程的频率,并与理论上的期望频率进行比较。 3. 长度为5的游程检验(Runs of Five Test):该模型统计序列中长度为5的游程的频率,并与理论上的期望频率进行比较。 4. 长度为6以上的游程检验:除了上述模型外,还可以进行更长游程的检验,如长度为6、7、8等的游程检验。 这些游程检验模型可以用于评估随机数生成器的质量,或者判断一串二进制序列是否具有随机性。它们在密码学、随机数生成、数据压缩等领域有广泛的应用。
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以下是五项基本检测方法的 Matlab 程序: 1. 频数检测 ```matlab function [p_value] = frequency_test(bits) n = length(bits); count = sum(bits); p_value = 2*min(count, n-count)/n; end ``` 2. 块频数检测 ```matlab function [p_value] = block_frequency_test(bits, block_size) n = length(bits); num_blocks = floor(n/block_size); counts = zeros(num_blocks, 1); for i = 1:num_blocks block = bits((i-1)*block_size+1:i*block_size); counts(i) = sum(block); end chi2 = ((counts - block_size/2).^2) / (block_size/2); p_value = 1 - gammainc(num_blocks/2, chi2/2); end ``` 3. 游程总数检测 ```matlab function [p_value] = runs_test(bits) n = length(bits); runs = 1; for i = 2:n if bits(i) ~= bits(i-1) runs = runs + 1; end end pi = runs / n; tau = 2 / sqrt(n); if abs(pi - 0.5) >= tau p_value = 0; else vobs = 1; for i = 2:n if bits(i) ~= bits(i-1) vobs = vobs + 1; else break; end end for i = n:-1:2 if bits(i) ~= bits(i-1) vobs = vobs + 1; else break; end end mu = (2*n - 1) / 3; sigma2 = (16*n - 29) / 90; sigma = sqrt(sigma2); z = (vobs - mu) / sigma; p_value = erfc(abs(z) / sqrt(2)); end end ``` 4. 乱数排列检测 ```matlab function [p_value] = permutation_test(bits) n = length(bits); pi = sum(bits) / n; if abs(pi - 0.5) >= 2/sqrt(n) p_value = 0; else k = 0; for i = 2:n if bits(i) ~= bits(i-1) k = k + 1; end end k = k + 1; tau = 2 / sqrt(n); if abs(k - 2*n*pi*(1-pi)) >= tau p_value = 0; else p_value = gammainc((n-1)/2, (abs(k - 2*n*pi*(1-pi))/2)^2); end end end ``` 5. 矩阵秩检测 ```matlab function [p_value] = matrix_rank_test(bits, matrix_size) n = length(bits); num_matrices = floor(n/matrix_size); counts = zeros(num_matrices, 1); for i = 1:num_matrices matrix = reshape(bits((i-1)*matrix_size+1:i*matrix_size), sqrt(matrix_size), sqrt(matrix_size)); counts(i) = rank(matrix); end mu = matrix_size*(1/2 + 1/18); sigma2 = matrix_size*(13/18 - 7/180)^2 + matrix_size*(1/6 - 1/180); sigma = sqrt(sigma2); chi2 = ((counts - mu).^2) / sigma2; p_value = 1 - gammainc(num_matrices/2, chi2/2); end ```

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以下是常用的伪随机数的随机性基本检测方法的 Matlab 程序: 1. 频数检测 ```matlab function [p_value] = frequency_test(numbers) n = length(numbers); count = sum(numbers); p_value = 2*min(count, n-count)/n; end ``` 2. 块频数检测 ```matlab function [p_value] = block_frequency_test(numbers, block_size) n = length(numbers); num_blocks = floor(n/block_size); counts = zeros(num_blocks, 1); for i = 1:num_blocks block = numbers((i-1)*block_size+1:i*block_size); counts(i) = sum(block); end chi2 = ((counts - block_size/2).^2) / (block_size/2); p_value = 1 - gammainc(num_blocks/2, chi2/2); end ``` 3. 游程总数检测 ```matlab function [p_value] = runs_test(numbers) n = length(numbers); runs = 1; for i = 2:n if numbers(i) ~= numbers(i-1) runs = runs + 1; end end pi = runs / n; tau = 2 / sqrt(n); if abs(pi - 0.5) >= tau p_value = 0; else vobs = 1; for i = 2:n if numbers(i) ~= numbers(i-1) vobs = vobs + 1; else break; end end for i = n:-1:2 if numbers(i) ~= numbers(i-1) vobs = vobs + 1; else break; end end mu = (2*n - 1) / 3; sigma2 = (16*n - 29) / 90; sigma = sqrt(sigma2); z = (vobs - mu) / sigma; p_value = erfc(abs(z) / sqrt(2)); end end ``` 4. 累加和检测 ```matlab function [p_value] = cumulative_sums_test(numbers) n = length(numbers); s = cumsum(2*numbers-1); a = max(abs(s)); p_value = erfc(a/sqrt(n)/sqrt(2)); end ``` 5. 近似熵检测 ```matlab function [p_value] = approximate_entropy_test(numbers, m) n = length(numbers); c = zeros(n-m+1, 1); for i = 1:n-m+1 block = numbers(i:i+m-1); count = 0; for j = 1:n-m+1 if i ~= j if isequal(numbers(j:j+m-1), block) count = count + 1; end end end c(i) = count / (n-m); end phi_m = mean(log(c)); c = zeros(n-m-1, 1); for i = 1:n-m-1 block = numbers(i:i+m); count = 0; for j = 1:n-m-1 if i ~= j if isequal(numbers(j:j+m), block) count = count + 1; end end end c(i) = count / (n-m-1); end phi_m_plus_1 = mean(log(c)); p_value = gammainc((n-m)*phi_m - (n-m-1)*phi_m_plus_1, m/2); end ``` 这些程序可以用于对伪随机数序列进行基本的随机性检测,以评估伪随机数生成器的随机性。请注意,不同的检测方法适用于不同的随机性问题,因此需要根据具体情况选择适当的检测方法。

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