]> AND Private Git Repository - HindawiJournalOfChaos.git/blob - IH/notations.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
abstract, conclusion
[HindawiJournalOfChaos.git] / IH / notations.tex
1 \section{Notations and Terminologies}
2 \label{not}
3 % \subsection{Notations}
4\r
5 In what follows, $\mathbb{B}$ denotes the Boolean set $\{0,1\}$,\r
6 $S^{n}$ stands for the $n^{th}$ term of a sequence $S$,\r
7 $V_{i}$ is for the $i^{th}$ component of a vector $V$, and \r
8 $\llbracket0;N\rrbracket$ is the integer interval $\{0,1,\hdots,N\}$.
9
10 %\begin{color}{red} Compléter éventuellement les notations\end{color}.
11 \r
12 % Furthermore, the following definitions will be used in this document.\r
13\r
14 % \begin{Def}%[Discrete Boolean metric]\r
15 % \label{def:discret-Boolean-metric}\r
16 % The \emph{discrete Boolean metric} is the\r
17 % application $\delta: \mathds{B} \longrightarrow \mathds{B}$ defined by\r
18 % $\delta(x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$\r
19 % \end{Def}\r
20\r
21
22 \subsection{The mathematical theory of chaos}
23
24
25 From  a  mathematical point  of  view,  deterministic  chaos has  been
26 thoroughly studied  these last decades, with  different research works
27 that  have   provided  various  definitions  of   chaos.   Among  these
28 definitions, the  one given  by Devaney~\cite{Devaney} is  perhaps one of the
29 most established ones.
30
31 Consider  a topological  space $(\mathcal{X},\tau)$  and  a continuous
32 function $f$ on  $\mathcal{X}$.  Topological transitivity occurs when,
33 for  any point, any  neighborhood of  its future  evolution eventually
34 overlap with any other given region. More precisely,
35
36 \begin{Def}
37  $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair
38  of open sets $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that
39  $f^k(U) \cap V \neq \emptyset$.
40 \end{Def}
41
42 This property  implies that a  dynamical system cannot be  broken into
43 simpler  subsystems.  It  is intrinsically  complicated and  cannot be
44 simplified.  Besides, a dense set  of periodic points is an element of
45 regularity that a chaotic dynamical system has to exhibit.
46
47 \begin{Def}
48  An element (a point) $x$ is a \emph{periodic element} (point) for
49  $f$ of period $n\in \mathds{N}^*,$ if $f^{n}(x)=x$.
50  % The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
51 \end{Def}
52
53 \begin{Def}
54  $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set
55  of periodic points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point
56  $x$ in $\mathcal{X}$, any neighborhood of $x$ contains at least one
57  periodic point.
58 \end{Def}
59
60 This  regularity ``counteracts'' the  effects of  transitivity.  Thus,
61 due to these two properties, two points close to each other can behave
62 in a completely different  manner, leading to unpredictability for the
63 whole system.  Then,
64
65 \begin{Def}[Devaney's chaos]
66  $f$ is said to be \emph{chao\-tic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is
67  regular and topologically transitive.
68 \end{Def}
69
70 The chaos property is related to the notion of ``sensitivity'',
71 defined on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
72
73 \begin{Def} \label{sensitivity} 
74  $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions} if there
75  exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
76  neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n \geq 0$ such
77  that $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $. 
78  
79  $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
80 \end{Def}
81
82 Indeed, Banks  \emph{et al.}  have proven in~\cite{Banks92}  that when
83 $f$ is chaotic and $(\mathcal{X}, d)$  is a metric space, then $f$ has
84 the  property  of sensitive  dependence  on  initial conditions  (this
85 property was formerly an element  of the definition of chaos).  
86 % To sum
87 % up, quoting Devaney in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is
88 % unpredictable   because  of  the   sensitive  dependence   on  initial
89 % conditions.   It  cannot  be   broken  down  or  simplified  into  two
90 % subsystems which do not  interact because of topological transitivity.
91 % And  in the midst  of this  random behavior,  we nevertheless  have an
92 % element  of  regularity''.    Fundamentally  different  behaviors  are
93 % consequently possible and occur in an unpredictable way.
94
95
96 \subsection{Chaotic iterations and watermarking scheme}\r
97 \label{sec:chaotic iterations}\r
98 \r
99 \r
100 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in\r
101 \mathds{N}^*$ of \emph{cells}, so that each  cell has a\r
102 Boolean  \emph{state}. A sequence which  elements belong into $\llbracket 1;\mathsf{N}\r
103 \rrbracket $ is a \emph{strategy}. Finally, the set of all strategies is\r
104 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$\r
105 \r
106 \begin{Def}\r
107 \label{Def:chaotic iterations}\r
108 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let\r
109 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be\r
110 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$.  The  \r
111 \emph{chaotic      iterations}  (CIs)   are     defined      by     $x^0\in\r
112 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and\r
113 \begin{equation*}\r
114 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in\r
115 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{\r
116 \begin{array}{ll}\r
117   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\\r
118   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.\r
119 \end{array}\right.\r
120 \end{equation*}\r
121 \end{Def}\r
122 \r
123 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is\r
124 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .\r
125 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations\r
126 are continuous~\cite{guyeux10}.\r
127 \r
128 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta\r
129 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function:\r
130 \begin{equation*}\r
131 \begin{array}{ll}\r
132 F_{f}: & \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} \r
133 \longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\\r
134 & (k,E)  \longmapsto  \left( E_{j}.\delta (k,j)+f(E)_{k}.\overline{\delta\r
135 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket}%\r
136 \end{array}%\r
137 \end{equation*}%\r
138 \noindent Consider the phase space\r
139 %\begin{equation}\r
140 $\mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times\r
141 \mathds{B}^\mathsf{N}$,\r
142 %\end{equation}\r
143 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$ by:\r
144 \begin{equation}\r
145 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}\r
146 \end{equation}\r
147 \noindent where $\sigma :\r
148 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in\r
149 \mathds{N}}$ and %$i$ is the \emph{initial function} \r
150 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}$. Then chaotic iterations  can be described by \r
151 the following discrete dynamical system:\r
152 \begin{equation}\r
153 \left\{\r
154 \begin{array}{l}\r
155 X^0 \in \mathcal{X} \\\r
156 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%\r
157 \end{array}%\r
158 \right.\r
159 \end{equation}%\r
160 \r
161 To study whether this dynamical system is chaotic~\cite{Devaney}, a distance between  $X = (S,E), Y =\r
162 (\check{S},\check{E})\in\r
163 \mathcal{X}$ has been introduced in~\cite{guyeux10} as follows:\r
164 $d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S})$, where \r
165 \begin{itemize}\r
166 \item $\displaystyle{d_{e}(E,\check{E})}  =  \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%\r
167 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}$, \r
168 \item $\displaystyle{d_{s}(S,\check{S})}  =  \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%\r
169 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S_k-\check{S}_k|}{10^{k}}}.$\r
170 \end{itemize}\r
171 \r
172 \r
173 This distance has been introduced to satisfy the following requirements. If the floor\r
174 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$\r
175 differ in $n$ cells. In addition, its floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first\r
176 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is\r
177 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.\r
178 With this metric, it has been proven that~\cite{guyeux10},\r
179 \r
180 \begin{Th}\r
181 $G_{f_{0}}$ is continuous and chaotic in $(\mathcal{X},d)$.\r
182 \end{Th}\r
183 \r
184 \r
185 \r