2025/03/27 更新

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ハラモト ヒロシ
原本 博史
Haramoto Hiroshi
所属
デジタル情報人材育成機構 教授
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教授
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学位

  • 博士(理学) ( 広島大学 )

研究キーワード

  • モンテカルロ法

  • 擬似乱数

研究分野

  • 自然科学一般 / 応用数学、統計数学

学歴

  • 広島大学   理学系研究科   数学専攻

    - 2008年

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    国名: 日本国

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経歴

  • 愛媛大学   データサイエンスセンター

    2020年4月 - 現在

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  • 愛媛大学   教育学部

    2011年4月 - 2024年9月

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  • 呉工業高等専門学校   自然科学系分野

    2008年10月 - 2011年3月

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  • 広島大学   特別研究員

    2008年4月 - 2008年9月

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論文

  • Experimental Study on Appropriate Sample Size of Lagged Fibonacci Pseudorandom Number Generators for Stochastic Simulations

    Hiroshi Haramoto, Makoto Matsumoto, Takuji Nishimura

    Frontiers in Artificial Intelligence and Applications   398   20 - 30   2024年

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    掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)  

    Pseudorandom number generators are essential for various stochastic simulations in physics, economics, engineering, etc. In this study, we propose a practical method for estimating appropriate sample sizes for lagged Fibonacci generators, one of the most traditional and widely used pseudorandom number generators. This estimation is based on an analogy with the theoretical one-dimensional random walk. The proposed method is formulated using a weight enumeration polynomial and the MacWilliams identity in coding theory. Generally, a weight enumeration polynomial requires an intractable exhaustive check of the seeds. However, under certain conditions, the MacWilliams identity allows for the direct derivation of the weight enumeration polynomial. To improve efficiency, we employ a heuristic technique to approximate the weight enumeration polynomial by truncating “non-essential” terms motivated by Fourier analysis in signal processing.

    DOI: 10.3233/FAIA241398

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  • Unveiling patterns in xorshift128+ pseudorandom number generators 査読

    Hiroshi Haramoto, Makoto Matsumoto, Mutsuo Saito

    Journal of Computational and Applied Mathematics   402   2022年3月

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    掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    Xorshift128+ is a newly proposed pseudorandom number generator (PRNG), which is now the standard PRNG on a number of platforms. We demonstrate that three-dimensional plots of the random points generated by the generator have visible structures: they concentrate on particular planes in the cube. We provide a mathematical analysis of this phenomenon.

    DOI: 10.1016/j.cam.2021.113791

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  • Study on upper limit of sample size for a two-level test in NIST SP800-22 査読 国際誌

    Hiroshi Haramoto

    Japan Journal of Industrial and Applied Mathematics   38 ( 1 )   193 - 209   2021年2月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    NIST SP800-22 is one of the most widely used statistical testing tools for pseudorandom number generators (PRNGs). This tool consists of 15 tests (one-level tests) and two additional tests (two-level tests). Each one-level test provides one or more p-values. The two-level tests measure the uniformity of the obtained p-values for a fixed one-level test. One of the two-level tests categorizes the p-values into ten intervals of equal length, and apply a chi-squared goodness-of-fit test. This two-level test is often more powerful than one-level tests, but sometimes it rejects even good PRNGs when the sample size at the second level is too large, since it detects approximation errors in the computation of p-values. In this paper, we propose a practical upper limit of the sample size in this two-level test, for each of six tests appeared in SP800-22. These upper limits are derived by the chi-squared discrepancy between the distribution of the approximated p-values and the uniform distribution U(0, 1). We also computed a “risky” sample size at the second level for each one-level test. Our experiments show that the two-level test with the proposed upper limit gives appropriate results, while using the risky size often rejects even good PRNGs. We also propose another improvement: to use the exact probability for the ten categories in the computation of goodness-of-fit at the two-level test. This allows us to increase the sample size at the second level, and would make the test more sensitive than the NIST’s recommending usage.

    DOI: 10.1007/s13160-020-00434-y

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  • 「精要算法」の数列問題に関する解法の解析と一般化 査読

    原本 博史, 平田 浩一, 桑田 公太

    日本数学教育学会高専・大学部会論文誌 = Transactions of mathematical education for colleges and universities   26 ( 1 )   1 - 10   2020年3月

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    記述言語:日本語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:日本数学教育学会高専・大学部会  

    CiNii Books

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  • Checking the quality of approximation of p-values in statistical tests for random number generators by using a three-level test 査読

    Haramoto, H., Matsumoto, M.

    Mathematics and Computers in Simulation   161   66 - 75   2019年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

    DOI: 10.1016/j.matcom.2018.08.005

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  • A Method to Compute an Appropriate Sample Size of a Two-Level Test for the NIST Test Suite 査読

    Hiroshi Haramoto, Makoto Matsumoto

    Monte Carlo and quasi-Monte Carlo Methods 2016   283 - 294   2018年8月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)  

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  • A Non-empirical Test on the Second to the Sixth Least Significant Bits of Pseudorandom Number Generators 査読

    Hiroshi Haramoto, Makoto Matsumoto, Takuji Nishimura, Yuki Otsuka

    Springer Proceedings in Mathematics and Statistics   65   417 - 426   2013年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)  

    Lagged Fibonacci generators are widely used random number generators. Some implementations discard the least significant bit of their outputs, because their weight distribution has a strong deviation. But the degree of the improvement is unclear. In this paper, we give a method to compute the weight distribution of the n-th least significant bit of several pseudo random number generators for arbitrary n, generalizing the weight discrepancy test which was possible only for n D 1. The method is based on the MacWilliams identity over Z=2n, and predicts the sample size for which the bit stream fails in a statistical test. These tests are effective to lagged Fibonacci generators such as random() in BSD-C library. For example, we show that the second least significant bit of random() will be rejected if the sample size is of order 104, while the sixth bit will be rejected for the sample size around 107. © Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013.

    DOI: 10.1007/978-3-642-41095-6_19

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  • A p-adic algorithm for computing the inverse of integer matrices 査読

    H. Haramoto, M. Matsumoto

    JOURNAL OF COMPUTATIONAL AND APPLIED MATHEMATICS   225 ( 1 )   320 - 322   2009年3月

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:ELSEVIER SCIENCE BV  

    DOI: 10.1016/j.cam.2008.07.044

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  • Automation of Statistical Tests on Randomness to Obtain Clearer Conclusion 査読

    Hiroshi Haramoto

    MONTE CARLO AND QUASI-MONTE CARLO METHODS 2008   411 - 421   2009年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:SPRINGER-VERLAG BERLIN  

    DOI: 10.1007/978-3-642-04107-5_26

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  • A Fast Jump Ahead Algorithm for Linear Recurrences in a Polynomial Space 査読

    Hiroshi Haramoto, Makoto Matsumoto, Pierre L'Ecuyer

    SEQUENCES AND THEIR APPLICATIONS - SETA 2008   5203   290 - +   2008年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(国際会議プロシーディングス)   出版者・発行元:SPRINGER-VERLAG BERLIN  

    DOI: 10.1007/978-3-540-85912-3_26

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  • Efficient jump ahead for F2-linear random number generators 査読

    Hiroshi Haramoto, Makoto Matsumoto, Takuji Nishimura, François Panneton, Pierre L'Ecuyer

    INFORMS Journal on Computing   20 ( 3 )   385 - 390   2008年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:INFORMS Inst.for Operations Res.and the Management Sciences  

    The fastest long-period random number generators currently available are based on linear recurrences modulo 2. So far, software that provides multiple disjoint streams and substreams has not been available for these generators because of the lack of efficient jump-ahead facilities. In principle, it suffices to multiply the state (a K-bit vector) by an appropriate k × k binary matrix to find the new state far ahead in the sequence. However, when k is large (e.g., for a generator such as the popular Mersenne twister, for which k = 19,937), this matrix-vector multiplication is slow, and a large amount of memory is required to store the k × k matrix. In this paper, we provide a faster algorithm to jump ahead by a large number of steps in a linear recurrence modulo 2. The method uses much less than the k2 bits of memory required by the matrix method. It is based on polynomial calculus modulo the characteristic polynomial of the recurrence, and uses a sliding window algorithm for the multiplication. © 2008 INFORMS.

    DOI: 10.1287/ijoc.1070.0251

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  • Computing conditional probabilities for $F2$-linear pseudorandom bit generator by splitting Mac-Williams identity 査読

    H. Haramoto, M. Matsumoto, T. Nishimura

    International Journal of Pure and Applied Mathematics   38 ( 1 )   29 - 42   2007年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)  

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  • Pseudorandom number generation: Impossibility and compromise 査読

    Makoto Matsumoto, Mutsuo Saito, Hiroshi Haramoto, Takuji Nishimura

    JOURNAL OF UNIVERSAL COMPUTER SCIENCE   12 ( 6 )   672 - 690   2006年

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    記述言語:英語   掲載種別:研究論文(学術雑誌)   出版者・発行元:GRAZ UNIV TECHNOLGOY, INST INFORMATION SYSTEMS COMPUTER MEDIA-IICM  

    DOI: 10.3217/jucs-012-06-0672

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講演・口頭発表等

  • Experimental Study on Appropriate Sample Size of Lagged Fibonacci Pseudorandom Number Generators for Stochastic Simulations

    2024年11月 

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    開催年月日: 2024年11月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

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  • An Efficient Jump-Ahead Algorithm for the RANMARS Pseudorandom Number Generator

    原本博史

    2024年9月 

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    開催年月日: 2024年9月

    記述言語:英語   会議種別:口頭発表(一般)  

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共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 並列計算環境のための擬似乱数生成と評価の研究

    2022年4月 - 2025年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(C)  基盤研究(C)

    原本 博史

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    配分額:3640000円 ( 直接経費:2800000円 、 間接経費:840000円 )

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  • グラフ上の調和解析の視点による整数論の研究

    2019年4月 - 2024年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(C)  基盤研究(C)

    平野 幹, 山崎 義徳, 原本 博史

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    配分額:4550000円 ( 直接経費:3500000円 、 間接経費:1050000円 )

    今年度は、代数的に定義された有限正則グラフに対する明示的調和解析を整数論の観点で考察するための基礎的な考察を昨年度に引き続いて行った。とりわけ、関連する特殊関数に焦点を絞り、その有限型類似物について考察した。
    <BR>
    有限体上の簡約可能群および関連する対称空間に付随する有限正則グラフ上の調和解析を整数論の観点で考察するためには、指数関数や超幾何型関数、ガンマ関数といった、通常の調和解析や整数論に現れる特殊関数の有限型類似物についての理解が不可欠である。これらの特殊関数の有限型類似物はこれまでにも豊富に考察されているが、今年度は有限体上の代数群上の調和解析とその周辺について、とりわけ表現の記述の視点から考察し、理解を深めた。とりわけ、保形形式などの深い研究において見られるように、特定のゲルファント対に関連する球関数を特殊関数として明示的に記述することは、そのゲルファント対から得られる対称空間上の調和解析に基づく整数論的考察において肝要である。有限体上の代数群に対するゲルファント対の研究は非常に多くみられるが、有限特殊関数の詳細な研究とその整数論への応用の観点から整理されたものはあまり多くないように思われる。これらについて散見される事実を整理することにより、本研究課題であるグラフ上の調和解析の視点による整数論の研究に向けた基盤整備を進めているところである。
    <BR>
    今後は、これまでの2年間の研究により得た整数論と関連する有限型特殊関数についての知見をさらに深めると同時に、これらを活用して整数論的視点による有限体上の簡約可能群および関連する対称空間に付随する有限正則グラフ上の調和解析の明示的研究を進める予定である。また、ラマヌジャングラフについての研究にも着手したいと考えている。

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  • 擬似乱数のための代数と統計の応用

    2017年4月 - 2021年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 若手研究(B)  若手研究(B)

    原本 博史

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    配分額:3640000円 ( 直接経費:2800000円 、 間接経費:840000円 )

    2020年度は、米国国立標準技術研究所による擬似乱数の統計的検定パッケージであるNIST SP800-22について、二重検定時の第2段階におけるp値の計算誤差とサンプルサイズの関係を研究した。特に、(1)現在利用可能な15種類の検定のうち9種類について、第1段階のp値が近似的に計算される際の第2段階のサンプルサイズの上限を、カイ二乗ディスクレパンシーによって正確に見積った。これにより、これまで一律に有意水準の逆数程度とされていた第2段階のサンプルサイズは、検定および第1段階のサンプルサイズによって大きく異なることが明らかになった。また、(2)モンテカルロ法を用いて第1段階のp値の分布を高精度で計算することにより、第2段階の帰無仮説をより正確に記述することで、サンプルサイズに関する制約を取り除くことを示した。以上の結果を論文として出版した。
    また、昨年度の研究を継続し、近年多くのブラウザなどで標準採用されている擬似乱数xorshift128+の3次元出力が、いくつかの平面に集中するという偏りを、3つの数の排他的論理和と算術的和の類似性に注目することで、より精密に記述した(現在、論文投稿中)。また、類似の考え方をxorshift128+の発展型の一つであるxoroshiro128+に適用し適当な変換を施すことによって、擬似乱数の包括的統計評価手法の一つTestU01によって棄却できることを示した。これは現在広く使われている高性能擬似乱数ではみられない偏りであり、今後の理論的な評価に向けた手がかりとなる結果である。

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  • 幾何教材としての和算・算額の次世代への継承

    2017年4月 - 2020年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 基盤研究(C)  基盤研究(C)

    平田 浩一, 吉村 直道, 河村 泰之, 原本 博史

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    配分額:3120000円 ( 直接経費:2400000円 、 間接経費:720000円 )

    学習指導要領解説の中に「和算」や「算額」という言葉が加わったことで、学校現場でも和算を取り上げる機会が増えてきている。しかしながら、若い世代の教員までにはまだまだ浸透していない。
    本研究では、和算を授業に取り込むために必要な基礎知識を提供する教員養成学部の教育教材を開発し、幾何教育カリキュラムの中に位置付けることを目指した。また、それら教材を現職教員研修の教材として発展させ、教育現場で和算や算額を効果的に授業に取り入れることを通して、生徒たちの数学および数学の歴史さらには科学技術への興味関心を引き出すことを狙っている。

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  • 有限対称空間および関連するグラフスペクトル論の視点による整数論の研究

    2016年4月 - 2019年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 挑戦的萌芽研究  挑戦的萌芽研究

    平野 幹, 山崎 義徳, 原本 博史

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    配分額:3510000円 ( 直接経費:2700000円 、 間接経費:810000円 )

    本研究において、ケイリーグラフのスペクトル分布問題の整数論的考察を発展させた。とくに、ある非可換有限群上のケイリーグラフの族に対するラマヌジャン性についてのバレンシー判定境界問題について、巡回群の場合と類似の結果を示し、解析数論における未解決重要問題であるハーディ・リトルウッド予想とグラフスペクトル理論との関係を示唆する根拠を増やした。その他にも、整数論的対象がグラフスペクトル論に自然に現れることなどをいくつかの現象において確認した

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  • 統計的・代数的視点からの擬似乱数高性能化の研究

    2010年4月 - 2014年3月

    日本学術振興会  科学研究費助成事業 若手研究(B)  若手研究(B)

    原本 博史

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    配分額:3770000円 ( 直接経費:2900000円 、 間接経費:870000円 )

    (1)擬似乱数の統計的検定において、疑わしい偏りを検出した際に明確な偏りを検出できるまでサンプルサイズを増やしながら検定を行う繰り返し検定を実装した。(2)擬似乱数の高速ジャンプ法について、sliding window algorithmとKaratsuba乗算を用いた方法を実装し、そのプログラムを公開した。(3)擬似乱数の非統計的検定に関してMRGの各ビットごとの検定を行うため、MacWilliams恒等式の一般化を定式化し、検定を行った。

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