]> AND Private Git Repository - hdrcouchot.git/blob - annexePreuvePRNGchotique.tex
Logo AND Algorithmique Numérique Distribuée

Private GIT Repository
chapitre chaos repris
[hdrcouchot.git] / annexePreuvePRNGchotique.tex
1
2
3
4
5
6 \subsection{A metric on $\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$}
7
8 We define a distance $d$ on $\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$ as follows. 
9 Consider 
10 $x=(e,s)$ and $\check{x}=(\check{e},\check{s})$ in 
11 $\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}} = \mathds{B}^\mathsf{N} \times \mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}} $,
12 where $s=(u,v)$ and $\check{s}=(\check{u},\check{v})$ are in $ \mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}} = 
13 \mathcal{S}_{\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket} \times \mathcal{S}_\mathcal{P}$. 
14 \begin{itemize}
15 \item $e$ and $\check{e}$ are integers belonging in $\llbracket 0, 2^{\mathsf{N}-1} \rrbracket$. The Hamming distance
16 on their binary decomposition, that is, the number of dissimilar binary digits, constitutes the integral
17 part of $d(X,\check{X})$.
18 \item The fractional part is constituted by the differences between $v^0$ and $\check{v}^0$, followed by the differences
19 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 
20  differences between $v^1$ and $\check{v}^1$, followed by the differences
21 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.
22 More precisely, let $p = \lfloor \log_{10}{(\max{\mathcal{P}})}\rfloor +1$ and $n = \lfloor \log_{10}{(\mathsf{N})}\rfloor +1$.
23 \begin{itemize}
24 \item The $p$ first digits of $d(x,\check{x})$ is $|v^0-\check{v}^0|$ written in decimal numeration (and with $p$ digits).
25 \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
26 digits are $|u^0-\check{u}^0|$. They are followed by 
27 $|u^1-\check{u}^1|$ written with $n$ digits, etc.
28 \begin{itemize}
29 \item If
30 $v^0=\check{v}^0$, then the process is continued until $|u^{v^0-1}-\check{u}^{\check{v}^0-1}|$ and the fractional
31 part of $d(X,\check{X})$ is completed by 0's until reaching
32 $p+n\times \max{(\mathcal{P})}$ digits.
33 \item If $v^0<\check{v}^0$, then the $ \max{(\mathcal{P})}$  blocs of $n$
34 digits are $|u^0-\check{u}^0|$, ..., $|u^{v^0-1}-\check{u}^{v^0-1}|$,
35 $\check{u}^{v^0}$ (on $n$ digits), ..., $\check{u}^{\check{v}^0-1}$ (on $n$ digits), followed by 0's if required.
36 \item The case $v^0>\check{v}^0$ is dealt similarly.
37 \end{itemize}
38 \item The next $p$ digits are $|v^1-\check{v}^1|$, etc.
39 \end{itemize}
40 \end{itemize}
41
42
43
44
45 \begin{xpl}
46 Consider for instance that $\mathsf{N}=13$, $\mathcal{P}=\{1,2,11\}$ (so $\mathsf{p}=3$), and that
47 $s=\left\{
48 \begin{array}{l}
49 u=\underline{6,} ~ \underline{11,5}, ...\\
50 v=1,2,...
51 \end{array}
52 \right.$
53 while
54 $\check{s}=\left\{
55 \begin{array}{l}
56 \check{u}=\underline{6,4} ~ \underline{1}, ...\\
57 \check{v}=2,1,...
58 \end{array}
59 \right.$.
60
61 So $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(s,\check{s}) = 0.010004000000000000000000011005 ...$
62 Indeed, the $p=2$ first digits are 01, as $|v^0-\check{v}^0|=1$, 
63 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
64 at most $\max{(\mathcal{P})}$ times, we must complete this
65 value by some 0's in such a way that the obtained result
66 has $n\times \max{(\mathcal{P})}=22$ digits, that is: 
67 0600000000000000000000. Similarly, the $\check{v}^0=2$ first
68 terms in $\check{u}$ are represented by 0604000000000000000000, and the absolute value of their
69 difference is equal to 0004000000000000000000. These digits are concatenated to 01, and
70 we start again with the remainder of the sequences.
71 \end{xpl}
72
73
74 \begin{xpl}
75 Consider now that $\mathsf{N}=9$, and $\mathcal{P}=\{2,7\}$, and that
76
77 $s=\left\{
78 \begin{array}{l}
79 u=\underline{6,7,} ~ \underline{4,2,} ...\\
80 v=2,2,...
81 \end{array}
82 \right.$
83 while
84 $\check{s}=\left\{
85 \begin{array}{l}
86 \check{u}=\underline{4, 9, 6, 3, 6, 6, 7,} ~ \underline{9, 8}, ...\\
87 \check{v}=7,2,...
88 \end{array}
89 \right.$
90
91 So $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(s,\check{s}) = 0.5173633305600000...$, as $|v^0-\check{v}^0|=5$, $|4963667-6700000| = 1736333$, $|v^1-\check{v}^1|=0$,
92 and $|9800000-4200000| = 5600000$.
93 \end{xpl}
94
95
96
97 $d$ can be more rigorously written as follows:
98 $$d(x,\check{x})=d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(s,\check{s})+d_{\mathds{B}^\mathsf{N}}(e,\check{e}),$$
99 where: % $p=\max \mathcal{P}$ and:
100 \begin{itemize}
101 \item $d_{\mathds{B}^\mathsf{N}}$ is the Hamming distance,
102 \item $\forall s=(u,v), \check{s}=(\check{u},\check{v}) \in \mathcal{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$,\newline 
103 $$\begin{array}{rcl}
104  d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(s,\check{s}) &= &
105    \sum_{k=0}^\infty \dfrac{1}{10^{(k+1)p+kn\max{(\mathcal{P})}}} 
106    \bigg(|v^k - \check{v}^k|  \\
107    & & + \left| \sum_{l=0}^{v^k-1} 
108        \dfrac{u^{\sum_{m=0}^{k-1} v^m +l}}{ 10^{(l+1)n}} -
109        \sum_{l=0}^{\check{v}^k-1} 
110        \dfrac{\check{u}^{\sum_{m=0}^{k-1} \check{v}^m +l}}{ 10^{(l+1)n}} \right| \bigg)
111 \end{array}
112 $$ %\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)}.$$
113 \end{itemize}
114
115
116 Let us show that,
117 \begin{prpstn}
118 $d$ is a distance on $\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$.
119 \end{prpstn}
120
121
122 \begin{proof}
123  $d_{\mathds{B}^\mathsf{N}}$ is the Hamming distance. We will prove that 
124  $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}$ is a distance
125 too, thus $d$ will also be a distance, being the sum of two distances.
126  \begin{itemize}
127 \item Obviously, $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(s,\check{s})\geqslant 0$, and if $s=\check{s}$, then 
128 $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 
129 $\forall k \in \mathds{N}, v^k=\check{v}^k$ due to the 
130 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}$.
131  \item $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}$ is clearly symmetric 
132 ($d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(s,\check{s})=d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}(\check{s},s)$). 
133 \item The triangle inequality is obtained because the absolute value satisfies it too.
134  \end{itemize}
135 \end{proof}
136
137
138 Before being able to study the topological behavior of the general 
139 chaotic iterations, we must first establish that:
140
141 \begin{prpstn}
142  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
143 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
144 \end{prpstn}
145
146
147 \begin{proof}
148 We will show this result by using the sequential continuity. Consider a
149 sequence $x^n=(e^n,(u^n,v^n)) \in \mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}^\mathds{N}$ such
150 that $d(x^n,x) \longrightarrow 0$, for some $x=(e,(u,v))\in
151 \mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$. We will show that
152 $d\left(G_f(x^n),G_f(x)\right) \longrightarrow 0$.
153 Remark that $u$ and $v$ are sequences of sequences.
154
155 As $d(x^n,x) \longrightarrow 0$, there exists 
156 $n_0\in\mathds{N}$ such that 
157 $d(x^n,x) < 10^{-(p+n \max{(\mathcal{P})})}$
158 (its $p+n \max{(\mathcal{P})}$ first digits are null). 
159 In particular, $\forall n \geqslant n_0, e^n=e$,
160 as the Hamming distance between the integral parts of
161 $x$ and $\check{x}$ is 0. Similarly, due to the nullity 
162 of the $p+n \max{(\mathcal{P})}$ first digits of 
163 $d(x^n,x)$, we can conclude that $\forall n \geqslant n_0$,
164 $(v^n)^0=v^0$, and that $\forall n \geqslant n_0$,
165 $(u^n)^0=u^0$, $(u^n)^1=u^1$, ..., $(u^n)^{v^0-1}=u^{v^0-1}$.
166 This implies that:
167 \begin{itemize}
168 \item $G_f(x^n)_1=G_f(x)_1$: they have the same
169 Boolean vector as first coordinate.
170 \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
171 to 0, we can deduce that it is the case too for the left part of the equality, and so
172 $G_f(x^n)_2$ is convergent to $G_f(x)_2$.
173 \end{itemize}
174 \end{proof}
175
176
177
178 \subsection{$\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ as an extension of  $\Gamma(f)$}
179
180 Let $\mathcal{P}=\{p_1, p_2, \hdots, p_\mathsf{p}\}$.
181 We define the directed graph $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ as follows.
182 \begin{itemize}
183 \item Its vertices are the $2^\mathsf{N}$ elements of $\mathds{B}^\mathsf{N}$.
184 \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 
185   having their elements in $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket $.
186 \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 
187 $y=F_{f,p_i} (x, (u_0, \hdots, u_{p_i-1})) $.
188 \end{itemize}
189
190 It is not hard to see that the graph $\Gamma_{\{1\}}(f)$ is 
191 $\Gamma(f)$.
192
193 \begin{figure}[ht]
194   \centering
195   \begin{subfigure}[b]{0.45\textwidth}
196     \centering
197     \includegraphics[scale=0.85]{graphe1.pdf}
198     \caption{$\Gamma(f_0)$}
199     \label{graphe1}
200   \end{subfigure}%
201   ~ %add desired spacing between images, e. g. ~, \quad, \qquad, \hfill etc.
202   % (or a blank line to force the subfigure onto a new line)
203   \begin{subfigure}[b]{0.3\textwidth}
204     \centering  
205     \includegraphics[scale=0.85]{graphe2.pdf}
206     \caption{$\Gamma_{\{2,3\}}(f_0)$}
207     \label{graphe2}
208   \end{subfigure}
209   ~ %add desired spacing between images, e. g. ~, \quad, \qquad, \hfill etc.
210   \caption{Iterating $f_0:(x_1,x_2) \mapsto (\overline{x_1}, \overline{x_2})$}
211   \label{fig:itg}
212 \end{figure}
213
214
215 \begin{xpl}
216 Consider for instance $\mathsf{N}=2$, 
217 Let $f_0:\mathds{B}^2 \longrightarrow \mathds{B}^2$ be the negation function,
218 \textit{i.e.}, $f_0(x_1,x_2) = (\overline{x_1}, \overline{x_2})$, and consider
219 $\mathcal{P}=\{2,3\}$. The graphs of iterations are given in 
220 \textsc{Figure~\ref{fig:itg}}.
221 The \textsc{Figure~\ref{graphe1}} shows what happens when 
222 displaying each iteration result.
223 On the contrary, the \textsc{Figure~\ref{graphe2}} explicits the behaviors
224 when always applying 2 or 3 modification and next outputing results. 
225 Notice that here, orientations of arcs are not necessary 
226 since the function $f_0$ is equal to its inverse $f_0^{-1}$. 
227 \end{xpl}
228
229 \subsection{Proofs of chaos}
230
231 We will show that,
232 \begin{prpstn}
233 \label{prop:trans}
234  $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ is strongly connected if and only if $G_f$ is 
235 topologically transitive on $(\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}, d)$.
236 \end{prpstn}
237
238
239 \begin{proof}
240 Suppose that $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ is strongly connected. 
241 Let $x=(e,(u,v)),\check{x}=(\check{e},(\check{u},\check{v})) 
242 \in \mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$ and $\varepsilon >0$.
243 We will find a point $y$ in the open ball $\mathcal{B}(x,\varepsilon )$ and
244 $n_0 \in \mathds{N}$ such that $G_f^{n_0}(y)=\check{x}$: this strong transitivity
245 will imply the transitivity property.
246 We can suppose that $\varepsilon <1$ without loss of generality. 
247
248 Let us denote by $(E,(U,V))$  the elements of $y$. As
249 $y$ must be in $\mathcal{B}(x,\varepsilon)$ and  $\varepsilon < 1$,
250 $E$ must be equal to $e$. Let $k=\lfloor \log_{10} (\varepsilon) \rfloor +1$.
251 $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}((u,v),(U,V))$ must be lower than
252 $\varepsilon$, so the $k$ first digits of the fractional part of 
253 $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}((u,v),(U,V))$ are null.
254 Let $k_1$ the smallest integer such that, if $V^0=v^0$, ...,  $V^{k_1}=v^{k_1}$,
255  $U^0=u^0$, ..., $U^{\sum_{l=0}^{k_1}V^l-1} = u^{\sum_{l=0}^{k_1}v^l-1}$.
256 Then $d_{\mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}}((u,v),(U,V))<\varepsilon$.
257 In other words, any $y$ of the form $(e,((u^0, ..., u^{\sum_{l=0}^{k_1}v^l-1}),
258 (v^0, ..., v^{k_1}))$ is in $\mathcal{B}(x,\varepsilon)$.
259
260 Let $y^0$ such a point and $z=G_f^{k_1}(y^0) = (e',(u',v'))$. $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$
261 being strongly connected, there is a path between $e'$ and $\check{e}$. Denote
262 by $a_0, \hdots, a_{k_2}$ the edges visited by this path. We denote by
263 $V^{k_1}=|a_0|$ (number of terms in the finite sequence $a_1$),
264 $V^{k_1+1}=|a_1|$, ..., $V^{k_1+k_2}=|a_{k_2}|$, and by 
265 $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}$,
266 $U^{k_1+V_{k_1}}=a_1^{0}$, $U^{k_1+V_{k_1}+1}=a_1^{1}$,...
267
268 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|},..., 
269  a_{k_2}^0, ..., a_{k_2}^{|a_{k_2}|},$ \linebreak
270  $\check{u}^0, \check{u}^1, ...),(v^0, ..., v^{k_1},|a_0|, ...,
271  |a_{k_2}|,\check{v}^0, \check{v}^1, ...)))$. So $y\in \mathcal{B}(x,\varepsilon)$
272  and $G_{f}^{k_1+k_2}(y)=\check{x}$.
273  
274  
275 Conversely, if $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ is not strongly connected, then there are 
276 2 vertices $e_1$ and $e_2$ such that there is no path between $e_1$ and $e_2$.
277 That is, it is impossible to find $(u,v)\in \mathds{S}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$
278 and $n \mathds{N}$ such that $G_f^n(e,(u,v))_1=e_2$. The open ball $\mathcal{B}(e_2, 1/2)$
279 cannot be reached from any neighborhood of $e_1$, and thus $G_f$ is not transitive.
280 \end{proof}
281
282
283 We show now that,
284 \begin{prpstn}
285 If $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ is strongly connected, then $G_f$ is 
286 regular on $(\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}, d)$.
287 \end{prpstn}
288
289 \begin{proof}
290 Let $x=(e,(u,v)) \in \mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}}$ and $\varepsilon >0$. 
291 As in the proofs of Prop.~\ref{prop:trans}, let $k_1 \in \mathds{N}$ such
292 that 
293 $$\left\{(e, ((u^0, ..., u^{v^{k_1-1}},U^0, U^1, ...),(v^0, ..., v^{k_1},V^0, V^1, ...)) \mid \right.$$
294 $$\left.\forall i,j \in \mathds{N}, U^i \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket, V^j \in \mathcal{P}\right\}
295 \subset \mathcal{B}(x,\varepsilon),$$
296 and $y=G_f^{k_1}(e,(u,v))$. $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ being strongly connected,
297 there is at least a path from the Boolean state $y_1$ of $y$ and $e$.
298 Denote by $a_0, \hdots, a_{k_2}$ the edges of such a path.
299 Then the point:
300 $$(e,((u^0, ..., u^{v^{k_1-1}},a_0^0, ..., a_0^{|a_0|}, a_1^0, ..., a_1^{|a_1|},..., 
301  a_{k_2}^0, ..., a_{k_2}^{|a_{k_2}|},u^0, ..., u^{v^{k_1-1}},$$
302 $$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}|,...))$$
303 is a periodic point in the neighborhood $\mathcal{B}(x,\varepsilon)$ of $x$.
304 \end{proof}
305
306 $G_f$ being topologically transitive and regular, we can thus conclude that
307 \begin{thrm}
308 The function $G_f$ is chaotic on $(\mathcal{X}_{\mathsf{N},\mathcal{P}},d)$ if
309 and only if its iteration graph $\Gamma_{\mathcal{P}}(f)$ is strongly connected.
310 \end{thrm}
311
312 \begin{crllr}
313   The pseudorandom number generator $\chi_{\textit{14Secrypt}}$ is not chaotic
314   on $(\mathcal{X}_{\mathsf{N},\{b\}},d)$ for the negation function.
315 \end{crllr}
316 \begin{proof}
317   In this context, $\mathcal{P}$ is the singleton $\{b\}$.
318   If $b$ is even, any vertex $e$ of $\Gamma_{\{b\}}(f_0)$ cannot reach 
319   its neighborhood and thus $\Gamma_{\{b\}}(f_0)$ is not strongly connected. 
320   If $b$ is even, any vertex $e$ of $\Gamma_{\{b\}}(f_0)$ cannot reach itself 
321   and thus $\Gamma_{\{b\}}(f_0)$ is not strongly connected.
322 \end{proof}
323
324 The next section shows how to generate functions and a iteration number $b$
325 such that $\Gamma_{\{b\}}$ is strongly connected.
326
327
328