랜덤 | 인투더데이터 데이터 사이언스 위키

랜덤 (Random, 난수) #

컴퓨터에서 랜덤은 매우 중요한 개념 중 하나이다. 하지만 컴퓨터가 생성하는 랜덤은 우리가 일반적으로 상상하는 완전한 랜덤과는 본질적으로 다르다는 점을 이해해야 한다.

랜덤(Random)이란 예측할 수 없고 규칙성이 없는 상태나 과정을 의미한다. 수학적으로는 각 사건이 동일한 확률로 발생하며, 이전 결과가 다음 결과에 영향을 주지 않는 독립성을 갖는 것이 특징이다.

컴퓨터는 본질적으로 결정론적(deterministic) 기계이다. 모든 연산과 동작이 명확한 규칙과 알고리즘에 따라 수행되기 때문에, 진정한 의미의 랜덤을 생성하는 것은 원리적으로 불가능하다. 이러한 근본적인 한계로 인해 다음과 같은 문제들이 발생할 수 있다:

컴퓨터가 생성하는 대부분의 랜덤 수는 실제로는 의사 랜덤이다. 이는 수학적 알고리즘을 통해 생성되는 수열로, 충분히 복잡하고 예측하기 어렵지만 엄밀히 말하면 결정론적이다.

의사 랜덤 생성기는 유한한 상태를 가지므로 언젠가는 반복되는 주기를 갖게 된다. 주기가 짧으면 패턴이 드러나 랜덤성이 손상될 수 있다.

잘못 설계된 랜덤 생성기는 특정 값이나 패턴에 편향을 보일 수 있어, 통계적 분석이나 시뮬레이션 결과에 왜곡을 일으킬 수 있다.

연속적으로 생성되는 랜덤 수들 사이에 의도하지 않은 상관관계가 나타날 수 있어, 독립성 가정을 위반할 수 있다.

보안 키 생성, 암호화 알고리즘에서 예측 불가능한 랜덤 수가 필수적이다. 약한 랜덤성은 보안 취약점으로 이어질 수 있다.

몬테카르로 시뮬레이션, 확률적 모델링에서 정확한 결과를 얻기 위해 고품질의 랜덤 수가 필요하다.

게임의 재미와 공정성을 위해 예측할 수 없는 요소들을 구현할 때 랜덤이 사용된다.

표본 추출, 무작위 실험 설계 등에서 편향 없는 랜덤 선택이 중요하다.

랜덤 생성기의 품질을 평가하기 위해 다양한 통계적 테스트가 개발되었다:

의사 랜덤 생성기는 초기값(시드)에 따라 전체 수열이 결정되므로, 시드 선택이 매우 중요하다. 현재 시간, 프로세스 ID, 메모리 주소 등을 조합하여 예측하기 어려운 시드를 만드는 것이 일반적이다.

빠른 속도가 필요한 애플리케이션에서는 간단한 알고리즘을, 높은 품질이 필요한 경우에는 더 복잡하지만 우수한 통계적 성질을 가진 알고리즘을 선택해야 한다.

암호학적 용도로 사용할 경우에는 암호학적으로 안전한 랜덤 생성기(CSPRNG: Cryptographically Secure Pseudo Random Number Generator)를 사용해야 한다.