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[hdrcouchot.git] / chaosANN.tex
1 % \section{Introduction}
2 % \label{S1}
3
4 Les réseaux de neurones chaotiques ont été étudiés à de maintes reprises 
5 par le passé en raison notamment de leurs applications potentielles:
6 %les mémoires associatives~\cite{Crook2007267}  
7 les  composants utils à la  sécurité comme les fonctions de 
8 hachage~\cite{Xiao10},
9 le tatouage numérique~\cite{1309431,Zhang2005759}
10 ou les schémas de chiffrement~\cite{Lian20091296}.  
11 Dans tous ces cas, l'emploi de fonctions chaotiques est motivé par 
12 leur comportement imprévisibile et proche de l'aléa. 
13
14
15 Les réseaux de neurones chaotiques peuvent être conçus selon plusieurs 
16 principes. Des neurones modifiant leur état en suivant une fonction non 
17 linéaire son par exemple appelés neurones chaotiques~\cite{Crook2007267}.
18 L'architecture de réseaux de neurones de type Perceptron multi-couches
19 (MLP) n'iterent quant à eux, pas nécesssairement de fonctions chaotiques.
20 Il a cependant été démontré  que ce sont des approximateurs 
21 universels~\cite{Cybenko89,DBLP:journals/nn/HornikSW89}.   
22 Ils permettent, dans certains cas, de simuler des comportements 
23 physiques chaotiques comme le  circuit de Chua~\cite{dalkiran10}.  
24 Parfois~\cite{springerlink:10.1007/s00521-010-0432-2},
25 la fonction de transfert de cette famille de réseau celle 
26 d'initialisation sont toutes les deux définies à l'aide de 
27 fonctions chaotiques. 
28
29
30
31
32
33 Ces réseaux de neurones partagent le fait qu'ils sont qualifiés de 
34 ``chaotiques'' sous prétexte qu'ils embarquent une fonction de ce type 
35 et ce sans aucune preuve rigoureuse. Ce chapitre caractérise la 
36 classe des réseaux de neurones MLP chaotiques. Il  
37 s'intéresse ensuite à l'étude de prévisibilité de systèmes dynamiques
38 discrets chaotiques par cette famille de MLP.
39
40 \JFC{revoir plan}
41
42 The remainder of this research  work is organized as follows. The next
43 section is devoted to the basics of Devaney's chaos.  Section~\ref{S2}
44 formally  describes  how  to  build  a neural  network  that  operates
45 chaotically.  Section~\ref{S3} is devoted to the dual case of checking
46 whether  an existing neural  network is  chaotic or  not.  Topological
47 properties of chaotic neural networks are discussed in Sect.~\ref{S4}.
48 The  Section~\ref{section:translation}  shows  how to  translate  such
49 iterations  into  an Artificial  Neural  Network  (ANN),  in order  to
50 evaluate the  capability for this  latter to learn  chaotic behaviors.
51 This  ability  is  studied in  Sect.~\ref{section:experiments},  where
52 various ANNs try to learn two  sets of data: the first one is obtained
53 by chaotic iterations while the  second one results from a non-chaotic
54 system.  Prediction success rates are  given and discussed for the two
55 sets.  The paper ends with a conclusion section where our contribution
56 is summed up and intended future work is exposed.
57
58
59 \section{Un réseau de neurones chaotique au sens de Devaney}
60 \label{S2}
61
62 On considère une fonction 
63 $f:\Bool^n\to\Bool^n$ telle que  $\textsc{giu}(f)$ est fortement connexe.
64 Ainsi $G_{f_u}$ est chaotique d'après le théorème~\ref{Th:CaracIC}.
65
66 On considère ici le schéma unaire défini par l'équation (\ref{eq:asyn}).
67 On construit un perceptron multi-couche associé à la fonction  
68 $F_{f_u}$. 
69 Plus précisément, pour chaque entrée 
70  $(x,s)   \in  \mathds{B}^n \times [n]$,
71 la couche de sortie doit générer $F_{f_u}(x,s)$.   
72 On peut ainsi lier la couche de sortie avec celle d'entrée pour représenter 
73 les dépendance entre deux itérations successives.
74 On obtient une réseau de neurones dont le comportement est le suivant 
75 (voir Figure.~\ref{Fig:perceptron}):
76
77 \begin{itemize}
78 \item   Le réseau est initialisé avec le vecteur d'entrée
79   $\left(x^0,S^0\right)  \mathds{B}^n \times [n]$      
80   et calcule le  vecteur de sortie 
81   $x^1=F_{f_u}\left(x^0,S^0\right)$. 
82   Ce vecteur est publié comme une sortie et est aussi retournée sur la couche d'entrée 
83   à travers les liens de retours.
84 \item Lorsque le réseau est  activé à la $t^{th}$  itération, l'état du 
85   système $x^t  \in \mathds{B}^n$ reçu depuis la couche de sortie ainsi que le 
86   premier terme de la  sequence $(S^t)^{t  \in \Nats}$
87   (\textit{i.e.},  $S^0  \in [n]$)  servent à construire le nouveau vecteur de sortie.
88   Ce nouveau vecteur, qui représente le nouvel état du système dynamique, satisfait:
89   \begin{equation}
90     x^{t+1}=F_{f_u}(x^t,S^0) \in \mathds{B}^n \enspace .
91   \end{equation}
92 \end{itemize}
93
94 \begin{figure}
95   \centering
96   \includegraphics[scale=0.625]{images/perceptron}
97   \caption{Un perceptron équivalent  aux itérations unitaires}
98   \label{Fig:perceptron}
99 \end{figure}
100
101 Le comportement de ce réseau de neurones est tel que lorsque l'état 
102 initial est composé de $x^0~\in~\mathds{B}^n$ et d'une séquence
103  $(S^t)^{t  \in \Nats}$, alors la séquence  contenant les vecteurs successifs 
104 publiés $\left(x^t\right)^{t \in \mathds{N}^{\ast}}$ est exactement celle produite 
105 par les itérations unaires décrites à la section~\ref{sec:TIPE12}.
106 Mathématiquement, cela signifie que si on utilise les mêmes vecteurs d'entrées
107 les deux approches génèrent successivement les mêmes sorties.
108 En d'autres termes ce réseau de neurones modélise le comportement de  
109 $G_{f_u}$,  dont les itérations sont chaotiques sur $\mathcal{X}_u$.
110 On peut donc le  qualifier de chaotique au sens de Devaney.
111
112 \section{Vérifier si un réseau de neurones est chaotique}
113 \label{S3}
114 On s'intéresse maintenant au cas où l'on dispose d'un
115 réseau de neurones de type perceptron multi-couches
116 dont on cherche à savoir s'il est chaotique (parce qu'il a par exemple été 
117 déclaré comme tel) au sens de Devaney. 
118 On considère de plus que sa topologie est la suivante:
119 l'entrée est constituée de  $n$ bits et un entier, la sortie est constituée de $n$ bits
120 et chaque sortie est liée à une entrée par une boucle.
121
122 \begin{itemize}
123 \item Le réseau est initialisé avec  $n$~bits
124    $\left(x^0_1,\dots,x^0_n\right)$ et une valeur entière $S^0 \in [n]$.
125 \item  A l'itération~$t$,     le vecteur 
126   $\left(x^t_1,\dots,x^t_n\right)$  permet de construire les $n$~bits 
127   servant de sortie $\left(x^{t+1}_1,\dots,x^{t+1}_n\right)$.
128 \end{itemize}
129
130 Le comportement de ce type de réseau de neurones peut être prouvé comme 
131 étant chaotique en suivant la démarche énoncée maintenant.
132 On nomme tout d'abord $F:    \mathds{B}^n  \times [n] \rightarrow
133 \mathds{B}^n$     la      fonction qui associe  
134 au vecteur 
135 $\left(\left(x_1,\dots,x_n\right),s\right)    \in   \mathds{B}^n \times[n]$ 
136 le vecteur 
137 $\left(y_1,\dots,y_n\right)       \in       \mathds{B}^n$, où
138 $\left(y_1,\dots,y_n\right)$  sont les sorties du réseau neuronal
139 àaprès l'initialisation de la couche d'entrée avec 
140 $\left(s,\left(x_1,\dots, x_n\right)\right)$.  Ensuite, on définie $f:
141 \mathds{B}^n       \rightarrow      \mathds{B}^n$  telle que 
142 $f\left(x_1,x_2,\dots,x_n\right)$ est égal à 
143 \begin{equation}
144 \left(F\left(\left(x_1,x_2,\dots,x_n\right),1\right),\dots,
145   F\left(\left(x_1,x_2,\dots,x_n\right)\right),n\right) \enspace .
146 \end{equation}
147 Ainsi pour chaque $j$, $1 \le j \le n$, on a 
148 $f_j\left(x_1,x_2,\dots,x_n\right) = 
149 F\left(\left(x_1,x_2,\dots,x_n\right),j\right)$.
150 Si ce réseau de neurones est initialisé avec 
151 $\left(x_1^0,\dots,x_n^0\right)$   et $S   \in    [n]^{\mathds{N}}$, 
152 il produit exactement les même sorties que les itérations de  $F_{f_u}$ avec une 
153 condition initiale $\left((x_1^0,\dots,  x_n^0),S\right)  \in  \mathds{B}^n \times [n]^{\mathds{N}}$.
154 Les itérations de $F_{f_u}$ 
155 sont donc un modèle formel de cette classe de réseau de neurones.
156 Pour vérifier si un de ces représentants est chaotique, il suffit ainsi 
157 de vérifier si le graphe d'itérations
158 $\textsc{giu}(f)$ est fortement connexe.
159
160
161 \section{Un réseau de neurones peut-il approximer un 
162 des itération unaires chaotiques?}
163
164 Cette section s'intéresse à étudier le comportement d'un réseau de neurones 
165 face à des itérations unaires chaotiques, comme définies à 
166 la section~\ref{sec:TIPE12}.
167 Plus précésment, on considère dans cette partie une fonction  dont le graphe 
168 des itérations unaires est fortement connexe et une séquence dans 
169 $[n]^{\mathds{N}}$. On cherche à construire un réseau de neurones
170 qui approximerait les itérations de la fonction $G_{f_u}$ comme définie 
171 à l'équation~(\ref{eq:sch:unaire}).
172
173 Sans perte de généralité, on considère dans ce qui suit une instance
174 de de fonction à quatre éléments.
175
176 \subsection{Construction du réseau} 
177 \label{section:translation}
178
179 On considère par exemple les deux fonctions $f$ and $g$ de0 $\Bool^4$
180 dans $\Bool^4$ définies par:
181
182 \begin{eqnarray*}
183 f(x_1,x_2,x_3,x_4) &= &
184 (x_1(x_2+x_4)+ \overline{x_2}x_3\overline{x_4},
185 x_2,
186 x_3(\overline{x_1}.\overline{x_4}+x_2x_4+x_1\overline{x_2}),
187 x_4+\overline{x_2}x_3) \\
188 g(x_1,x_2,x_3,x_4) &= &
189 (\overline{x_1},
190 \overline{x_2}+ x_1.\overline{x_3}.\overline{x_4},
191 \overline{x_3}(x_1 + x_2+x_4),
192 \overline{x_4}(x_1 + \overline{x_2}+\overline{x_3}))
193 \end{eqnarray*}
194 On peut vérifier facilement que le graphe $\textsc{giu}(f)$ 
195 n'est pas fortement connexe car $(1,1,1,1)$ est un point fixe de $f$
196 tandis que le graphe $\textsc{giu}(g)$ l'est.   
197
198 L'entrée du réseau est une paire de la forme 
199 $(x,(S^t)^{t  \in  \Nats})$ et sa sortie correspondante est
200 de la forme  $\left(F_{h_u}(S^0,x), \sigma((S^t)^{t          \in
201   \Nats})\right)$ comme définie à l'équationà l'équation~(\ref{eq:sch:unaire}).
202
203
204
205 Firstly, let us focus on how to memorize configurations.  Two distinct
206 translations are  proposed.  In the first  case, we take  one input in
207 $\Bool$  per  component;  in   the  second  case,  configurations  are
208 memorized  as   natural  numbers.    A  coarse  attempt   to  memorize
209 configuration  as  natural  number  could  consist  in  labeling  each
210 configuration  with  its  translation  into  decimal  numeral  system.
211 However,  such a  representation induces  too many  changes  between a
212 configuration  labeled by  a  power  of two  and  its direct  previous
213 configuration: for instance, 16~(10000)  and 15~(01111) are close in a
214 decimal ordering, but  their Hamming distance is 5.   This is why Gray
215 codes~\cite{Gray47} have been preferred.
216
217 Secondly, let us detail how to deal with strategies.  Obviously, it is
218 not possible to  translate in a finite way  an infinite strategy, even
219 if both $(S^t)^{t \in \Nats}$ and $\sigma((S^t)^{t \in \Nats})$ belong
220 to  $\{1,\ldots,n\}^{\Nats}$.  Input  strategies are  then  reduced to
221 have a length of size $l \in \llbracket 2,k\rrbracket$, where $k$ is a
222 parameter of the evaluation. Notice  that $l$ is greater than or equal
223 to $2$ since  we do not want the shift  $\sigma$~function to return an
224 empty strategy.  Strategies are memorized as natural numbers expressed
225 in base  $n+1$.  At  each iteration, either  none or one  component is
226 modified  (among the  $n$ components)  leading to  a radix  with $n+1$
227 entries.  Finally,  we give an  other input, namely $m  \in \llbracket
228 1,l-1\rrbracket$, which  is the  number of successive  iterations that
229 are applied starting  from $x$.  Outputs are translated  with the same
230 rules.
231
232 To address  the complexity  issue of the  problem, let us  compute the
233 size of the data set an ANN has to deal with.  Each input vector of an
234 input-output pair  is composed of a configuration~$x$,  an excerpt $S$
235 of the strategy to iterate  of size $l \in \llbracket 2, k\rrbracket$,
236 and a  number $m \in  \llbracket 1, l-1\rrbracket$ of  iterations that
237 are executed.
238
239 Firstly, there are $2^n$  configurations $x$, with $n^l$ strategies of
240 size $l$ for  each of them. Secondly, for  a given configuration there
241 are $\omega = 1 \times n^2 +  2 \times n^3 + \ldots+ (k-1) \times n^k$
242 ways  of writing  the pair  $(m,S)$. Furthermore,  it is  not  hard to
243 establish that
244 \begin{equation}
245 \displaystyle{(n-1) \times \omega = (k-1)\times n^{k+1} - \sum_{i=2}^k n^i} \nonumber
246 \end{equation}
247 then
248 \begin{equation}
249 \omega =
250 \dfrac{(k-1)\times n^{k+1}}{n-1} - \dfrac{n^{k+1}-n^2}{(n-1)^2} \enspace . \nonumber
251 \end{equation}
252 \noindent And then, finally, the number of  input-output pairs for our 
253 ANNs is 
254 $$
255 2^n \times \left(\dfrac{(k-1)\times n^{k+1}}{n-1} - \dfrac{n^{k+1}-n^2}{(n-1)^2}\right) \enspace .
256 $$
257 For  instance, for $4$  binary components  and a  strategy of  at most
258 $3$~terms we obtain 2304~input-output pairs.
259
260 \subsection{Experiments}
261 \label{section:experiments}
262
263 To study  if chaotic iterations can  be predicted, we  choose to train
264 the multilayer perceptron.  As stated  before, this kind of network is
265 in  particular  well-known for  its  universal approximation  property
266 \cite{Cybenko89,DBLP:journals/nn/HornikSW89}.  Furthermore,  MLPs have
267 been  already  considered for  chaotic  time  series prediction.   For
268 example,   in~\cite{dalkiran10}  the   authors  have   shown   that  a
269 feedforward  MLP with  two hidden  layers, and  trained  with Bayesian
270 Regulation  back-propagation, can learn  successfully the  dynamics of
271 Chua's circuit.
272
273 In  these experiments  we consider  MLPs  having one  hidden layer  of
274 sigmoidal  neurons  and  output   neurons  with  a  linear  activation
275 function.     They    are    trained    using    the    Limited-memory
276 Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno quasi-newton algorithm in combination
277 with the Wolfe linear search.  The training process is performed until
278 a maximum number of epochs  is reached.  To prevent overfitting and to
279 estimate the  generalization performance we use  holdout validation by
280 splitting the  data set into  learning, validation, and  test subsets.
281 These subsets  are obtained through  random selection such  that their
282 respective size represents 65\%, 10\%, and 25\% of the whole data set.
283
284 Several  neural  networks  are  trained  for  both  iterations  coding
285 schemes.   In  both  cases   iterations  have  the  following  layout:
286 configurations of  four components and  strategies with at  most three
287 terms. Thus, for  the first coding scheme a data  set pair is composed
288 of 6~inputs and 5~outputs, while for the second one it is respectively
289 3~inputs and 2~outputs. As noticed at the end of the previous section,
290 this  leads to  data sets  that  consist of  2304~pairs. The  networks
291 differ  in the  size of  the hidden  layer and  the maximum  number of
292 training epochs.  We remember that  to evaluate the ability  of neural
293 networks to  predict a  chaotic behavior for  each coding  scheme, the
294 trainings of two data sets, one of them describing chaotic iterations,
295 are compared.
296
297 Thereafter we give,  for the different learning setups  and data sets,
298 the mean prediction success rate obtained for each output. Such a rate
299 represents the percentage of  input-output pairs belonging to the test
300 subset  for  which  the   corresponding  output  value  was  correctly
301 predicted.   These values are  computed considering  10~trainings with
302 random  subsets  construction,   weights  and  biases  initialization.
303 Firstly, neural networks having  10 and 25~hidden neurons are trained,
304 with   a  maximum   number  of   epochs  that   takes  its   value  in
305 $\{125,250,500\}$  (see Tables~\ref{tab1} and  \ref{tab2}).  Secondly,
306 we refine the second coding scheme by splitting the output vector such
307 that   each  output   is  learned   by  a   specific   neural  network
308 (Table~\ref{tab3}). In  this last  case, we increase  the size  of the
309 hidden layer up to 40~neurons and we consider larger number of epochs.
310
311 \begin{table}[htbp!]
312 \caption{Prediction success rates for configurations expressed as boolean vectors.}
313 \label{tab1}
314 \centering {\small
315 \begin{tabular}{|c|c||c|c|c|}
316 \hline 
317 \multicolumn{5}{|c|}{Networks topology: 6~inputs, 5~outputs, and one hidden layer} \\
318 \hline
319 \hline
320 \multicolumn{2}{|c||}{Hidden neurons} & \multicolumn{3}{c|}{10 neurons} \\
321 \cline{3-5} 
322 \multicolumn{2}{|c||}{Epochs} & 125 & 250 & 500 \\ 
323 \hline
324 \multirow{6}{*}{\rotatebox{90}{Chaotic}}&Output~(1) & 90.92\% & 91.75\% & 91.82\% \\ 
325 & Output~(2) & 69.32\% & 78.46\% & 82.15\% \\
326 & Output~(3) & 68.47\% & 78.49\% & 82.22\% \\
327 & Output~(4) & 91.53\% & 92.37\% & 93.4\% \\
328 & Config. & 36.10\% & 51.35\% & 56.85\% \\
329 & Strategy~(5) & 1.91\% & 3.38\% & 2.43\% \\
330 \hline
331 \multirow{6}{*}{\rotatebox{90}{Non-chaotic}}&Output~(1) & 97.64\% & 98.10\% & 98.20\% \\
332 & Output~(2) & 95.15\% & 95.39\% & 95.46\% \\
333 & Output~(3) & 100\% & 100\% & 100\% \\
334 & Output~(4) & 97.47\% & 97.90\% & 97.99\% \\
335 & Config. & 90.52\% & 91.59\% & 91.73\% \\
336 & Strategy~(5) & 3.41\% & 3.40\% & 3.47\% \\
337 \hline
338 \hline
339 \multicolumn{2}{|c||}{Hidden neurons} & \multicolumn{3}{c|}{25 neurons} \\ %& \multicolumn{3}{|c|}{40 neurons} \\
340 \cline{3-5} 
341 \multicolumn{2}{|c||}{Epochs} & 125 & 250 & 500 \\ %& 125 & 250 & 500 \\ 
342 \hline
343 \multirow{6}{*}{\rotatebox{90}{Chaotic}}&Output~(1) & 91.65\% & 92.69\% & 93.93\% \\ %& 91.94\% & 92.89\% & 94.00\% \\
344 & Output~(2) & 72.06\% & 88.46\% & 90.5\% \\ %& 74.97\% & 89.83\% & 91.14\% \\
345 & Output~(3) & 79.19\% & 89.83\% & 91.59\% \\ %& 76.69\% & 89.58\% & 91.84\% \\
346 & Output~(4) & 91.61\% & 92.34\% & 93.47\% \\% & 82.77\% & 92.93\% & 93.48\% \\
347 & Config. & 48.82\% & 67.80\% & 70.97\% \\%& 49.46\% & 68.94\% & 71.11\% \\
348 & Strategy~(5) & 2.62\% & 3.43\% & 3.78\% \\% & 3.10\% & 3.10\% & 3.03\% \\
349 \hline
350 \multirow{6}{*}{\rotatebox{90}{Non-chaotic}}&Output~(1) & 97.87\% & 97.99\% & 98.03\% \\ %& 98.16\% \\
351 & Output~(2) & 95.46\% & 95.84\% & 96.75\% \\ % & 97.4\% \\
352 & Output~(3) & 100\% & 100\% & 100\% \\%& 100\% \\
353 & Output~(4) & 97.77\% & 97.82\% & 98.06\% \\%& 98.31\% \\
354 & Config. & 91.36\% & 91.99\% & 93.03\% \\%& 93.98\% \\
355 & Strategy~(5) & 3.37\% & 3.44\% & 3.29\% \\%& 3.23\% \\
356 \hline
357 \end{tabular}
358 }
359 \end{table}
360
361 Table~\ref{tab1}  presents the  rates  obtained for  the first  coding
362 scheme.   For  the chaotic  data,  it can  be  seen  that as  expected
363 configuration  prediction becomes  better  when the  number of  hidden
364 neurons and maximum  epochs increases: an improvement by  a factor two
365 is observed (from 36.10\% for 10~neurons and 125~epochs to 70.97\% for
366 25~neurons  and  500~epochs). We  also  notice  that  the learning  of
367 outputs~(2)   and~(3)  is   more  difficult.    Conversely,   for  the
368 non-chaotic  case the  simplest training  setup is  enough  to predict
369 configurations.  For all these  feedforward network topologies and all
370 outputs the  obtained results for the non-chaotic  case outperform the
371 chaotic  ones. Finally,  the rates  for the  strategies show  that the
372 different feedforward networks are unable to learn them.
373
374 For  the  second  coding   scheme  (\textit{i.e.},  with  Gray  Codes)
375 Table~\ref{tab2} shows  that any network learns about  five times more
376 non-chaotic  configurations than  chaotic  ones.  As  in the  previous
377 scheme,       the      strategies      cannot       be      predicted.
378 Figures~\ref{Fig:chaotic_predictions}                              and
379 \ref{Fig:non-chaotic_predictions} present the predictions given by two
380 feedforward multilayer  perceptrons that were  respectively trained to
381 learn chaotic  and non-chaotic data,  using the second  coding scheme.
382 Each figure  shows for  each sample of  the test  subset (577~samples,
383 representing 25\%  of the 2304~samples) the  configuration that should
384 have been predicted and the one given by the multilayer perceptron. It
385 can be  seen that for  the chaotic data  the predictions are  far away
386 from the  expected configurations.  Obviously,  the better predictions
387 for the non-chaotic data reflect their regularity.
388
389 Let us now compare the  two coding schemes. Firstly, the second scheme
390 disturbs  the   learning  process.   In   fact  in  this   scheme  the
391 configuration is always expressed as  a natural number, whereas in the
392 first one  the number  of inputs follows  the increase of  the Boolean
393 vectors coding configurations. In this latter case, the coding gives a
394 finer information on configuration evolution.
395 \begin{table}[b]
396 \caption{Prediction success rates for configurations expressed with Gray code}
397 \label{tab2}
398 \centering
399 \begin{tabular}{|c|c||c|c|c|}
400 \hline 
401 \multicolumn{5}{|c|}{Networks topology: 3~inputs, 2~outputs, and one hidden layer} \\
402 \hline
403 \hline
404 & Hidden neurons & \multicolumn{3}{c|}{10 neurons} \\
405 \cline{2-5}
406 & Epochs & 125 & 250 & 500 \\ %& 1000 
407 \hline
408 \multirow{2}{*}{Chaotic}& Config.~(1) & 13.29\% & 13.55\% & 13.08\% \\ %& 12.5\%
409 & Strategy~(2) & 0.50\% & 0.52\% & 1.32\% \\ %& 1.42\%
410 \hline
411 \multirow{2}{*}{Non-Chaotic}&Config.~(1) & 77.12\% & 74.00\% & 72.60\% \\ %& 75.81\% 
412 & Strategy~(2) & 0.42\% & 0.80\% & 1.16\% \\ %& 1.42\% 
413 \hline
414 \hline
415 & Hidden neurons & \multicolumn{3}{c|}{25 neurons} \\
416 \cline{2-5}
417 & Epochs & 125 & 250 & 500 \\ %& 1000 
418 \hline
419 \multirow{2}{*}{Chaotic}& Config.~(1) & 12.27\% & 13.15\% & 13.05\% \\ %& 15.44\%
420 & Strategy~(2) & 0.71\% & 0.66\% & 0.88\% \\ %& 1.73\%
421 \hline
422 \multirow{2}{*}{Non-Chaotic}&Config.~(1) & 73.60\% & 74.70\% & 75.89\% \\ %& 68.32\%
423 & Strategy~(2) & 0.64\% & 0.97\% & 1.23\% \\ %& 1.80\%
424 \hline
425 \end{tabular}
426 \end{table}
427
428 \begin{figure}
429   \centering
430   \includegraphics[scale=0.5]{images/chaotic_trace2}
431   \caption {Second coding scheme - Predictions obtained for a chaotic test subset.}
432   \label{Fig:chaotic_predictions}
433 \end{figure}
434
435 \begin{figure}
436   \centering
437   \includegraphics[scale=0.5]{images/non-chaotic_trace2} 
438   \caption{Second coding scheme - Predictions obtained for a non-chaotic test subset.}
439   \label{Fig:non-chaotic_predictions}
440 \end{figure}
441
442 Unfortunately, in  practical applications the number  of components is
443 usually  unknown.   Hence, the  first  coding  scheme  cannot be  used
444 systematically.   Therefore, we  provide  a refinement  of the  second
445 scheme: each  output is learned  by a different  ANN. Table~\ref{tab3}
446 presents the  results for  this approach.  In  any case,  whatever the
447 considered feedforward  network topologies, the  maximum epoch number,
448 and the kind of iterations, the configuration success rate is slightly
449 improved.   Moreover, the  strategies predictions  rates  reach almost
450 12\%, whereas in Table~\ref{tab2} they never exceed 1.5\%.  Despite of
451 this improvement,  a long term prediction of  chaotic iterations still
452 appear to be an open issue.
453
454 \begin{table}
455 \caption{Prediction success rates for split outputs.}
456 \label{tab3}
457 \centering
458 \begin{tabular}{|c||c|c|c|}
459 \hline 
460 \multicolumn{4}{|c|}{Networks topology: 3~inputs, 1~output, and one hidden layer} \\
461 \hline
462 \hline
463 Epochs & 125 & 250 & 500 \\ 
464 \hline
465 \hline
466 Chaotic & \multicolumn{3}{c|}{Output = Configuration} \\
467 \hline
468 10~neurons & 12.39\% & 14.06\% & 14.32\% \\
469 25~neurons & 13.00\% & 14.28\% & 14.58\% \\
470 40~neurons & 11.58\% & 13.47\% & 14.23\% \\
471 \hline
472 \hline
473 Non chaotic & \multicolumn{3}{c|}{Output = Configuration} \\
474 \cline{2-4}
475 %Epochs & 125 & 250 & 500 \\ 
476 \hline
477 10~neurons & 76.01\% & 74.04\% & 78.16\% \\
478 25~neurons & 76.60\% & 72.13\% & 75.96\% \\
479 40~neurons & 76.34\% & 75.63\% & 77.50\% \\
480 \hline
481 \hline
482 Chaotic/non chaotic & \multicolumn{3}{c|}{Output = Strategy} \\
483 \cline{2-4}
484 %Epochs & 125 & 250 & 500 \\ 
485 \hline
486 10~neurons & 0.76\% & 0.97\% & 1.21\% \\
487 25~neurons & 1.09\% & 0.73\% & 1.79\% \\
488 40~neurons & 0.90\% & 1.02\% & 2.15\% \\
489 \hline
490 \multicolumn{4}{c}{} \\
491 \hline
492 Epochs & 1000 & 2500 & 5000 \\ 
493 \hline
494 \hline
495 Chaotic & \multicolumn{3}{c|}{Output = Configuration} \\
496 \hline
497 10~neurons & 14.51\% & 15.22\% & 15.22\% \\
498 25~neurons & 16.95\% & 17.57\% & 18.46\% \\
499 40~neurons & 17.73\% & 20.75\% & 22.62\% \\
500 \hline
501 \hline
502 Non chaotic & \multicolumn{3}{c|}{Output = Configuration} \\
503 \cline{2-4}
504 %Epochs & 1000 & 2500 & 5000 \\ 
505 \hline
506 10~neurons & 78.98\% & 80.02\% & 79.97\% \\
507 25~neurons & 79.19\% & 81.59\% & 81.53\% \\
508 40~neurons & 79.64\% & 81.37\% & 81.37\% \\
509 \hline
510 \hline
511 Chaotic/non chaotic & \multicolumn{3}{c|}{Output = Strategy} \\
512 \cline{2-4}
513 %Epochs & 1000 & 2500 & 5000 \\ 
514 \hline
515 10~neurons & 3.47\% & 9.98\% & 11.66\% \\
516 25~neurons & 3.92\% & 8.63\% & 10.09\% \\
517 40~neurons & 3.29\% & 7.19\% & 7.18\% \\
518 \hline
519 \end{tabular}
520 \end{table}
521
522 \section{Conclusion}
523
524 In  this paper,  we have  established an  equivalence  between chaotic
525 iterations,  according to  the Devaney's  definition of  chaos,  and a
526 class  of multilayer  perceptron  neural networks.   Firstly, we  have
527 described how to build a neural network that can be trained to learn a
528 given chaotic map function. Secondly,  we found a condition that allow
529 to check whether  the iterations induced by a  function are chaotic or
530 not, and thus  if a chaotic map is obtained.  Thanks to this condition
531 our  approach is not  limited to  a particular  function. In  the dual
532 case, we show that checking if a neural network is chaotic consists in
533 verifying  a property  on an  associated  graph, called  the graph  of
534 iterations.   These results  are valid  for recurrent  neural networks
535 with a  particular architecture.  However,  we believe that  a similar
536 work can be done for  other neural network architectures.  Finally, we
537 have  discovered at  least one  family of  problems with  a reasonable
538 size, such  that artificial neural  networks should not be  applied in
539 the  presence  of chaos,  due  to  their  inability to  learn  chaotic
540 behaviors in this  context.  Such a consideration is  not reduced to a
541 theoretical detail:  this family of discrete  iterations is concretely
542 implemented  in a  new steganographic  method  \cite{guyeux10ter}.  As
543 steganographic   detectors  embed  tools   like  neural   networks  to
544 distinguish between  original and stego contents, our  studies tend to
545 prove that such  detectors might be unable to  tackle with chaos-based
546 information  hiding  schemes.
547
548 In  future  work we  intend  to  enlarge  the comparison  between  the
549 learning   of  truly   chaotic  and   non-chaotic   behaviors.   Other
550 computational intelligence tools such  as support vector machines will
551 be investigated  too, to  discover which tools  are the  most relevant
552 when facing a truly chaotic phenomenon.  A comparison between learning
553 rate  success  and  prediction  quality will  be  realized.   Concrete
554 consequences in biology, physics, and computer science security fields
555 will then be stated.
556
557 % \appendix{}
558
559 % \begin{Def} \label{def2}
560 % A continuous function $f$  on a topological space $(\mathcal{X},\tau)$
561 % is defined  to be  {\emph{topologically transitive}}  if for any  pair of
562 % open  sets $U$,  $V  \in  \mathcal{X}$ there  exists  
563 % $k \in
564 % \mathds{N}^{\ast}$
565 %  such  that
566 % $f^k(U) \cap V \neq \emptyset$.
567 % \end{Def}
568
569 %\bibliography{chaos-paper}% Produces the bibliography via BibTeX.
570
571 %\end{document}
572 %
573 % ****** End of file chaos-paper.tex ******