Випадкові числа. Клас Random (C#) — методичний посібник

Що таке випадкові числа

Випадкове число — це число, яке неможливо передбачити заздалегідь. У програмуванні найчастіше використовують так звані псевдовипадкові числа: комп'ютер обчислює їх за математичною формулою від початкового значення (seed), тому послідовність виглядає випадковою, але насправді є детермінованою.

Де це потрібно

ігри (кидок кубика, перемішування карт, поведінка ворогів);
тестування програм (генерація тестових даних);
моделювання та статистика (метод Монте-Карло);
криптографія (але для неї є окремий клас RandomNumberGenerator);
навчальні задачі: заповнення масивів, матриць, вибір випадкового елемента.

Важливо розуміти Клас Random з простору імен System генерує псевдовипадкові числа. Для задач, де потрібна справжня криптографічна стійкість (паролі, ключі шифрування), використовують System.Security.Cryptography.RandomNumberGenerator.

Створення об'єкта `Random`

Щоб скористатися генератором, спочатку створюють екземпляр класу Random. Найпростіший конструктор не приймає параметрів і використовує початкове значення, що базується на системному часі.

using System;   // обов'язково підключаємо простір імен System

class Program
{
    static void Main()
    {
        // Створюємо ОДИН екземпляр генератора на всю програму
        Random rnd = new Random();

        // Далі через rnd отримуємо випадкові числа
        int n = rnd.Next(1, 101);   // число від 1 до 100
        Console.WriteLine(n);
    }
}

Конструктор із зерном (seed)

Другий конструктор приймає ціле число — початкове значення. Якщо задати однакове зерно, то послідовність чисел буде однаковою при кожному запуску. Це корисно для відтворюваних тестів і налагодження.

// Фіксоване зерно → однакова послідовність при кожному запуску
Random rnd = new Random(12345);

for (int i = 0; i < 5; i++)
{
    Console.Write(rnd.Next(1, 100) + " ");
}
// Результат завжди буде одним і тим самим, наприклад: 68 51 34 90 12

Сумісність версій .NET У .NET 6+ з’явилася зручна властивість Random.Shared — готовий потокобезпечний екземпляр, який не потрібно створювати вручну. Однак у старіших платформах (.NET Framework, Mono 4.x) її немає. Тому для універсальності радимо завжди створювати екземпляр класу Random явно.

// Універсальний варіант, що працює скрізь (включно з Mono 4.5)
Random rnd = new Random();
int number = rnd.Next(1, 101);
Console.WriteLine(number);

Основні методи класу `Random`

Метод	Що повертає	Діапазон
`Next()`	ціле число `int`	від 0 до `int.MaxValue` (2 147 483 647)
`Next(max)`	ціле число `int`	від 0 включно до `max` не включно
`Next(min, max)`	ціле число `int`	від `min` включно до `max` не включно
`NextDouble()`	дробове `double`	від 0.0 включно до 1.0 не включно
`NextInt64()`	ціле `long`	задається аналогічно до `Next` (.NET 6+)
`NextBytes(buffer)`	нічого (`void`)	заповнює масив `byte[]` випадковими байтами

Головне правило! Верхня межа у методах Next(...) не входить у діапазон. Щоб отримати число від 1 до 100, треба писати rnd.Next(1, 101), а не rnd.Next(1, 100).

NextDouble() — дробові числа

Метод NextDouble() завжди повертає значення в діапазоні [0.0; 1.0). Щоб отримати дробове число у власному діапазоні, використовують формулу:

min + rnd.NextDouble() * (max - min)

Random rnd = new Random();

for (int i = 0; i < 5; i++)
{
    // Базовий варіант: число від 0.0 до 1.0
    double x = rnd.NextDouble();
    Console.WriteLine($"{x:F4}");
}

// Дробове число в діапазоні [5.0; 10.0)
double y = 5.0 + rnd.NextDouble() * 5.0;
Console.WriteLine($"Випадкове значення: {y:F2}");

NextBytes() — заповнення масиву байтів

Random rnd = new Random();

byte[] buffer = new byte[8];   // масив із 8 байтів
rnd.NextBytes(buffer);          // заповнюємо його випадковими значеннями 0..255

foreach (byte b in buffer)
{
    Console.Write($"{b:X2} ");   // X2 — шістнадцятковий формат із двома цифрами
}

Приклади з циклами

Найчастіше випадкові числа генерують у циклі — щоб отримати не одне значення, а цілу послідовність. Розглянемо типові конструкції.

Приклад 1. Цикл `for`: вивести 10 чисел

using System;

class Program
{
    static void Main()
    {
        // Екземпляр Random створюємо ОДИН раз — перед циклом!
        Random rnd = new Random();

        // i = 0, 1, 2, ... 9 — усього 10 ітерацій
        for (int i = 0; i < 10; i++)
        {
            // Next(1, 101) → ціле число від 1 до 100 (101 не входить)
            int number = rnd.Next(1, 101);

            // Інтерполяція рядків: {$"...{вираз}..."}
            Console.WriteLine($"Спроба {i + 1}: {number}");
        }
    }
}

Приклад 2. Сума та середнє арифметичне

using System;

class Program
{
    static void Main()
    {
        Random rnd = new Random();

        int sum = 0;      // накопичувальна змінна для суми
        int count = 20;   // скільки чисел генеруємо

        for (int i = 0; i < count; i++)
        {
            int n = rnd.Next(1, 51);   // випадкове число від 1 до 50
            Console.Write(n + " ");
            sum += n;                  // sum = sum + n
        }

        Console.WriteLine();   // перехід на новий рядок

        // Увага: (double) обов'язковий, інакше буде цілочисельне ділення!
        double average = (double)sum / count;

        Console.WriteLine($"Сума: {sum}");
        Console.WriteLine($"Середнє: {average:F2}");   // F2 — два знаки після коми
    }
}

Типова пастка Якщо написати double avg = sum / count; без приведення типів, C# спочатку виконає цілочисельне ділення і лише потім перетворить результат у double. Дрібна частина буде втрачена.

Приклад 3. Від'ємний діапазон

Метод Next(min, max) спокійно працює і з від'ємними числами.

Random rnd = new Random();

Console.WriteLine("Температура за 15 днів:");

for (int i = 0; i < 15; i++)
{
    // від -10 включно до 11 НЕ включно → фактично -10..10
    int t = rnd.Next(-10, 11);

    // {t,4} — вирівнювання по правому краю в полі шириною 4 символи
    Console.Write($"{t,4}");
}

Console.WriteLine();

Приклад 4. Цикл `do-while`: кидок кубика

do-while гарантує хоча б одне виконання тіла циклу, бо умова перевіряється після ітерації.

Random rnd = new Random();

int dice;          // результат кидка
int rolls = 0;     // кількість кидків

do
{
    // Next(1, 7) → 1, 2, 3, 4, 5 або 6
    dice = rnd.Next(1, 7);
    rolls++;

    Console.WriteLine($"Кидок {rolls}: випало {dice}");
}
while (dice != 6);   // кидаємо, поки не випаде шістка

Console.WriteLine($"Шістка випала на {rolls}-му кидку.");

Приклад 5. Заповнення масиву + `foreach`

Для заповнення масиву використовують for (потрібен індекс), а для перегляду — зручніший foreach.

Random rnd = new Random();

int[] temperatures = new int[7];   // масив на 7 елементів

// Заповнення: тут потрібен індекс i
for (int i = 0; i < temperatures.Length; i++)
{
    temperatures[i] = rnd.Next(-15, 36);   // від -15 до 35 °C
}

// Виведення: індекс не потрібен, тому foreach
Console.WriteLine("Температура за тиждень:");
foreach (int t in temperatures)
{
    Console.Write($"{t}°C  ");
}

Console.WriteLine();

Приклад 6. Підрахунок парних і непарних

Random rnd = new Random();

int even = 0;   // парних
int odd = 0;    // непарних

for (int i = 0; i < 50; i++)
{
    int n = rnd.Next(1, 1000);

    // Оператор % повертає остачу від ділення.
    // Якщо остача 0 — число парне.
    if (n % 2 == 0)
        even++;
    else
        odd++;
}

Console.WriteLine($"Парних: {even}, непарних: {odd}");

Приклад 7. Вкладені цикли: генерація матриці

Для двовимірних структур використовують вкладений цикл: зовнішній проходить по рядках, внутрішній — по стовпцях.

Random rnd = new Random();

int rows = 4;   // кількість рядків
int cols = 5;   // кількість стовпців

// Зовнішній цикл — рядки
for (int i = 0; i < rows; i++)
{
    // Внутрішній цикл — стовпці
    for (int j = 0; j < cols; j++)
    {
        // Двозначне число 10..99, вирівняне у полі шириною 4
        Console.Write($"{rnd.Next(10, 100),4}");
    }

    Console.WriteLine();   // після кожного рядка — новий рядок
}

Приклад 8. Випадковий елемент масиву

Random rnd = new Random();

string[] students = { "Олена", "Ігор", "Марія", "Богдан", "Софія" };

// Індекс масиву лежить у межах [0; students.Length - 1],
// тому верхня межа для Next — це students.Length
int index = rnd.Next(students.Length);

Console.WriteLine($"Відповідає: {students[index]}");

Запам'ятайте шаблон Випадковий індекс масиву завжди отримують так: rnd.Next(array.Length). Метод Next не включає верхню межу, тому Length дає саме потрібний діапазон 0 .. Length-1.

Типові помилки

❌ Помилка 1. Створення Random усередині циклу

Якщо створювати new Random() на кожній ітерації, генератор щоразу ініціалізується одним і тим самим системним часом — і всі числа вийдуть однаковими.

// ❌ НЕПРАВИЛЬНО — усі 5 чисел будуть однакові
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
    Random bad = new Random();
    Console.WriteLine(bad.Next(1, 100));
}

// ✅ ПРАВИЛЬНО — один екземпляр перед циклом
Random good = new Random();
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
    Console.WriteLine(good.Next(1, 100));
}

❌ Помилка 2. Забути про невключну верхню межу

Random rnd = new Random();

// Хочемо отримати 1..6 (як на кубику)

int wrong = rnd.Next(1, 6);    // ❌ дасть 1..5, шістка НІКОЛИ не випаде
int right = rnd.Next(1, 7);    // ✅ дасть 1..6

Console.WriteLine($"{wrong} / {right}");

❌ Помилка 3. Цілочисельне ділення при обчисленні середнього

int sum = 137;
int count = 20;

double wrong = sum / count;            // ❌ 137 / 20 = 6 (дробова частина втрачена)
double right = (double)sum / count;    // ✅ 6.85

❌ Помилка 4. Спроба задати діапазон у NextDouble()

Random rnd = new Random();

// ❌ Такого перевантаження не існує — код не скомпілюється
// double x = rnd.NextDouble(5, 10);

// ✅ Правильно: масштабуємо базове значення [0;1)
double x = 5 + rnd.NextDouble() * 5;   // результат у [5;10)

Практичні завдання

Вивести 25 випадкових чисел у діапазоні від 10 до 99 та знайти серед них максимальне.
Згенерувати масив із 30 елементів (діапазон −50..50) і підрахувати кількість від'ємних.
Заповнити матрицю 5×5 випадковими числами та знайти суму елементів головної діагоналі.
Написати програму, яка кидає два кубики, поки сума не дорівнюватиме 12, і виводить кількість спроб.
Згенерувати 10 дробових чисел у діапазоні від −1.5 до 1.5 і вивести їх із двома знаками після коми.

Показати підказку до завдання 2

Створіть масив int[] arr = new int[30];, заповніть його циклом for значеннями rnd.Next(-50, 51), а потім окремим циклом перевірте кожен елемент умовою if (arr[i] < 0) negative++;.

Показати підказку до завдання 3

Головна діагональ — це елементи, у яких індекс рядка дорівнює індексу стовпця (i == j). Тобто замість вкладеного циклу достатньо одного: for (int i = 0; i < 5; i++) sum += matrix[i, i];

Показати підказку до завдання 4

Використайте цикл do-while. Умова продовження: while (d1 + d2 != 12); Кожен кубик — rnd.Next(1, 7).

Що таке випадкові числа

Де це потрібно

Створення об'єкта Random

Конструктор із зерном (seed)

Основні методи класу Random

NextDouble() — дробові числа

NextBytes() — заповнення масиву байтів

Приклади з циклами

Приклад 1. Цикл for: вивести 10 чисел

Приклад 2. Сума та середнє арифметичне

Приклад 3. Від'ємний діапазон

Приклад 4. Цикл do-while: кидок кубика

Приклад 5. Заповнення масиву + foreach

Приклад 6. Підрахунок парних і непарних

Приклад 7. Вкладені цикли: генерація матриці

Приклад 8. Випадковий елемент масиву

Типові помилки

❌ Помилка 1. Створення Random усередині циклу

❌ Помилка 2. Забути про невключну верхню межу

❌ Помилка 3. Цілочисельне ділення при обчисленні середнього

❌ Помилка 4. Спроба задати діапазон у NextDouble()

Практичні завдання

Створення об'єкта `Random`

Основні методи класу `Random`

Приклад 1. Цикл `for`: вивести 10 чисел

Приклад 4. Цикл `do-while`: кидок кубика

Приклад 5. Заповнення масиву + `foreach`