]> AND Private Git Repository - 16dcc.git/blob - chaos.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
bla bla:
[16dcc.git] / chaos.tex
1 Let us us first recall the chaos theoretical context presented 
2 in~\cite{bcgr11:ip}. In this article, the space of interest 
3 is $\Bool^{{\mathsf{N}}} \times \llbracket1;{\mathsf{N}}\rrbracket^{\Nats}$ 
4 and the iteration function $\mathcal{H}_f$ is  
5 the map from 
6 $\Bool^{{\mathsf{N}}} \times \llbracket1;{\mathsf{N}}\rrbracket^{\Nats}$ 
7 to itself defined by
8 \[
9 \mathcal{H}_f(x,s)=(F_f(x,s_0),\sigma(s)).
10 \] 
11 In this definition, 
12 $\sigma: \llbracket1;{\mathsf{N}}\rrbracket^{\Nats} \longrightarrow
13  \llbracket1;{\mathsf{N}}\rrbracket^{\Nats} 
14 $
15  is a shift operation on sequences (\textit{i.e.}, a function that removes the 
16 first element of the sequence) formally defined with
17 $$
18 \sigma((u^k)_{k \in \Nats}) =  (u^{k+1})_{k \in \Nats}. 
19 $$
20
21 We have proven~\cite[Theorem 1]{bcgr11:ip} that   
22 $\mathcal{H}_f$ is chaotic in 
23 $\Bool^{{\mathsf{N}}} \times \llbracket1;{\mathsf{N}}\rrbracket^{\Nats}$
24 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
25 However, the corrolary which would say that $\chi_{\textit{14Secrypt}}$ is chaotic 
26 cannot be directly deduced since we do not output all the successive
27 values of iterating $F_f$. Only a a few of them is concerned and 
28 any subsequence of a chaotic sequence  is   not  necessarily  
29 a   chaotic  sequence  too.
30 This necessitates a rigorous proof, which is the aim of this section.
31
32
33
34
35
36 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
37 \label{subsec:Devaney}
38
39
40 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
41 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
42
43 \begin{dfntn}
44 The function $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
45 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
46 \varnothing$.
47 \end{dfntn}
48
49 \begin{dfntn}
50 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
51 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
52 \end{dfntn}
53
54 \begin{dfntn}
55 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
56 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
57 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
58 necessarily the same period).
59 \end{dfntn}
60
61
62 \begin{dfntn}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
63 The function $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
64 topologically transitive.
65 \end{dfntn}
66
67 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
68 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
69
70 \begin{dfntn}
71 \label{sensitivity} The function $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
72 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
73 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
74 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
75
76 The constant $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
77 \end{dfntn}
78
79 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
80 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
81 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
82 element of the definition of chaos). 
83
84
85 \subsection{A Metric Space for PRNG Iterations}
86
87 % Define by $\mathcal{S}_X$ the set of sequences whose elements belong in $X \subset \mathds{N}, X \neq \varnothing$,
88 % that is, $\mathcal{S}_X = \mathcal{X}^\mathds{N}$.
89 % Let $\mathsf{N} \in \mathds{N}^\ast$, $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, and
90 % $\mathcal{P} \subset \mathds{N}^\ast$ a non empty and finite set of integers.
91
92 % Any couple $(u,v) \in \mathcal{S}_{\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket} \times \mathcal{S}_\mathcal{P}$ defines
93 % a ``chaotic iterations based'' pseudorandom number generator, which is denoted by  $\textit{CIPRNG}_f^2(u,v)$~\cite{wbg10:ip}. It is 
94 % defined as follows:
95 % \begin{equation}
96 % \label{CIPRNGver2}
97 % \left\{
98 % \begin{array}{l}
99 %  x^0 \in \mathds{B}^\mathsf{N}\\
100 %  \forall n \in \mathds{N}, \forall i \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket, x_i^{n+1} = \left\{ \begin{array}{ll} f(x^n)_i & \text{if  }~ i=u^n \\ x_i^n & \text{else} \end{array} \right.\\
101 %  \forall n \in \mathds{N}, y^n = x^{v^n} .
102 % \end{array}
103 % \right.
104 % \end{equation}
105 % The outputted sequence produced by this generator is $\left(y^n\right)_{n \in \mathds{N}}$. 
106 % Remark that, given a sequence $S \in \mathcal{S}_{\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket}$ called a ``chaotic strategy'',
107 % the following way to iterate: 
108 % $$x^0 \in \mathds{B}^\mathsf{N}, \forall n \in \mathds{N}, \forall i \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket,  x_i^{n+1} = \left\{ \begin{array}{ll} f(x^n)_i & \text{if  }~ i=S^n \\ x_i^n & \text{else} \end{array} \right. ,$$
109 % is referred in the discrete mathematics literature as ``chaotic iterations''~\cite{Robert} (a terminology which has
110 % \emph{a priori} no relation with the mathematical theory of chaos recalled previously), which
111 % explains the name provided to these categories of pseudorandom number generators.
112
113
114 % The formerly proposed $\textit{CIPRNG}_f^1(u)$~\cite{bgw09:ip,guyeuxTaiwan10} is equal to \linebreak $\textit{CIPRNG}_f^2\left(u,\left(1\right)_{n\in \mathds{N}}\right)$, where $\left(1\right)_{n\in \mathds{N}}$ is the sequence that is 
115 % uniformly equal to 1. 
116 % It has been proven as chaotic for the vectorial Boolean negation $f_0:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, 
117 % $(x_1, \hdots , x_\mathsf{N}) \longmapsto (\overline{x_1}, \hdots, \overline{x_\mathsf{N}})$ in \cite{bgw09:ip} 
118 % and for a larger set of well-chosen iteration functions in~\cite{bcgr11:ip} but,
119 % as only one bit is modified at each iteration, this generator is not able to pass any reasonable statistical tests.
120
121 % The $\textit{XOR~CIPRNG}(S)$, for its part~\cite{DBLP:journals/corr/abs-1112-5239}, is defined as follows: $x^0 \in \mathds{B}^\mathsf{N}$, and $\forall n \in \mathds{N}, x^{n+1} = x^n \oplus S^n$
122 % where $S \in \mathcal{S}_{\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket}$ and $\oplus$ stands for the bitwise \emph{exclusive or} (xor) operation
123 % between the binary decomposition of $x^n$ and $S^n$. This is indeed a $CIPRNG_{f_0}^2 (u,v)$ generator:
124 % %, for 
125 % %$u,v \in \mathcal{S}_{\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket}$: 
126 % for any given $S \in \mathcal{S}_{\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket}$, $v^n$ is the number
127 % of 1's in the binary decomposition of $S^n$ while $u^{v^n}, u^{v^n+1}, \hdots , u^{v^{n+1}-1}$
128 % are the positions of these ones.
129 % The $\textit{XOR~CIPRNG}$ has been proven chaotic and it is able to pass all the most stringent statistical 
130 % batteries of tests~\cite{DBLP:journals/corr/abs-1112-5239}, namely: DieHARD~\cite{Marsaglia1996}, NIST~\cite{Nist10}, and TestU01~\cite{LEcuyerS07},
131 % which encompasses the two former ones. Furthermore, the output sequence is cryptographically secure
132 % when $S$ is cryptographically secure~\cite{DBLP:journals/corr/abs-1112-5239}.
133 % We are then left to prove $\textit{CIPRNG}_f^2(u,v)$ is chaotic.
134
135 % \subsection{The $\textit{CIPRNG}_f^2(u,v)$ is chaotic for well-chosen $f$}\label{sec:wellchosen}
136
137 % \subsection{The generator as a discrete dynamical system}
138
139
140 % This algorithm may be seen as $\mathsf{p}$ functional composition of $F_f$.
141 % We thus introduce the function 
142 % $F_{f,\mathsf{p}} :  \mathds{B}^\mathsf{N} \times \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathsf{p}  \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$ defined by 
143
144 % $$
145 % F_{f,\mathsf{p}} (x,(u^0, u^1, \hdots, u^{\mathsf{p}-1}))  \mapsto 
146 % F_f(\hdots (F_f(F_f(x,u^0), u^1), \hdots), u^{\mathsf{p}-1}).
147 % $$
148
149
150
151
152 Let us first introduce $\mathcal{P} \subset \mathds{N}$ a finite nonempty
153 set having the cardinality $\mathsf{p} \in \mathds{N}^\ast$.
154 Intuitively, this  is the set of authorized numbers of iterations.
155 Denote by $p_1, p_2, \hdots, p_\mathsf{p}$ the ordered elements of $\mathcal{P}$: $\mathcal{P} = \{ p_1, p_2, \hdots, p_\mathsf{p}\}$
156 and $p_1< p_2< \hdots < p_\mathsf{p}$. In our algorithm, 
157 $\mathsf{p}$ is 1 and $p_1$ is $b$. 
158
159
160 The Algorithm~\ref{CI Algorithm} 
161 may be seen as $b$ functional composition of $F_f$.
162 However, it can be generalized with $p_i$, $p_i \in \mathcal{P}$,
163 functional compositions of $F_f$.
164 Thus, for any $p_i \in \mathcal{P}$ we introduce the function 
165 $F_{f,p_i} :  \mathds{B}^\mathsf{N} \times \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^{p_i}  \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$ defined by 
166
167 $$
168 F_{f,p_i} (x,(u^0, u^1, \hdots, u^{p_i-1}))  \mapsto 
169 F_f(\hdots (F_f(F_f(x,u^0), u^1), \hdots), u^{p_i-1}).
170 $$
171
172
173 The considered space is 
174  $\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}=  \mathds{B}^\mathsf{N} \times \mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$, where 
175 $\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}=
176 \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^{\Nats}\times 
177 \mathcal{P}^{\Nats}$. 
178 Each element in this space is a pair where the first element is 
179 $\mathsf{N}$-uple in $\Bool^{\mathsf{N}}$, as in the previous space.  
180 The second element is a pair $((u^k)_{k \in \Nats},(v^k)_{k \in \Nats})$ of infinite sequences.
181 The sequence $(v^k)_{k \in \Nats}$ defines how many iterations are executed at time $k$ between two outputs. 
182 The sequence $(u^k)_{k \in \Nats}$ defines which elements is modified. 
183
184 Let us define the shift function $\Sigma$ for any element of $\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$.
185 $$\begin{array}{cccc}
186 \Sigma:&\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}} &\longrightarrow
187 &\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}} \\
188 & \left((u^k)_{k \in \mathds{N}},(v^k)_{k \in \mathds{N}}\right) & \longmapsto & \left(\sigma^{v^0}\left((u^k)_{k \in \mathds{N}}\right),\sigma\left((v^k)_{k \in \mathds{N}}\right)\right). 
189 \end{array}
190 $$
191 In other words, $\Sigma$ receives two sequences $u$ and $v$, and
192 it operates $v^0$ shifts on the first sequence and a single shift
193 on the second one. 
194 Let
195 \begin{equation}
196 \begin{array}{cccc}
197 G_f :&  \mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}} & \longrightarrow & \mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}\\
198    & (e,(u,v)) & \longmapsto & \left( F_{f,v^0}\left( e, (u^0, \hdots, u^{v^0-1}\right), \Sigma (u,v) \right) .
199 \end{array}
200 \end{equation}
201 Then the outputs $(y^0, y^1, \hdots )$ produced by the $\textit{CIPRNG}_f^2(u,v)$ generator 
202 are the first components of the iterations $X^0 = (x^0, (u,v))$ and $\forall n \in \mathds{N}, 
203 X^{n+1} = G_f(X^n)$ on $\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$.
204
205
206
207
208
209
210 \subsection{A metric on $\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$}
211
212 We define a distance $d$ on $\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$ as follows. 
213 Consider 
214 $x=(e,s)$ and $\check{x}=(\check{e},\check{s})$ in 
215 $\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}} = \mathds{B}^\mathsf{N} \times \mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}} $,
216 where $s=(u,v)$ and $\check{s}=(\check{u},\check{v})$ are in $ \mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}} = 
217 \mathcal{S}_{\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket} \times \mathcal{S}_\mathcal{P}$. 
218 \begin{itemize}
219 \item $e$ and $\check{e}$ are integers belonging in $\llbracket 0, 2^{\mathsf{N}-1} \rrbracket$. The Hamming distance
220 on their binary decomposition, that is, the number of dissimilar binary digits, constitutes the integral
221 part of $d(X,\check{X})$.
222 \item The fractional part is constituted by the differences between $v^0$ and $\check{v}^0$, followed by the differences
223 between finite sequences $u^0, u^1, \hdots, u^{v^0-1}$ and  $\check{u}^0, \check{u}^1, \hdots, \check{u}^{\check{v}^0-1}$, followed by 
224  differences between $v^1$ and $\check{v}^1$, followed by the differences
225 between $u^{v^0}, u^{v^0+1}, \hdots, u^{v^1-1}$ and  $\check{u}^{\check{v}^0}, \check{u}^{\check{v}^0+1}, \hdots, \check{u}^{\check{v}^1-1}$, etc.
226 More precisely, let $p = \lfloor \log_{10}{(\max{\mathcal{P}})}\rfloor +1$ and $n = \lfloor \log_{10}{(\mathsf{N})}\rfloor +1$.
227 \begin{itemize}
228 \item The $p$ first digits of $d(x,\check{x})$ is $|v^0-\check{v}^0|$ written in decimal numeration (and with $p$ digits).
229 \item The next $n\times \max{(\mathcal{P})}$ digits aim at measuring how much $u^0, u^1, \hdots, u^{v^0-1}$ differs from $\check{u}^0, \check{u}^1, \hdots, \check{u}^{\check{v}^0-1}$. The $n$ first
230 digits are $|u^0-\check{u}^0|$. They are followed by 
231 $|u^1-\check{u}^1|$ written with $n$ digits, etc.
232 \begin{itemize}
233 \item If
234 $v^0=\check{v}^0$, then the process is continued until $|u^{v^0-1}-\check{u}^{\check{v}^0-1}|$ and the fractional
235 part of $d(X,\check{X})$ is completed by 0's until reaching
236 $p+n\times \max{(\mathcal{P})}$ digits.
237 \item If $v^0<\check{v}^0$, then the $ \max{(\mathcal{P})}$  blocs of $n$
238 digits are $|u^0-\check{u}^0|$, ..., $|u^{v^0-1}-\check{u}^{v^0-1}|$,
239 $\check{u}^{v^0}$ (on $n$ digits), ..., $\check{u}^{\check{v}^0-1}$ (on $n$ digits), followed by 0's if required.
240 \item The case $v^0>\check{v}^0$ is dealt similarly.
241 \end{itemize}
242 \item The next $p$ digits are $|v^1-\check{v}^1|$, etc.
243 \end{itemize}
244 \end{itemize}
245
246
247
248
249 \begin{xpl}
250 Consider for instance that $\mathsf{N}=13$, $\mathcal{P}=\{1,2,11\}$ (so $\mathsf{p}=2$), and that
251 $s=\left\{
252 \begin{array}{l}
253 u=\underline{6,} ~ \underline{11,5}, ...\\
254 v=1,2,...
255 \end{array}
256 \right.$
257 while
258 $\check{s}=\left\{
259 \begin{array}{l}
260 \check{u}=\underline{6,4} ~ \underline{1}, ...\\
261 \check{v}=2,1,...
262 \end{array}
263 \right.$.
264
265 So $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(s,\check{s}) = 0.010004000000000000000000011005 ...$
266 Indeed, the $p=2$ first digits are 01, as $|v^0-\check{v}^0|=1$, 
267 and we use $p$ digits to code this difference ($\mathcal{P}$ being $\{1,2,11\}$, this difference can be equal to 10). We then take the $v^0=1$ first terms of $u$, each term being coded in $n=2$ digits, that is, 06. As we can iterate
268 at most $\max{(\mathcal{P})}$ times, we must complete this
269 value by some 0's in such a way that the obtained result
270 has $n\times \max{(\mathcal{P})}=22$ digits, that is: 
271 0600000000000000000000. Similarly, the $\check{v}^0=2$ first
272 terms in $\check{u}$ are represented by 0604000000000000000000, and the absolute value of their
273 difference is equal to 0004000000000000000000. These digits are concatenated to 01, and
274 we start again with the remainder of the sequences.
275 \end{xpl}
276
277
278 \begin{xpl}
279 Consider now that $\mathsf{N}=9$, and $\mathcal{P}=\{2,7\}$, and that
280
281 $s=\left\{
282 \begin{array}{l}
283 u=\underline{6,7,} ~ \underline{4,2,} ...\\
284 v=2,2,...
285 \end{array}
286 \right.$
287 while
288 $\check{s}=\left\{
289 \begin{array}{l}
290 \check{u}=\underline{4, 9, 6, 3, 6, 6, 7,} ~ \underline{9, 8}, ...\\
291 \check{v}=7,2,...
292 \end{array}
293 \right.$
294
295 So $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(s,\check{s}) = 0.5173633305600000...$, as $|v^0-\check{v}^0|=5$, $|4963667-6700000| = 1736333$, $|v^1-\check{v}^1|=0$,
296 and $|9800000-4200000| = 5600000$.
297 \end{xpl}
298
299
300
301 $d$ can be more rigorously written as follows:
302 $$d(x,\check{x})=d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(s,\check{s})+d_{\mathds{B}^\mathsf{N}}(e,\check{e}),$$
303 where: % $p=\max \mathcal{P}$ and:
304 \begin{itemize}
305 \item $d_{\mathds{B}^\mathsf{N}}$ is the Hamming distance,
306 \item $\forall s=(u,v), \check{s}=(\check{u},\check{v}) \in \mathcal{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$,\newline 
307 $$\begin{array}{rcl}
308  d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(s,\check{s}) &= &
309    \sum_{k=0}^\infty \dfrac{1}{10^{(k+1)p+kn\max{(\mathcal{P})}}} 
310    \bigg(|v^k - \check{v}^k|  \\
311    & & + \left| \sum_{l=0}^{v^k-1} 
312        \dfrac{u^{\sum_{m=0}^{k-1} v^m +l}}{ 10^{(l+1)n}} -
313        \sum_{l=0}^{\check{v}^k-1} 
314        \dfrac{\check{u}^{\sum_{m=0}^{k-1} \check{v}^m +l}}{ 10^{(l+1)n}} \right| \bigg)
315 \end{array}
316 $$ %\left| \sum_{l=0}^{v^k-1} \dfrac{u^{\sum_{m=0}^{k-1} v^m +l}}{ 10^{l}} - \sum_{l=0}^{\check{v}^k-1} \dfrac{\check{u}^{\sum_{m=0}^{k-1} \check{v}^m +l}}{ 10^{l}}\right|\right)}.$$
317 \end{itemize}
318
319
320 Let us show that,
321 \begin{prpstn}
322 $d$ is a distance on $\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$.
323 \end{prpstn}
324
325
326 \begin{proof}
327  $d_{\mathds{B}^\mathsf{N}}$ is the Hamming distance. We will prove that 
328  $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}$ is a distance
329 too, thus $d$ will also be a distance, being the sum of two distances.
330  \begin{itemize}
331 \item Obviously, $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(s,\check{s})\geqslant 0$, and if $s=\check{s}$, then 
332 $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(s,\check{s})=0$. Conversely, if $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(s,\check{s})=0$, then 
333 $\forall k \in \mathds{N}, v^k=\check{v}^k$ due to the 
334 definition of $d$. Then, as digits between positions $p+1$ and $p+n$ are null and correspond to $|u^0-\check{u}^0|$, we can conclude that $u^0=\check{u}^0$. An extension of this result to the whole first $n \times \max{(\mathcal{P})}$ bloc leads to $u^i=\check{u}^i$, $\forall i \leqslant v^0=\check{v}^0$, and by checking all the $n \times \max{(\mathcal{P})}$ blocs, $u=\check{u}$.
335  \item $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}$ is clearly symmetric 
336 ($d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(s,\check{s})=d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(\check{s},s)$). 
337 \item The triangle inequality is obtained because the absolute value satisfies it too.
338  \end{itemize}
339 \end{proof}
340
341
342 Before being able to study the topological behavior of the general 
343 chaotic iterations, we must first establish that:
344
345 \begin{prpstn}
346  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
347 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
348 \end{prpstn}
349
350
351 \begin{proof}
352 We will show this result by using the sequential continuity. Consider a
353 sequence $x^n=(e^n,(u^n,v^n)) \in \mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}^\mathds{N}$ such
354 that $d(x^n,x) \longrightarrow 0$, for some $x=(e,(u,v))\in
355 \mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$. We will show that
356 $d\left(G_f(x^n),G_f(x)\right) \longrightarrow 0$.
357 Remark that $u$ and $v$ are sequences of sequences.
358
359 As $d(x^n,x) \longrightarrow 0$, there exists 
360 $n_0\in\mathds{N}$ such that 
361 $d(x^n,x) < 10^{-(p+n \max{(\mathcal{P})})}$
362 (its $p+n \max{(\mathcal{P})}$ first digits are null). 
363 In particular, $\forall n \geqslant n_0, e^n=e$,
364 as the Hamming distance between the integral parts of
365 $x$ and $\check{x}$ is 0. Similarly, due to the nullity 
366 of the $p+n \max{(\mathcal{P})}$ first digits of 
367 $d(x^n,x)$, we can conclude that $\forall n \geqslant n_0$,
368 $(v^n)^0=v^0$, and that $\forall n \geqslant n_0$,
369 $(u^n)^0=u^0$, $(u^n)^1=u^1$, ..., $(u^n)^{v^0-1}=u^{v^0-1}$.
370 This implies that:
371 \begin{itemize}
372 \item $G_f(x^n)_1=G_f(x)_1$: they have the same
373 Boolean vector as first coordinate.
374 \item $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(\Sigma (u^n,v^n); \Sigma(u,v)) = 10^{p+n \max{(\mathcal{P})}} d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}((u^n,v^n); (u,v))$. As the right part of the equality tends
375 to 0, we can deduce that it is the case too for the left part of the equality, and so
376 $G_f(x^n)_2$ is convergent to $G_f(x)_2$.
377 \end{itemize}
378 \end{proof}
379
380
381
382 \subsection{$\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ as an extension of  $\Gamma(f)$}
383
384 Let $\mathcal{P}=\{p_1, p_2, \hdots, p_\mathsf{p}\}$.
385 We define the directed graph $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ as follows.
386 \begin{itemize}
387 \item Its vertices are the $2^\mathsf{N}$ elements of $\mathds{B}^\mathsf{N}$.
388 \item Each vertex has $\displaystyle{\sum_{i=1}^\mathsf{p} \mathsf{N}^{p_i}}$ arrows, namely all the $p_1, p_2, \hdots, p_\mathsf{p}$ tuples 
389   having their elements in $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket $.
390 \item There is an arc labeled $u_0, \hdots, u_{p_i-1}$, $i \in \llbracket 1, \mathsf{p} \rrbracket$ between vertices $x$ and $y$ if and only if 
391 $y=F_{f,p_i} (x, (u_0, \hdots, u_{p_i-1})) $.
392 \end{itemize}
393
394 It is not hard to see that the graph $\Gamma_{\{1\}}(f)$ is 
395 $\Gamma(f)$.
396
397 \begin{figure}[ht]
398   \centering
399   \begin{subfigure}[b]{0.45\textwidth}
400     \centering
401     \includegraphics[scale=0.85]{graphe1.pdf}
402     \caption{$\Gamma(f_0)$}
403     \label{graphe1}
404   \end{subfigure}%
405   ~ %add desired spacing between images, e. g. ~, \quad, \qquad, \hfill etc.
406   % (or a blank line to force the subfigure onto a new line)
407   \begin{subfigure}[b]{0.3\textwidth}
408     \centering  
409     \includegraphics[scale=0.85]{graphe2.pdf}
410     \caption{$\Gamma_{\{2,3\}}(f_0)$}
411     \label{graphe2}
412   \end{subfigure}
413   ~ %add desired spacing between images, e. g. ~, \quad, \qquad, \hfill etc.
414   \caption{Iterating $f_0:(x_1,x_2) \mapsto (\overline{x_1}, \overline{x_2})$}
415   \label{fig:itg}
416 \end{figure}
417
418
419 \begin{xpl}
420 Consider for instance $\mathsf{N}=2$, 
421 Let $f_0:\mathds{B}^2 \longrightarrow \mathds{B}^2$ be the negation function,
422 \textit{i.e.}, $f_0(x_1,x_2) = (\overline{x_1}, \overline{x_2})$, and consider
423 $\mathcal{P}=\{2,3\}$. The graphs of iterations are given in 
424 \textsc{Figure~\ref{fig:itg}}.
425 The \textsc{Figure~\ref{graphe1}} shows what happens when 
426 displaying each iteration result.
427 On the contrary, the \textsc{Figure~\ref{graphe2}} explicits the behaviors
428 when always applying either 2 or 3 modifications before generating results. 
429 Notice that here, orientations of arcs are not necessary 
430 since the function $f_0$ is equal to its inverse $f_0^{-1}$. 
431 \end{xpl}
432
433 \subsection{Proofs of chaos}
434
435 We will show that,
436 \begin{prpstn}
437 \label{prop:trans}
438  $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ is strongly connected if and only if $G_f$ is 
439 topologically transitive on $(\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}, d)$.
440 \end{prpstn}
441
442
443 \begin{proof}
444 Suppose that $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ is strongly connected. 
445 Let $x=(e,(u,v)),\check{x}=(\check{e},(\check{u},\check{v})) 
446 \in \mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$ and $\varepsilon >0$.
447 We will find a point $y$ in the open ball $\mathcal{B}(x,\varepsilon )$ and
448 $n_0 \in \mathds{N}$ such that $G_f^{n_0}(y)=\check{x}$: this strong transitivity
449 will imply the transitivity property.
450 We can suppose that $\varepsilon <1$ without loss of generality. 
451
452 Let us denote by $(E,(U,V))$  the elements of $y$. As
453 $y$ must be in $\mathcal{B}(x,\varepsilon)$ and  $\varepsilon < 1$,
454 $E$ must be equal to $e$. Let $k=\lfloor \log_{10} (\varepsilon) \rfloor +1$.
455 $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}((u,v),(U,V))$ must be lower than
456 $\varepsilon$, so the $k$ first digits of the fractional part of 
457 $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}((u,v),(U,V))$ are null.
458 Let $k_1$ the smallest integer such that, if $V^0=v^0$, ...,  $V^{k_1}=v^{k_1}$,
459  $U^0=u^0$, ..., $U^{\sum_{l=0}^{k_1}V^l-1} = u^{\sum_{l=0}^{k_1}v^l-1}$.
460 Then $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}((u,v),(U,V))<\varepsilon$.
461 In other words, any $y$ of the form $(e,((u^0, ..., u^{\sum_{l=0}^{k_1}v^l-1}),
462 (v^0, ..., v^{k_1}))$ is in $\mathcal{B}(x,\varepsilon)$.
463
464 Let $y^0$ such a point and $z=G_f^{k_1}(y^0) = (e',(u',v'))$. $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$
465 being strongly connected, there is a path between $e'$ and $\check{e}$. Denote
466 by $a_0, \hdots, a_{k_2}$ the edges visited by this path. We denote by
467 $V^{k_1}=|a_0|$ (number of terms in the finite sequence $a_1$),
468 $V^{k_1+1}=|a_1|$, ..., $V^{k_1+k_2}=|a_{k_2}|$, and by 
469 $U^{k_1}=a_0^0$, $U^{k_1+1}=a_0^1$, ..., $U^{k_1+V_{k_1}-1}=a_0^{V_{k_1}-1}$,
470 $U^{k_1+V_{k_1}}=a_1^{0}$, $U^{k_1+V_{k_1}+1}=a_1^{1}$,...
471
472 Let $y=(e,((u^0, ..., u^{\sum_{l=0}^{k_1}v^l-1}, a_0^0, ..., a_0^{|a_0|}, a_1^0, ..., a_1^{|a_1|},..., 
473  a_{k_2}^0, ..., a_{k_2}^{|a_{k_2}|},$ \linebreak
474  $\check{u}^0, \check{u}^1, ...),(v^0, ..., v^{k_1},|a_0|, ...,
475  |a_{k_2}|,\check{v}^0, \check{v}^1, ...)))$. So $y\in \mathcal{B}(x,\varepsilon)$
476  and $G_{f}^{k_1+k_2}(y)=\check{x}$.
477  
478  
479 Conversely, if $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ is not strongly connected, then there are 
480 2 vertices $e_1$ and $e_2$ such that there is no path between $e_1$ and $e_2$.
481 That is, it is impossible to find $(u,v)\in \mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$
482 and $n \mathds{N}$ such that $G_f^n(e,(u,v))_1=e_2$. The open ball $\mathcal{B}(e_2, 1/2)$
483 cannot be reached from any neighborhood of $e_1$, and thus $G_f$ is not transitive.
484 \end{proof}
485
486
487 We show now that,
488 \begin{prpstn}
489 If $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ is strongly connected, then $G_f$ is 
490 regular on $(\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}, d)$.
491 \end{prpstn}
492
493 \begin{proof}
494 Let $x=(e,(u,v)) \in \mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$ and $\varepsilon >0$. 
495 As in the proofs of Prop.~\ref{prop:trans}, let $k_1 \in \mathds{N}$ such
496 that 
497 $$\left\{(e, ((u^0, ..., u^{v^{k_1-1}},U^0, U^1, ...),(v^0, ..., v^{k_1},V^0, V^1, ...)) \mid \right.$$
498 $$\left.\forall i,j \in \mathds{N}, U^i \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket, V^j \in \mathcal{P}\right\}
499 \subset \mathcal{B}(x,\varepsilon),$$
500 and $y=G_f^{k_1}(e,(u,v))$. $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ being strongly connected,
501 there is at least a path from the Boolean state $y_1$ of $y$ and $e$.
502 Denote by $a_0, \hdots, a_{k_2}$ the edges of such a path.
503 Then the point:
504 $$(e,((u^0, ..., u^{v^{k_1-1}},a_0^0, ..., a_0^{|a_0|}, a_1^0, ..., a_1^{|a_1|},..., 
505  a_{k_2}^0, ..., a_{k_2}^{|a_{k_2}|},u^0, ..., u^{v^{k_1-1}},$$
506 $$a_0^0, ...,a_{k_2}^{|a_{k_2}|}...),(v^0, ..., v^{k_1}, |a_0|, ..., |a_{k_2}|,v^0, ..., v^{k_1}, |a_0|, ..., |a_{k_2}|,...))$$
507 is a periodic point in the neighborhood $\mathcal{B}(x,\varepsilon)$ of $x$.
508 \end{proof}
509
510 $G_f$ being topologically transitive and regular, we can thus conclude that
511 \begin{thrm}
512 The function $G_f$ is chaotic on $(\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}},d)$ if
513 and only if its iteration graph $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ is strongly connected.
514 \end{thrm}
515
516 \begin{crllr}
517   The pseudorandom number generator $\chi_{\textit{14Secrypt}}$ is not chaotic
518   on $(\mathcal{X}_{\mathsf{N},\{b\}},d)$ for the negation function.
519 \end{crllr}
520 \begin{proof}
521   In this context, $\mathcal{P}$ is the singleton $\{b\}$.
522   If $b$ is even, any vertex $e$ of $\Gamma_{\{b\}}(f_0)$ cannot reach 
523   its neighborhood and thus $\Gamma_{\{b\}}(f_0)$ is not strongly connected. 
524   If $b$ is odd, any vertex $e$ of $\Gamma_{\{b\}}(f_0)$ cannot reach itself 
525   and thus $\Gamma_{\{b\}}(f_0)$ is not strongly connected.
526 \end{proof}
527
528 The next section recalls a general scheme to produce
529 functions and a iteration number $b$
530 such that $\Gamma_{\{b\}}$ is strongly connected.
531
532
533 %%% Local Variables:
534 %%% mode: latex
535 %%% TeX-master: "main"
536 %%% ispell-dictionary: "american"
537 %%% mode: flyspell
538 %%% End: