【C++】ライブラリの使い方 | 高品質な乱数を生成する方法

2025年9月3日

はじめに

C言語由来の古い rand() 関数は、乱数の質が低く、現代のプログラミングでは推奨されません。C++11では、より高品質で柔軟な乱数生成のための <random> ライブラリが導入されました。

<random> ライブラリは、2つの要素から構成されます。

エンジン (Engine): 擬似乱数の元となる整数列を生成します。（例: std::mt19937）
分布 (Distribution): エンジンが生成した整数列を、特定の確率分布（一様分布、正規分布など）に従うように変換します。

この記事では、<random>ライブラリの基本的な使い方を、3つの代表的な分布の例で解説します。

【前提】C++11とは？

C++11は、2011年に正式化されたC++言語のメジャーアップデート版です。<random> ライブラリはこのC++11で導入されたため、利用するにはC++11以降に対応したコンパイラが必要です。

1. 一様分布の整数乱数を生成する

指定した範囲内の整数が、同じ確率で出現する、最も一般的な乱数です。「1から6までのサイコロの目」などがこれにあたります。

サンプルコード

#include <iostream>
#include <random> // <random>ライブラリ

using namespace std;

int main() {
    // 1. 乱数のシードを準備
    random_device seed_generator;
    // 2. 乱数エンジンをシードで初期化 (メルセンヌ・ツイスター)
    mt19937 random_engine(seed_generator());
    // 3. 分布オブジェクトを作成 (1から100までの整数)
    uniform_int_distribution<> distributor(1, 100);

    cout << "1から100までの一様整数乱数を5個生成:" << endl;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        // 4. 分布オブジェクトにエンジンを渡して、乱数を生成
        cout << distributor(random_engine) << endl;
    }
    
    return 0;
}

2. 正規分布（ガウス分布）の乱数を生成する

平均値を中心に、標準偏差に応じたばらつきを持つ乱数を生成します。自然現象のシミュレーションなどで使われます。

サンプルコード

#include <iostream>
#include <random>

using namespace std;

int main() {
    random_device seed_generator;
    mt19937 random_engine(seed_generator());
    // 平均50.0, 標準偏差10.0の正規分布
    normal_distribution<double> distributor(50.0, 10.0);

    cout << "平均50, 標準偏差10の正規分布に従う乱数を5個生成:" << endl;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        cout << distributor(random_engine) << endl;
    }

    return 0;
}

3. 確率を指定して乱数を生成する（離散分布）

「1が出る確率が60%、2が30%、3が10%」のように、各整数値が出現する**重み（確率）**を個別に指定して乱数を生成します。

サンプルコード

#include <iostream>
#include <random>
#include <vector>

using namespace std;

int main() {
    random_device seed_generator;
    mt19937 random_engine(seed_generator());
    
    // インデックス0, 1, 2, 3 が出現する重みを設定
    vector<double> weights = {60.0, 20.0, 15.0, 5.0}; // 合計100でなくてもOK
    discrete_distribution<size_t> distributor(weights.begin(), weights.end());

    cout << "重み付けされた乱数を10個生成 (0-3):" << endl;
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        // 0, 1, 2, 3 のいずれかのインデックスが、重みに応じて返される
        cout << distributor(random_engine) << " ";
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

解説: discrete_distribution は、weightsベクターのインデックス（0, 1, 2, 3）を、対応する重みに比例した確率で返します。