Python乱数のシード固定まとめ：random, NumPy, PyTorch, TensorFlowまで

# **user**:

Python組み込み関数のrandom, numpy のrandom, その他、Python主要ライブラリの乱数のシードを固定する方法を詳しく教えてください。また、使用上の注意などもあればお願いします。

# **assistant**:

Pythonで乱数の再現性を確保するためには、**シード（seed）を固定**する必要があります。ただし、使用しているライブラリによってシードの固定方法が異なります。以下に、主要な乱数生成方法とそのシード固定のやり方、および使用上の注意点を詳しく解説します。

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## ✅ Pythonの乱数関連ライブラリとシード固定方法

### 1. `random` モジュール（標準ライブラリ）

```python
import random

random.seed(42)
```

* `random.seed()` でシード値を設定。
* 同じシード値であれば、同じ乱数列が生成されます。

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### 2. `numpy.random` モジュール（旧API）

```python
import numpy as np

np.random.seed(42)
```

* `numpy.random.seed()` は NumPy の旧乱数生成 API。
* 互換性のために使われますが、**新API（Generatorクラス）の使用が推奨**されています。

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### 3. `numpy.random.default_rng()`（新API、推奨）

```python
from numpy.random import default_rng

rng = default_rng(seed=42)
print(rng.random())  # 毎回同じ乱数
```

* `default_rng(seed)` で乱数生成器（`Generator`）を作成。
* `np.random.seed()`より**スレッドセーフかつ拡張性が高い**。
* 複数のインスタンスで独立した乱数列を生成したい場合にも便利。

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### 4. `torch`（PyTorch）

```python
import torch

torch.manual_seed(42)
```

* CPUでの乱数を制御。
* CUDAを使う場合は以下も必要：

```python
torch.cuda.manual_seed(42)
torch.cuda.manual_seed_all(42)
```

* 再現性のためには追加の設定も推奨：

```python
torch.backends.cudnn.deterministic = True
torch.backends.cudnn.benchmark = False
```

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### 5. `tensorflow`（TensorFlow 2.x）

```python
import tensorflow as tf

tf.random.set_seed(42)
```

* TensorFlow 2.xの乱数生成における再現性確保。
* 環境全体の再現には NumPy, Python の `random` にも同時にシードを固定する必要あり。

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### 6. `scikit-learn`

* モデルの中に `random_state` 引数があるものが多い：

```python
from sklearn.model_selection import train_test_split

X_train, X_test = train_test_split(X, test_size=0.2, random_state=42)
```

* 一貫性のために `random_state=42` などと指定。

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### 7. `xgboost`, `lightgbm` など

```python
import xgboost as xgb

params = {
    'random_state': 42,
    # その他のハイパーパラメータ
}
```

* `random_state` や `seed` パラメータで設定。

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## ⚠️ 使用上の注意点

### 1. **複数ライブラリを併用する場合**

すべての使用ライブラリで明示的にシードを設定しないと、完全な再現性は得られません。例：

```python
import random
import numpy as np
import tensorflow as tf

random.seed(42)
np.random.seed(42)
tf.random.set_seed(42)
```

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### 2. **OS・環境差異**

* OSの違いやライブラリのバージョン、ハードウェア（特にGPU）によっては**完全な再現は難しい**こともあります。
* Dockerや仮想環境の利用で、なるべく環境を固定するとよいです。

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### 3. **マルチスレッド/マルチプロセス**

* 並列処理では、各プロセスやスレッドで独立にシードを固定する必要があります。
* Pythonの `multiprocessing` を使う場合は注意が必要。

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### 4. **乱数の偏りに注意**

* 同じシードを使い続けると、結果が「たまたま偏っている」乱数列である可能性もあるため、**複数のシードで検証**するのが望ましい。

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## 🧪 シード固定の例（総合）

```python
import random
import numpy as np
import tensorflow as tf

SEED = 42

# Python標準
random.seed(SEED)

# NumPy
np.random.seed(SEED)

# TensorFlow
tf.random.set_seed(SEED)
```

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必要であれば、各ライブラリごとにサンプルコードを個別に提供できます。希望のライブラリ名をお知らせください。

# **user**:

42という数字は何か特別な意味がありますか？

# **assistant**:

はい、「42」にはちょっとした“特別な意味”があります。それは主に**ポップカルチャー的な背景**に由来します。

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## 🌌 なぜ「42」？──その由来

「42」は、ダグラス・アダムスのSF小説
**『銀河ヒッチハイク・ガイド（The Hitchhiker's Guide to the Galaxy）』**
で登場する\*\*「究極の疑問の答え（The Answer to the Ultimate Question of Life, the Universe, and Everything）」\*\*として有名です。

作中で超巨大コンピュータが何百万年もかけて計算した結果、

> **「人生、宇宙、すべての答えは……42」**

というとんでもない（？）答えが返ってくる、というシュールなジョークです。

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## 🤖 プログラミング界での「42」

このネタがプログラマの間で広まり、**サンプルコードの seed 値や変数に「42」がよく使われる**ようになりました。いわば「プログラマあるある」の一種です。

たとえば：

```python
random.seed(42)  # なんとなく使う定番シード
```

これは実用的な意味というより、ユーモラスな文化的要素が強いです。

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## 🎲 実際に使う seed 値としては？

* **再現性のために何かしら固定された整数が必要**であれば、何でも構いません（たとえば、`1234` や `2025` でもOK）。
* 「42」は**わかりやすく覚えやすく、文化的にもウケがいい**ので、サンプルやチュートリアルによく登場します。

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## ✅ まとめ

| 値        | 意味                     |
| -------- | ---------------------- |
| `42`     | ポップカルチャー由来のジョーク（SF小説）  |
| 実用性      | 特に意味はない。任意の固定値でOK      |
| よく使われる理由 | 楽しい、覚えやすい、再現性のある定番サンプル |

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必要であれば、「42」を使ったユーモアを入れたサンプルコードなどもご紹介できますよ。

# **user**:

```python
rng = default_rng(seed=42)
print(rng.random())   
```

のような方法で乱数固定した場合、乱数固定の影響はnp全体に及ぶわけではなく、特定の呼び方をした場合だけですよね？

# **assistant**:

おっしゃる通りです。
`rng = default_rng(seed=42)` のように **NumPyの新しい乱数生成API（`Generator`クラス）** を使った場合、**シードの影響はその `rng` インスタンスに限定されます**。

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## ✅ 詳しく解説

### 🔹 `default_rng(seed)` の挙動

```python
from numpy.random import default_rng

rng = default_rng(seed=42)
```

このようにして生成される `rng` は、NumPyの新しい `Generator` クラスのインスタンスです。以下のような乱数生成メソッドを使えます：

```python
rng.random()       # 一様分布
rng.normal()       # 正規分布
rng.integers()     # 整数乱数
rng.choice()       # サンプリング
```

これらの乱数はすべて `rng` オブジェクトに依存しており、**`np.random` とは独立**です。

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### 🔸 一方、旧API（np.random）との違い

```python
import numpy as np

np.random.seed(42)
np.random.random()
```

これはグローバル状態を変更する旧スタイル。Python全体で乱数の再現性を保ちやすいですが、**並列処理や関数化では副作用が大きくなりやすい**です。

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## ✅ 結論：シードの影響範囲

| 方式                      | シードの影響範囲           | 再現性          | 推奨度   |
| ----------------------- | ------------------ | ------------ | ----- |
| `np.random.seed(42)`    | グローバル（np.random全体） | 高い（ただし副作用あり） | △（古い） |
| `rng = default_rng(42)` | `rng` のみ           | 高い（局所的に制御可能） | ◎（推奨） |

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## 👀 注意点

* `np.random.seed(42)` を使っていても、`default_rng()` で作った `rng` は**別の内部状態**を持つため、**独立した乱数系列**になります。
* 逆に言えば、再現性を保ちつつ**異なる乱数系列を扱いたい場合**は、複数の `Generator` を使うのが便利です。

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必要であれば、`np.random` と `default_rng` の出力の違いを比較するコード例もご提供できます。


# **user**:

ありがとうございます。そうすると、昔作った np の乱数を置き換えるのは面倒ですね。良い方法はありますか？

# **assistant**:

ご指摘の通り、**古い `np.random` ベースのコードをすべて `default_rng()` に置き換えるのは手間がかかります**。しかし、完全移行または段階的移行のために使えるいくつかの方法があります。以下に整理して紹介します。

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## ✅ 方法1：段階的に `default_rng()` を導入する（推奨）

### 📌 アプローチ

新しいコード部分やリファクタリング対象の箇所から `default_rng()` を導入していきます。古い `np.random` をすぐに全部書き換える必要はありません。

### 📌 例

```python
# 古いコード：そのまま
np.random.seed(42)
a = np.random.normal(size=3)

# 新しいコード：新API
rng = np.random.default_rng(42)
b = rng.normal(size=3)
```

### ✅ 利点

* 影響範囲を限定して新APIを導入できる。
* 既存コードを壊さずに再現性とモダン化を進められる。

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## ✅ 方法2：`np.random.Generator` の `legacy` モードを使う（やや高度）

NumPy 1.17以降では、`Generator` に `RandomState` と似た API を模倣させる方法もありますが、完全互換ではありません。

```python
rng = np.random.default_rng(42)

# 通常は存在しない関数を再現するには自作ラッパーが必要
```

NumPyチームは「完全な自動置換は難しい」としています。

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## ✅ 方法3：`RandomState` から `Generator` への部分的な変換を検討

もしあなたのコードが `RandomState` を使っている場合は、それを `Generator` に置き換えることは可能です。ただし、APIの互換性が一部異なるため、以下のように置換する必要があります。

| RandomState (`np.random`) | Generator (`default_rng`) |
| ------------------------- | ------------------------- |
| `rand()`                  | `random()`                |
| `randn()`                 | `standard_normal()`       |
| `randint()`               | `integers()`              |
| `choice()`                | `choice()`（引数が異なる）        |

### 例：変換

```python
# 旧コード
np.random.seed(42)
x = np.random.randn(100)

# 新コード
rng = np.random.default_rng(42)
x = rng.standard_normal(100)
```

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## ✅ 自動置換を支援するツール（準備段階）

NumPyチームからは明示的な変換ツールは出ていませんが、以下のような方法で**自動変換の補助**は可能です：

* **検索・置換**で `np.random.` を `rng.` に変える（ただし要注意）
* `pytest` や `doctest` で結果の一致を検証
* ラッパー関数を一時的に作成する

```python
def my_random_normal(size):
    return rng.standard_normal(size)
```

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## ⚠️ 注意点：`np.random` と `default_rng` は内部アルゴリズムも異なる

* `np.random` は **Mersenne Twister**（メルセンヌ・ツイスター）
* `default_rng()` は **PCG64**（より高速で安全）

そのため、**完全に同じ乱数列にはなりません**。再現性が重要なシミュレーションなどでは要注意です。

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## ✅ まとめ

| 方法         | 特徴          | 適した場面          |
| ---------- | ----------- | -------------- |
| 方法1：段階導入   | 安全、柔軟       | 少しずつ移行したい      |
| 方法2：互換ラッパー | 自力で互換APIを定義 | 共通化が必要な場合      |
| 方法3：手動置換   | コントロールしやすい  | 小規模 or テストコード  |
| 方法4：全部書き換え | 手間大だが一貫性    | 長期的に保守する大規模コード |

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ご希望があれば、**実際のコードを提示して「どう書き換えるか」個別に解説**することも可能です！

# **user**:

ありがとうございます。今回の会話をブログに記録したいので、タイトル案をいくつか提案していただけますか？

# **assistant**:

もちろんです！以下に、今回の会話内容をもとにした**ブログタイトル案**をいくつかご提案します。技術的な内容と軽妙なトーンをバランスよく織り交ぜています。

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## 🔧 技術的にストレートなタイトル

1. **「Python乱数のシード固定まとめ：random, NumPy, PyTorch, TensorFlowまで」**
2. **「乱数の再現性を確保せよ：Python主要ライブラリのシード固定法」**
3. **「NumPy乱数は一筋縄じゃいかない？新旧APIとシードの扱い方」**
4. **「default\_rng()って何者？NumPy乱数の新スタイルを使いこなす」**

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## ✨ 少し遊び心のあるタイトル

5. **「Pythonで乱数を飼いならす：42という名の魔法の数字」**
6. **「シード値42の謎：人生、宇宙、そして乱数のすべて」**
7. **「乱数に翻弄されないために：Pythonの“運命”を固定する技術」**
8. **「random.seed(42)の意味、説明できますか？」**

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## 🧩 実用寄り＋キャッチー

9. **「古い乱数コード、どう置き換える？NumPy移行のコツと注意点」**
10. **「Python乱数コードのリファクタリング指南：default\_rng時代のベストプラクティス」**

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ご希望に応じて、タイトル案の雰囲気（堅め／カジュアル／SEO意識など）を調整したり、サブタイトルや導入文も一緒に考えたりできます！お気軽にどうぞ。


# **user**:

「Python乱数のシード固定まとめ：random, NumPy, PyTorch, TensorFlowまで」でいきたいと思います。最後に、まとめを書いてください。

# **assistant**:

了解しました！
以下に、ブログ記事の締めとして使える\*\*「まとめ」セクション\*\*をご提案します：

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## ✅ まとめ：乱数の再現性は研究・開発の基本！

乱数は便利な一方で、**再現性を保つためにはシード（seed）の固定が不可欠**です。本記事では、Python標準の `random` から、NumPy の新旧API、さらに PyTorch や TensorFlow におけるシード固定方法までを紹介しました。

### 🔑 本記事のポイント

* **Python組み込み `random`：** `random.seed()` でグローバルに固定
* **NumPy：**

  * 旧APIは `np.random.seed()`（グローバル）
  * 新APIは `rng = default_rng(seed)`（インスタンス単位・推奨）
* **PyTorch：** `torch.manual_seed()` をはじめ、CUDAやcuDNN関連も含めて調整が必要
* **TensorFlow：** `tf.random.set_seed()` で全体を制御可能（バージョン依存あり）
* **共通の落とし穴：** シード固定していても**ライブラリごとの内部アルゴリズムが異なるため、乱数列が一致するとは限らない**

### 💡 乱数の使い分け戦略

| 用途              | 推奨スタイル                                 |
| --------------- | -------------------------------------- |
| 簡単な試行・サンプルコード   | `random.seed()` または `np.random.seed()` |
| 本格的な数値実験・再現性が重要 | `default_rng(seed)` を各所で明示的に使用         |
| 機械学習フレームワーク使用時  | PyTorchやTensorFlowのシードも明示的に設定          |

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乱数の“制御”を習得すれば、モデルの再現性・デバッグ効率・レビューの信頼性が一段と高まります。
**42** のような遊び心も忘れずに、しっかりと乱数を“手懐けて”いきましょう！

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ご希望であれば、冒頭の「導入文」やコードスニペット付きの「チートシート形式」も作成できますので、お気軽にお知らせください。

# **user**:

ありがとうございました！また次回もよろしくお願いします！

# **assistant**:

こちらこそ、ありがとうございました！
いつでもお気軽にご相談ください。次回も楽しみにお待ちしています 😊
良いブログ執筆を！✍️📚