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

Private GIT Repository
11dd246f44d0012ce3cda2c421af4b48e7c26113
[prng_gpu.git] / prng_gpu.tex
1 \documentclass{article}
2 \usepackage[utf8]{inputenc}
3 \usepackage[T1]{fontenc}
4 \usepackage{fullpage}
5 \usepackage{fancybox}
6 \usepackage{amsmath}
7 \usepackage{amscd}
8 \usepackage{moreverb}
9 \usepackage{commath}
10 \usepackage{algorithm2e}
11 \usepackage{listings}
12 \usepackage[standard]{ntheorem}
13
14 % Pour mathds : les ensembles IR, IN, etc.
15 \usepackage{dsfont}
16
17 % Pour avoir des intervalles d'entiers
18 \usepackage{stmaryrd}
19
20 \usepackage{graphicx}
21 % Pour faire des sous-figures dans les figures
22 \usepackage{subfigure}
23
24 \usepackage{color}
25
26 \newtheorem{notation}{Notation}
27
28 \newcommand{\X}{\mathcal{X}}
29 \newcommand{\Go}{G_{f_0}}
30 \newcommand{\B}{\mathds{B}}
31 \newcommand{\N}{\mathds{N}}
32 \newcommand{\BN}{\mathds{B}^\mathsf{N}}
33 \let\sur=\overline
34
35 \newcommand{\alert}[1]{\begin{color}{blue}\textit{#1}\end{color}}
36
37 \title{Efficient Generation of Pseudo-Random Bumbers based on Chaotic Iterations
38 on GPU}
39 \begin{document}
40
41 \author{Jacques M. Bahi, Rapha\"{e}l Couturier, and Christophe
42 Guyeux\thanks{Authors in alphabetic order}}
43
44 \maketitle
45
46 \begin{abstract}
47 This is the abstract
48 \end{abstract}
49
50 \section{Introduction}
51
52 Interet des itérations chaotiques pour générer des nombre alea\\
53 Interet de générer des nombres alea sur GPU
54 \alert{RC, un petit state-of-the-art sur les PRNGs sur GPU ?}
55 ...
56
57
58 \section{Basic Recalls}
59 \label{section:BASIC RECALLS}
60 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
61 topological chaos and chaotic iterations.
62 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
63
64 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
65 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
66 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
67 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
68
69
70 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
71 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
72
73 \begin{definition}
74 $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
75 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
76 \varnothing$.
77 \end{definition}
78
79 \begin{definition}
80 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
81 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
82 \end{definition}
83
84 \begin{definition}
85 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
86 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
87 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
88 necessarily the same period).
89 \end{definition}
90
91
92 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
93 $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
94 topologically transitive.
95 \end{definition}
96
97 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
98 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
99
100 \begin{definition}
101 \label{sensitivity} $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
102 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
103 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
104 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
105
106 $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
107 \end{definition}
108
109 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
110 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
111 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
112 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
113 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
114 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
115 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
116 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
117 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
118 possible and occur in an unpredictable way.
119
120
121
122 \subsection{Chaotic Iterations}
123 \label{sec:chaotic iterations}
124
125
126 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
127 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
128 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
129  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
130 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
131 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
132 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
133
134 \begin{definition}
135 \label{Def:chaotic iterations}
136 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
137 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
138 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
139 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
140 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
141 \begin{equation}
142 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
143 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
144 \begin{array}{ll}
145   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
146   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
147 \end{array}\right.
148 \end{equation}
149 \end{definition}
150
151 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
152 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
153 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
154 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
155 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
156 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
157 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
158 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
159
160
161 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
162 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
163
164 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
165 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function:
166 \begin{equation}
167 \begin{array}{lrll}
168 F_{f}: & \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
169 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
170 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+f(E)_{k}.\overline{\delta
171 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
172 \end{array}%
173 \end{equation}%
174 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
175 Consider the phase space:
176 \begin{equation}
177 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
178 \mathds{B}^\mathsf{N},
179 \end{equation}
180 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
181 \begin{equation}
182 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
183 \end{equation}
184 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
185 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
186 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
187 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
188 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
189 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
190 \begin{equation}
191 \left\{
192 \begin{array}{l}
193 X^0 \in \mathcal{X} \\
194 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
195 \end{array}%
196 \right.
197 \end{equation}%
198
199 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
200 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
201 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
202 chaotic. 
203 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
204 (\check{S},\check{E})\in
205 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
206 \begin{equation}
207 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
208 \end{equation}
209 \noindent where
210 \begin{equation}
211 \left\{
212 \begin{array}{lll}
213 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
214 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
215 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
216 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
217 \end{array}%
218 \right.
219 \end{equation}
220
221
222 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
223 \begin{itemize}
224 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
225 their distance should increase too.
226 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
227 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
228 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
229 while. Indeed, the two dynamical systems start with the same initial condition,
230 use the same update function, and as strategies are the same for a while, then
231 components that are updated are the same too.
232 \end{itemize}
233 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
234 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
235 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
236 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
237 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
238 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
239 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
240 The impact of this choice for a distance will be investigate at the end of the document.
241
242 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
243
244 \begin{proposition}
245 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
246 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
247 \end{proposition}
248
249 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
250 Boolean negation $f(x_1,\hdots, x_\mathsf{N}) =  (\overline{x_1},\hdots, \overline{x_\mathsf{N}})$ \cite{guyeux10}. To obtain a characterization, we have secondly
251 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
252
253 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
254 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
255 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
256 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
257 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
258 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
259 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
260 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
261 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
262 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
263
264 We have finally proven in \cite{bcgr11:ip} that,
265
266
267 \begin{theorem}
268 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
269 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
270 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
271 \end{theorem}
272
273 This result of chaos has lead us to study the possibility to build a
274 pseudo-random number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
275 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
276 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is build from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
277 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
278 during implementations (due to the discrete nature of $f$). It is as if
279 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
280 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance).
281
282 \section{Application to Pseudo-Randomness}
283
284 \subsection{A First Pseudo-Random Number Generator}
285
286 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
287 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
288 leading thus to a new PRNG that improves the statistical properties of each
289 generator taken alone. Furthermore, our generator 
290 possesses various chaos properties that none of the generators used as input
291 present.
292
293 \begin{algorithm}[h!]
294 %\begin{scriptsize}
295 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
296 ($n$ bits)}
297 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
298 $x\leftarrow x^0$\;
299 $k\leftarrow b + \textit{XORshift}(b)$\;
300 \For{$i=0,\dots,k$}
301 {
302 $s\leftarrow{\textit{XORshift}(n)}$\;
303 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
304 }
305 return $x$\;
306 %\end{scriptsize}
307 \caption{PRNG with chaotic functions}
308 \label{CI Algorithm}
309 \end{algorithm}
310
311 \begin{algorithm}[h!]
312 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
313 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
314 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
315 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
316 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
317 $y\leftarrow{z}$\;
318 return $y$\;
319 \medskip
320 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
321 \label{XORshift}
322 \end{algorithm}
323
324
325
326
327
328 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
329 It takes as input: a function $f$;
330 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations is at least $b$
331 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
332 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
333 \textit{XORshift}$(k)$ PRNGs \cite{Marsaglia2003} that returns integers
334 uniformly distributed
335 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
336 \textit{XORshift} is a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia,
337 which repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
338 with a bit shifted version of it. This PRNG, which has a period of
339 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. It is used
340 in our PRNG to compute the strategy length and the strategy elements.
341
342
343 We have proven in \cite{bcgr11:ip} that,
344 \begin{theorem}
345   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
346   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
347   matrix and $M$ a $n\times n$ matrix defined as in the previous lemma.
348   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
349   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
350   a law that tends to the uniform distribution 
351   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
352 \end{theorem} 
353
354 This former generator as successively passed various batteries of statistical tests, as the NIST tests~\cite{bcgr11:ip}.
355
356 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
357
358 Instead of updating only one cell at each iteration, we can try to choose a
359 subset of components and to update them together. Such an attempt leads
360 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithm 
361 \ref{CI Algorithm}. When the updating function is the vectorial negation,
362 this algorithm can be rewritten as follows:
363
364 \begin{equation}
365 \left\{
366 \begin{array}{l}
367 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
368 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
369 \end{array}
370 \right.
371 \label{equation Oplus}
372 \end{equation}
373 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
374 This rewritten can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
375 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
376 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
377 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
378 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
379 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
380
381 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus} is of 
382 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
383 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
384
385 \begin{equation}
386 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
387 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
388 \begin{array}{ll}
389   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
390   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
391 \end{array}\right.
392 \end{equation}
393 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
394 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
395 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
396 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
397 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} for 
398 the fact that, instead of updating only one term at each iteration,
399 we select a subset of components to change.
400
401
402 Obviously, replacing Algorithm~\ref{CI Algorithm} by 
403 Equation~\ref{equation Oplus}, possible when the iteration function is
404 the vectorial negation, leads to a speed improvement. However, proofs
405 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
406 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
407 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
408 use of more general chaotic iterations to generate pseudo-random numbers 
409 faster, does not deflate their topological chaos properties.
410
411 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
412
413 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
414 the general form:
415
416 \begin{equation}
417 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
418 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
419 \begin{array}{ll}
420   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
421   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
422 \end{array}\right.
423 \label{general CIs}
424 \end{equation}
425
426 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
427 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
428
429 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
430 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
431 is required in order to study the topological behavior of the system.
432
433 Let us introduce the following function:
434 \begin{equation}
435 \begin{array}{cccc}
436  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
437          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
438 \end{array} 
439 \end{equation}
440 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
441
442 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
443 \begin{equation}
444 \begin{array}{lrll}
445 F_{f}: & \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
446 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
447 & (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi
448 (j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
449 \end{array}%
450 \end{equation}%
451 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
452 is the negation of the Boolean $x$.
453 Consider the phase space:
454 \begin{equation}
455 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
456 \mathds{B}^\mathsf{N},
457 \end{equation}
458 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
459 \begin{equation}
460 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
461 \end{equation}
462 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
463 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
464 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
465 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
466 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
467 be described by the following discrete dynamical system:
468 \begin{equation}
469 \left\{
470 \begin{array}{l}
471 X^0 \in \mathcal{X} \\
472 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
473 \end{array}%
474 \right.
475 \end{equation}%
476
477 Another time, a shift function appears as a component of these general chaotic 
478 iterations. 
479
480 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
481 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
482 Let us introduce:
483 \begin{equation}
484 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
485 \label{nouveau d}
486 \end{equation}
487 \noindent where
488 \begin{equation}
489 \left\{
490 \begin{array}{lll}
491 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
492 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}\textrm{ is another time the Hamming distance}, \\
493 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
494 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
495 \end{array}%
496 \right.
497 \end{equation}
498 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
499 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
500
501
502 \begin{proposition}
503 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
504 \end{proposition}
505
506 \begin{proof}
507  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
508 too, thus $d$ will be a distance as sum of two distances.
509  \begin{itemize}
510 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
511 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
512 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
513  \item $d_s$ is symmetric 
514 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
515 of the symmetric difference. 
516 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
517 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
518 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
519 inequality is obtained.
520  \end{itemize}
521 \end{proof}
522
523
524 Before being able to study the topological behavior of the general 
525 chaotic iterations, we must firstly establish that:
526
527 \begin{proposition}
528  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
529 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
530 \end{proposition}
531
532
533 \begin{proof}
534 We use the sequential continuity.
535 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
536 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
537 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
538 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
539 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
540 sequences).\newline
541 As $d((S^n,E^n);(S,E))$ converges to 0, each distance $d_{e}(E^n,E)$ and $d_{s}(S^n,S)$ converges
542 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
543 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
544 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
545 cell will change its state:
546 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
547
548 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
549 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
550 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
551 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
552
553 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
554 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
555 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
556 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
557 \noindent We now prove that the distance between $\left(
558 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
559 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
560 \begin{itemize}
561 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that distance
562 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
563 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
564 \medskip
565 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
566 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
567 \begin{equation*}
568 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
569 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
570 \end{equation*}%
571 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
572 \end{itemize}
573 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
574 G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are the same ($G_{f}$ is a shift of strategies) and due to the definition of $d_{s}$, the floating part of
575 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
576 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.\bigskip \newline
577 In conclusion,
578 $$
579 \forall \varepsilon >0,\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}%
580 ,\forall n\geqslant N_{0},
581  d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
582 \leqslant \varepsilon .
583 $$
584 $G_{f}$ is consequently continuous.
585 \end{proof}
586
587
588 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
589 iterations. We will prove that,
590
591 \begin{theorem}
592 \label{t:chaos des general}
593  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
594 the Devaney's property of chaos.
595 \end{theorem}
596
597 Let us firstly prove the following lemma.
598
599 \begin{lemma}[Strong transitivity]
600 \label{strongTrans}
601  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
602 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
603 \end{lemma}
604
605 \begin{proof}
606  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
607 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
608 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
609 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
610 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
611 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
612 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
613 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
614 \begin{itemize}
615  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
616  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
617 \end{itemize}
618 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
619 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
620 claimed in the lemma.
621 \end{proof}
622
623 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}...
624
625 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
626  On the one hand, strong transitivity implies transitivity. On the other hand, 
627 the regularity is exactly Lemma~\ref{strongTrans} with $Y=X$. As the sensitivity
628 to the initial condition is implied by these two properties, we thus have
629 the theorem.
630 \end{proof}
631
632
633
634 \section{Efficient PRNG based on Chaotic Iterations}
635
636 In  order to  implement efficiently  a PRNG  based on  chaotic iterations  it is
637 possible to improve  previous works [ref]. One solution  consists in considering
638 that the  strategy used contains all the  bits for which the  negation is
639 achieved out. Then in order to apply  the negation on these bits we can simply
640 apply the  xor operator between  the current number  and the strategy. In
641 order to obtain the strategy we also use a classical PRNG.
642
643 Here  is an  example with  16-bits numbers  showing how  the bitwise  operations
644 are
645 applied.  Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are defined  in binary mode.
646 Then the following table shows the result of $x$ xor $S^i$.
647 $$
648 \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
649 \hline
650 x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
651 \hline
652 S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
653 \hline
654 x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
655 \hline
656
657 \hline
658  \end{array}
659 $$
660
661 %% \begin{figure}[htbp]
662 %% \begin{center}
663 %% \fbox{
664 %% \begin{minipage}{14cm}
665 %% unsigned int CIprng() \{\\
666 %%   static unsigned int x = 123123123;\\
667 %%   unsigned long t1 = xorshift();\\
668 %%   unsigned long t2 = xor128();\\
669 %%   unsigned long t3 = xorwow();\\
670 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t1;\\
671 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t2$>>$32);\\
672 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t3$>>$32);\\
673 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t2;\\
674 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t1$>>$32);\\
675 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t3;\\
676 %%   return x;\\
677 %% \}
678 %% \end{minipage}
679 %% }
680 %% \end{center}
681 %% \caption{sequential Chaotic Iteration PRNG}
682 %% \label{algo:seqCIprng}
683 %% \end{figure}
684
685
686
687 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential chaotic iterations based
688 PRNG},label=algo:seqCIprng}
689 \begin{lstlisting}
690 unsigned int CIprng() {
691   static unsigned int x = 123123123;
692   unsigned long t1 = xorshift();
693   unsigned long t2 = xor128();
694   unsigned long t3 = xorwow();
695   x = x^(unsigned int)t1;
696   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
697   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
698   x = x^(unsigned int)t2;
699   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
700   x = x^(unsigned int)t3;
701   return x;
702 }
703 \end{lstlisting}
704
705
706
707
708
709 In listing~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential version of  our chaotic iterations
710 based   PRNG    is   presented.   The    xor   operator   is    represented   by
711 \textasciicircum.  This   function  uses  three  classical   64-bits  PRNG:  the
712 \texttt{xorshift},  the   \texttt{xor128}  and  the   \texttt{xorwow}.   In  the
713 following,  we call  them  xor-like  PRNGSs.  These  three  PRNGs are  presented
714 in~\cite{Marsaglia2003}.  As each  xor-like PRNG used works with  64-bits and as
715 our PRNG works  with 32-bits, the use of \texttt{(unsigned  int)} selects the 32
716 least significant bits whereas  \texttt{(unsigned int)(t3$>>$32)} selects the 32
717 most  significants bits  of the  variable \texttt{t}.   So to  produce  a random
718 number realizes  6 xor operations with  6 32-bits numbers produced  by 3 64-bits
719 PRNG.  This version successes the  BigCrush of the TestU01 battery [P.  L’ecuyer
720   and R. Simard. Testu01].
721
722 \section{Efficient prng based on chaotic iterations on GPU}
723
724 In  order to benefit  from computing  power of  GPU, a  program needs  to define
725 independent blocks of threads which  can be computed simultaneously. In general,
726 the larger the number of threads is,  the more local memory is used and the less
727 branching  instructions are  used (if,  while, ...),  the better  performance is
728 obtained  on  GPU.  So  with  algorithm  \ref{algo:seqCIprng}  presented in  the
729 previous section, it is possible to  build a similar program which computes PRNG
730 on  GPU. In  the CUDA  [ref] environment,  threads have  a  local identificator,
731 called \texttt{ThreadIdx} relative to the block containing them.
732
733
734 \subsection{Naive version for GPU}
735
736 From the CPU version, it is possible  to obtain a quite similar version for GPU.
737 The principe consists in assigning the computation of a PRNG as in sequential to
738 each thread  of the  GPU.  Of course,  it is  essential that the  three xor-like
739 PRNGs  used for  our computation  have different  parameters. So  we  chose them
740 randomly with  another PRNG. As the  initialisation is performed by  the CPU, we
741 have chosen to use the ISAAC PRNG  [ref] to initalize all the parameters for the
742 GPU version  of our  PRNG.  The  implementation of the  three xor-like  PRNGs is
743 straightforward  as soon  as their  parameters have  been allocated  in  the GPU
744 memory. Each xor-like  PRNGs used works with an internal  number $x$ which keeps
745 the last generated random numbers. Other internal variables are also used by the
746 xor-like PRNGs. More  precisely, the implementation of the  xor128, the xorshift
747 and  the xorwow  respectively  require 4,  5  and 6  unsigned  long as  internal
748 variables.
749
750 \begin{algorithm}
751
752 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
753 PRNGs in global memory\;
754 NumThreads: Number of threads\;}
755 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
756 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
757   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
758   \For{i=1 to n} {
759     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIprng}\;
760     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
761   }
762   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
763 }
764
765 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU naive version}
766 \label{algo:gpu_kernel}
767 \end{algorithm}
768
769 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of  PRNG using
770 GPU.  According  to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
771 used simultenaously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
772 inside   a    kernel   is   limited,   i.e.    the    variable   \texttt{n}   in
773 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}. For example, if  $100,000$ threads are used and
774 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)}
775 then   the  memory   required   to  store   internals   variables  of   xor-like
776 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
777 and  random  number of  our  PRNG  is  equals to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
778 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, i.e. about $52$Mb.
779
780 All the  tests performed  to pass the  BigCrush of TestU01  succeeded. Different
781 number of threads, called \texttt{NumThreads} in our algorithm, have been tested
782 upto $10$ millions.
783
784 \begin{remark}
785 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  has  the  advantage to  manipulate  independent
786 PRNGs, so this version is easily usable on a cluster of computer. The only thing
787 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. For this, a simple solution consists in
788 using a master node for the initialization which computes the initial parameters
789 for all the differents nodes involves in the computation.
790 \end{remark}
791
792 \subsection{Improved version for GPU}
793
794 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
795 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
796 i.e. using less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
797 one xor-like PRNG by thread, saving  it into shared memory and using the results
798 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
799 thread uses the result of which other  one, we can use a permutation array which
800 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a  permutation has  been
801 performed.  In Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}, 2 permutations arrays are used.
802 The    variable   \texttt{offset}    is    computed   using    the   value    of
803 \texttt{permutation\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
804 which represent the indexes of the  other threads for which the results are used
805 by the  current thread. In  the algorithm, we  consider that a  64-bits xor-like
806 PRNG is used, that is why both 32-bits parts are used.
807
808 This version also succeed to the BigCrush batteries of tests.
809
810 \begin{algorithm}
811
812 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
813 in global memory\;
814 NumThreads: Number of threads\;
815 tab1, tab2: Arrays containing permutations of size permutation\_size\;}
816
817 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
818 \If{threadId is concerned} {
819   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables\;
820   offset = threadIdx\%permutation\_size\;
821   o1 = threadIdx-offset+tab1[offset]\;
822   o2 = threadIdx-offset+tab2[offset]\;
823   \For{i=1 to n} {
824     t=xor-like()\;
825     shared\_mem[threadId]=(unsigned int)t\;
826     x = x $\oplus$ (unsigned int) t\;
827     x = x $\oplus$ (unsigned int) (t>>32)\;
828     x = x $\oplus$ shared[o1]\;
829     x = x $\oplus$ shared[o2]\;
830
831     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
832   }
833   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
834 }
835
836 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
837 version}
838 \label{algo:gpu_kernel2}
839 \end{algorithm}
840
841
842
843 \section{Experiments}
844
845 Differents experiments have been performed in order to measure the generation
846 speed.
847 \begin{figure}[t]
848 \begin{center}
849   \includegraphics[scale=.7]{curve_time_gpu.pdf}
850 \end{center}
851 \caption{Number of random numbers generated per second}
852 \label{fig:time_naive_gpu}
853 \end{figure}
854
855
856 First of all we have compared the time to generate X random numbers with both
857 the CPU version and the GPU version. 
858
859 Faire une courbe du nombre de random en fonction du nombre de threads,
860 éventuellement en fonction du nombres de threads par bloc.
861
862
863
864 \section{The relativity of disorder}
865 \label{sec:de la relativité du désordre}
866
867 \subsection{Impact of the topology's finenesse}
868
869 Let us firstly introduce the following notations.
870
871 \begin{notation}
872 $\mathcal{X}_\tau$ will denote the topological space
873 $\left(\mathcal{X},\tau\right)$, whereas $\mathcal{V}_\tau (x)$ will be the set
874 of all the neighborhoods of $x$ when considering the topology $\tau$ (or simply
875 $\mathcal{V} (x)$, if there is no ambiguity).
876 \end{notation}
877
878
879
880 \begin{theorem}
881 \label{Th:chaos et finesse}
882 Let $\mathcal{X}$ a set and $\tau, \tau'$ two topologies on $\mathcal{X}$ s.t.
883 $\tau'$ is finer than $\tau$. Let $f:\mathcal{X} \to \mathcal{X}$, continuous
884 both for $\tau$ and $\tau'$.
885
886 If $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is chaotic according to Devaney, then
887 $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is chaotic too.
888 \end{theorem}
889
890 \begin{proof}
891 Let us firstly establish the transitivity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$.
892
893 Let $\omega_1, \omega_2$ two open sets of $\tau$. Then $\omega_1, \omega_2 \in
894 \tau'$, becaus $\tau'$ is finer than $\tau$. As $f$ is $\tau'-$transitive, we
895 can deduce that $\exists n \in \mathds{N}, \omega_1 \cap f^{(n)}(\omega_2) =
896 \varnothing$. Consequently, $f$ is $\tau-$transitive.
897
898 Let us now consider the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$, \emph{i.e.}, for
899 all $x \in \mathcal{X}$, and for all $\tau-$neighborhood $V$ of $x$, there is a
900 periodic point for $f$ into $V$.
901
902 Let $x \in \mathcal{X}$ and $V \in \mathcal{V}_\tau (x)$ a $\tau-$neighborhood
903 of $x$. By definition, $\exists \omega \in \tau, x \in \omega \subset V$.
904
905 But $\tau \subset \tau'$, so $\omega \in \tau'$, and then $V \in
906 \mathcal{V}_{\tau'} (x)$. As $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is regular, there is a
907 periodic point for $f$ into $V$, and the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is
908 proven. 
909 \end{proof}
910
911 \subsection{A given system can always be claimed as chaotic}
912
913 Let $f$ an iteration function on $\mathcal{X}$ having at least a fixed point.
914 Then this function is chaotic (in a certain way):
915
916 \begin{theorem}
917 Let $\mathcal{X}$ a nonempty set and $f: \mathcal{X} \to \X$ a function having
918 at least a fixed point.
919 Then $f$ is $\tau_0-$chaotic, where $\tau_0$ is the trivial (indiscrete)
920 topology on $\X$.
921 \end{theorem}
922
923
924 \begin{proof}
925 $f$ is transitive when $\forall \omega, \omega' \in \tau_0 \setminus
926 \{\varnothing\}, \exists n \in \mathds{N}, f^{(n)}(\omega) \cap \omega' \neq
927 \varnothing$.
928 As $\tau_0 = \left\{ \varnothing, \X \right\}$, this is equivalent to look for
929 an integer $n$ s.t. $f^{(n)}\left( \X \right) \cap \X \neq \varnothing$. For
930 instance, $n=0$ is appropriate.
931
932 Let us now consider $x \in \X$ and $V \in \mathcal{V}_{\tau_0} (x)$. Then $V =
933 \mathcal{X}$, so $V$ has at least a fixed point for $f$. Consequently $f$ is
934 regular, and the result is established.
935 \end{proof}
936
937
938
939
940 \subsection{A given system can always be claimed as non-chaotic}
941
942 \begin{theorem}
943 Let $\mathcal{X}$ be a set and $f: \mathcal{X} \to \X$.
944 If $\X$ is infinite, then $\left( \X_{\tau_\infty}, f\right)$ is not chaotic
945 (for the Devaney's formulation), where $\tau_\infty$ is the discrete topology.
946 \end{theorem}
947
948 \begin{proof}
949 Let us prove it by contradiction, assuming that $\left(\X_{\tau_\infty},
950 f\right)$ is both transitive and regular.
951
952 Let $x \in \X$ and $\{x\}$ one of its neighborhood. This neighborhood must
953 contain a periodic point for $f$, if we want that $\left(\X_{\tau_\infty},
954 f\right)$ is regular. Then $x$ must be a periodic point of $f$.
955
956 Let $I_x = \left\{ f^{(n)}(x), n \in \mathds{N}\right\}$. This set is finite
957 because  $x$ is periodic, and $\mathcal{X}$ is infinite, then $\exists y \in
958 \mathcal{X}, y \notin I_x$.
959
960 As $\left(\X_{\tau_\infty}, f\right)$ must be transitive, for all open nonempty
961 sets $A$ and $B$, an integer $n$ must satisfy $f^{(n)}(A) \cap B \neq
962 \varnothing$. However $\{x\}$ and $\{y\}$ are open sets and $y \notin I_x
963 \Rightarrow \forall n, f^{(n)}\left( \{x\} \right) \cap \{y\} = \varnothing$.
964 \end{proof}
965
966
967
968
969
970
971 \section{Chaos on the order topology}
972
973 \subsection{The phase space is an interval of the real line}
974
975 \subsubsection{Toward a topological semiconjugacy}
976
977 In what follows, our intention is to establish, by using a topological
978 semiconjugacy, that chaotic iterations over $\mathcal{X}$ can be described as
979 iterations on a real interval. To do so, we must firstly introduce some
980 notations and terminologies. 
981
982 Let $\mathcal{S}_\mathsf{N}$ be the set of sequences belonging into $\llbracket
983 1; \mathsf{N}\rrbracket$ and $\mathcal{X}_{\mathsf{N}} = \mathcal{S}_\mathsf{N}
984 \times \B^\mathsf{N}$.
985
986
987 \begin{definition}
988 The function $\varphi: \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10} \rightarrow \big[
989 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
990 \begin{equation}
991  \begin{array}{cccl}
992 \varphi: & \mathcal{X}_{10} = \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}&
993 \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
994  & (S,E) = \left((S^0, S^1, \hdots ); (E_0, \hdots, E_9)\right) & \longmapsto &
995 \varphi \left((S,E)\right)
996 \end{array}
997 \end{equation}
998 where $\varphi\left((S,E)\right)$ is the real number:
999 \begin{itemize}
1000 \item whose integral part $e$ is $\displaystyle{\sum_{k=0}^9 2^{9-k} E_k}$, that
1001 is, the binary digits of $e$ are $E_0 ~ E_1 ~ \hdots ~ E_9$.
1002 \item whose decimal part $s$ is equal to $s = 0,S^0~ S^1~ S^2~ \hdots =
1003 \sum_{k=1}^{+\infty} 10^{-k} S^{k-1}.$ 
1004 \end{itemize}
1005 \end{definition}
1006
1007
1008
1009 $\varphi$ realizes the association between a point of $\mathcal{X}_{10}$ and a
1010 real number into $\big[ 0, 2^{10} \big[$. We must now translate the chaotic
1011 iterations $\Go$ on this real interval. To do so, two intermediate functions
1012 over $\big[ 0, 2^{10} \big[$ must be introduced:
1013
1014
1015 \begin{definition}
1016 \label{def:e et s}
1017 Let $x \in \big[ 0, 2^{10} \big[$ and:
1018 \begin{itemize}
1019 \item $e_0, \hdots, e_9$ the binary digits of the integral part of $x$:
1020 $\displaystyle{\lfloor x \rfloor = \sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k}$.
1021 \item $(s^k)_{k\in \mathds{N}}$ the digits of $x$, where the chosen decimal
1022 decomposition of $x$ is the one that does not have an infinite number of 9: 
1023 $\displaystyle{x = \lfloor x \rfloor + \sum_{k=0}^{+\infty} s^k 10^{-k-1}}$.
1024 \end{itemize}
1025 $e$ and $s$ are thus defined as follows:
1026 \begin{equation}
1027 \begin{array}{cccl}
1028 e: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \mathds{B}^{10} \\
1029  & x & \longmapsto & (e_0, \hdots, e_9)
1030 \end{array}
1031 \end{equation}
1032 and
1033 \begin{equation}
1034  \begin{array}{cccc}
1035 s: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \llbracket 0, 9
1036 \rrbracket^{\mathds{N}} \\
1037  & x & \longmapsto & (s^k)_{k \in \mathds{N}}
1038 \end{array}
1039 \end{equation}
1040 \end{definition}
1041
1042 We are now able to define the function $g$, whose goal is to translate the
1043 chaotic iterations $\Go$ on an interval of $\mathds{R}$.
1044
1045 \begin{definition}
1046 $g:\big[ 0, 2^{10} \big[ \longrightarrow \big[ 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
1047 \begin{equation}
1048 \begin{array}{cccc}
1049 g: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
1050  & x & \longmapsto & g(x)
1051 \end{array}
1052 \end{equation}
1053 where g(x) is the real number of $\big[ 0, 2^{10} \big[$ defined bellow:
1054 \begin{itemize}
1055 \item its integral part has a binary decomposition equal to $e_0', \hdots,
1056 e_9'$, with:
1057  \begin{equation}
1058 e_i' = \left\{
1059 \begin{array}{ll}
1060 e(x)_i & \textrm{ if } i \neq s^0\\
1061 e(x)_i + 1 \textrm{ (mod 2)} & \textrm{ if } i = s^0\\
1062 \end{array}
1063 \right.
1064 \end{equation}
1065 \item whose decimal part is $s(x)^1, s(x)^2, \hdots$
1066 \end{itemize}
1067 \end{definition}
1068
1069 \bigskip
1070
1071
1072 In other words, if $x = \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k + 
1073 \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k} ~10^{-k-1}}$, then:
1074 \begin{equation}
1075 g(x) =
1076 \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} (e_k + \delta(k,s^0) \textrm{ (mod 2)}) + 
1077 \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k+1} 10^{-k-1}}. 
1078 \end{equation}
1079
1080
1081 \subsubsection{Defining a metric on $\big[ 0, 2^{10} \big[$}
1082
1083 Numerous metrics can be defined on the set $\big[ 0, 2^{10} \big[$, the most
1084 usual one being the Euclidian distance recalled bellow:
1085
1086 \begin{notation}
1087 \index{distance!euclidienne}
1088 $\Delta$ is the Euclidian distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$, that is,
1089 $\Delta(x,y) = |y-x|^2$.
1090 \end{notation}
1091
1092 \medskip
1093
1094 This Euclidian distance does not reproduce exactly the notion of proximity
1095 induced by our first distance $d$ on $\X$. Indeed $d$ is finer than $\Delta$.
1096 This is the reason why we have to introduce the following metric:
1097
1098
1099
1100 \begin{definition}
1101 Let $x,y \in \big[ 0, 2^{10} \big[$.
1102 $D$ denotes the function from $\big[ 0, 2^{10} \big[^2$ to $\mathds{R}^+$
1103 defined by: $D(x,y) = D_e\left(e(x),e(y)\right) + D_s\left(s(x),s(y)\right)$,
1104 where:
1105 \begin{center}
1106 $\displaystyle{D_e(E,\check{E}) = \sum_{k=0}^\mathsf{9} \delta (E_k,
1107 \check{E}_k)}$, ~~and~ $\displaystyle{D_s(S,\check{S}) = \sum_{k = 1}^\infty
1108 \dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^k}}$.
1109 \end{center}
1110 \end{definition}
1111
1112 \begin{proposition}
1113 $D$ is a distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$.
1114 \end{proposition}
1115
1116 \begin{proof}
1117 The three axioms defining a distance must be checked.
1118 \begin{itemize}
1119 \item $D \geqslant 0$, because everything is positive in its definition. If
1120 $D(x,y)=0$, then $D_e(x,y)=0$, so the integral parts of $x$ and $y$ are equal
1121 (they have the same binary decomposition). Additionally, $D_s(x,y) = 0$, then
1122 $\forall k \in \mathds{N}^*, s(x)^k = s(y)^k$. In other words, $x$ and $y$ have
1123 the same $k-$th decimal digit, $\forall k \in \mathds{N}^*$. And so $x=y$.
1124 \item $D(x,y)=D(y,x)$.
1125 \item Finally, the triangular inequality is obtained due to the fact that both
1126 $\delta$ and $\Delta(x,y)=|x-y|$ satisfy it.
1127 \end{itemize}
1128 \end{proof}
1129
1130
1131 The convergence of sequences according to $D$ is not the same than the usual
1132 convergence related to the Euclidian metric. For instance, if $x^n \to x$
1133 according to $D$, then necessarily the integral part of each $x^n$ is equal to
1134 the integral part of $x$ (at least after a given threshold), and the decimal
1135 part of $x^n$ corresponds to the one of $x$ ``as far as required''.
1136 To illustrate this fact, a comparison between $D$ and the Euclidian distance is
1137 given Figure \ref{fig:comparaison de distances}. These illustrations show that
1138 $D$ is richer and more refined than the Euclidian distance, and thus is more
1139 precise.
1140
1141
1142 \begin{figure}[t]
1143 \begin{center}
1144   \subfigure[Function $x \to dist(x;1,234) $ on the interval
1145 $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien.pdf}}\quad
1146   \subfigure[Function $x \to dist(x;3) $ on the interval
1147 $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien2.pdf}}
1148 \end{center}
1149 \caption{Comparison between $D$ (in blue) and the Euclidian distane (in green).}
1150 \label{fig:comparaison de distances}
1151 \end{figure}
1152
1153
1154
1155
1156 \subsubsection{The semiconjugacy}
1157
1158 It is now possible to define a topological semiconjugacy between $\mathcal{X}$
1159 and an interval of $\mathds{R}$:
1160
1161 \begin{theorem}
1162 Chaotic iterations on the phase space $\mathcal{X}$ are simple iterations on
1163 $\mathds{R}$, which is illustrated by the semiconjugacy of the diagram bellow:
1164 \begin{equation*}
1165 \begin{CD}
1166 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right) @>G_{f_0}>>
1167 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right)\\
1168     @V{\varphi}VV                    @VV{\varphi}V\\
1169 \left( ~\big[ 0, 2^{10} \big[, D~\right)  @>>g> \left(~\big[ 0, 2^{10} \big[,
1170 D~\right)
1171 \end{CD}
1172 \end{equation*}
1173 \end{theorem}
1174
1175 \begin{proof}
1176 $\varphi$ has been constructed in order to be continuous and onto.
1177 \end{proof}
1178
1179 In other words, $\mathcal{X}$ is approximately equal to $\big[ 0, 2^\mathsf{N}
1180 \big[$.
1181
1182
1183
1184
1185
1186
1187 \subsection{Study of the chaotic iterations described as a real function}
1188
1189
1190 \begin{figure}[t]
1191 \begin{center}
1192   \subfigure[ICs on the interval
1193 $(0,9;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs09a1.pdf}}\quad
1194   \subfigure[ICs on the interval
1195 $(0,7;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs07a95.pdf}}\\
1196   \subfigure[ICs on the interval
1197 $(0,5;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs05a1.pdf}}\quad
1198   \subfigure[ICs on the interval
1199 $(0;1)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs0a1.pdf}}
1200 \end{center}
1201 \caption{Representation of the chaotic iterations.}
1202 \label{fig:ICs}
1203 \end{figure}
1204
1205
1206
1207
1208 \begin{figure}[t]
1209 \begin{center}
1210   \subfigure[ICs on the interval
1211 $(510;514)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs510a514.pdf}}\quad
1212   \subfigure[ICs on the interval
1213 $(1000;1008)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs1000a1008.pdf}}
1214 \end{center}
1215 \caption{ICs on small intervals.}
1216 \label{fig:ICs2}
1217 \end{figure}
1218
1219 \begin{figure}[t]
1220 \begin{center}
1221   \subfigure[ICs on the interval
1222 $(0;16)$.]{\includegraphics[scale=.3]{ICs0a16.pdf}}\quad
1223   \subfigure[ICs on the interval 
1224 $(40;70)$.]{\includegraphics[scale=.45]{ICs40a70.pdf}}\quad
1225 \end{center}
1226 \caption{General aspect of the chaotic iterations.}
1227 \label{fig:ICs3}
1228 \end{figure}
1229
1230
1231 We have written a Python program to represent the chaotic iterations with the
1232 vectorial negation on the real line $\mathds{R}$. Various representations of
1233 these CIs are given in Figures \ref{fig:ICs}, \ref{fig:ICs2} and \ref{fig:ICs3}.
1234 It can be remarked that the function $g$ is a piecewise linear function: it is
1235 linear on each interval having the form $\left[ \dfrac{n}{10},
1236 \dfrac{n+1}{10}\right[$, $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$ and its
1237 slope is equal to 10. Let us justify these claims:
1238
1239 \begin{proposition}
1240 \label{Prop:derivabilite des ICs}
1241 Chaotic iterations $g$ defined on $\mathds{R}$ have derivatives of all orders on
1242 $\big[ 0, 2^{10} \big[$, except on the 10241 points in $I$ defined by $\left\{
1243 \dfrac{n}{10} ~\big/~ n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10\rrbracket \right\}$.
1244
1245 Furthermore, on each interval of the form $\left[ \dfrac{n}{10},
1246 \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$,
1247 $g$ is a linear function, having a slope equal to 10: $\forall x \notin I,
1248 g'(x)=10$.
1249 \end{proposition}
1250
1251
1252 \begin{proof}
1253 Let $I_n = \left[ \dfrac{n}{10}, \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket
1254 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$. All the points of $I_n$ have the same integral
1255 prat $e$ and the same decimal part $s^0$: on the set $I_n$,  functions $e(x)$
1256 and $x \mapsto s(x)^0$ of Definition \ref{def:e et s} only depend on $n$. So all
1257 the images $g(x)$ of these points $x$:
1258 \begin{itemize}
1259 \item Have the same integral part, which is $e$, except probably the bit number
1260 $s^0$. In other words, this integer has approximately the same binary
1261 decomposition than $e$, the sole exception being the digit $s^0$ (this number is
1262 then either $e+2^{10-s^0}$ or $e-2^{10-s^0}$, depending on the parity of $s^0$,
1263 \emph{i.e.}, it is equal to $e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}$).
1264 \item A shift to the left has been applied to the decimal part $y$, losing by
1265 doing so the common first digit $s^0$. In other words, $y$ has been mapped into
1266 $10\times y - s^0$.
1267 \end{itemize}
1268 To sum up, the action of $g$ on the points of $I$ is as follows: first, make a
1269 multiplication by 10, and second, add the same constant to each term, which is
1270 $\dfrac{1}{10}\left(e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}\right)-s^0$.
1271 \end{proof}
1272
1273 \begin{remark}
1274 Finally, chaotic iterations are elements of the large family of functions that
1275 are both chaotic and piecewise linear (like the tent map).
1276 \end{remark}
1277
1278
1279
1280 \subsection{Comparison of the two metrics on $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$}
1281
1282 The two propositions bellow allow to compare our two distances on $\big[ 0,
1283 2^\mathsf{N} \big[$:
1284
1285 \begin{proposition}
1286 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,\Delta~\right) \to \left(~\big[ 0,
1287 2^\mathsf{N} \big[, D~\right)$ is not continuous. 
1288 \end{proposition}
1289
1290 \begin{proof}
1291 The sequence $x^n = 1,999\hdots 999$ constituted by $n$ 9 as decimal part, is
1292 such that:
1293 \begin{itemize}
1294 \item $\Delta (x^n,2) \to 0.$
1295 \item But $D(x^n,2) \geqslant 1$, then $D(x^n,2)$ does not converge to 0.
1296 \end{itemize}
1297
1298 The sequential characterization of the continuity concludes the demonstration.
1299 \end{proof}
1300
1301
1302
1303 A contrario:
1304
1305 \begin{proposition}
1306 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,D~\right) \to \left(~\big[ 0,
1307 2^\mathsf{N} \big[, \Delta ~\right)$ is a continuous fonction. 
1308 \end{proposition}
1309
1310 \begin{proof}
1311 If $D(x^n,x) \to 0$, then $D_e(x^n,x) = 0$ at least for $n$ larger than a given
1312 threshold, because $D_e$ only returns integers. So, after this threshold, the
1313 integral parts of all the $x^n$ are equal to the integral part of $x$. 
1314
1315 Additionally, $D_s(x^n, x) \to 0$, then $\forall k \in \mathds{N}^*, \exists N_k
1316 \in \mathds{N}, n \geqslant N_k \Rightarrow D_s(x^n,x) \leqslant 10^{-k}$. This
1317 means that for all $k$, an index $N_k$ can be found such that, $\forall n
1318 \geqslant N_k$, all the $x^n$ have the same $k$ firsts digits, which are the
1319 digits of $x$. We can deduce the convergence $\Delta(x^n,x) \to 0$, and thus the
1320 result.
1321 \end{proof}
1322
1323 The conclusion of these propositions is that the proposed metric is more precise
1324 than the Euclidian distance, that is:
1325
1326 \begin{corollary}
1327 $D$ is finer than the Euclidian distance $\Delta$.
1328 \end{corollary}
1329
1330 This corollary can be reformulated as follows:
1331
1332 \begin{itemize}
1333 \item The topology produced by $\Delta$ is a subset of the topology produced by
1334 $D$.
1335 \item $D$ has more open sets than $\Delta$.
1336 \item It is harder to converge for the topology $\tau_D$ inherited by $D$, than
1337 to converge with the one inherited by $\Delta$, which is denoted here by
1338 $\tau_\Delta$.
1339 \end{itemize}
1340
1341
1342 \subsection{Chaos of the chaotic iterations on $\mathds{R}$}
1343 \label{chpt:Chaos des itérations chaotiques sur R}
1344
1345
1346
1347 \subsubsection{Chaos according to Devaney}
1348
1349 We have recalled previously that the chaotic iterations $\left(\Go,
1350 \mathcal{X}_d\right)$ are chaotic according to the formulation of Devaney. We
1351 can deduce that they are chaotic on $\mathds{R}$ too, when considering the order
1352 topology, because:
1353 \begin{itemize}
1354 \item $\left(\Go, \mathcal{X}_d\right)$ and $\left(g, \big[ 0, 2^{10}
1355 \big[_D\right)$ are semiconjugate by $\varphi$,
1356 \item Then $\left(g, \big[ 0, 2^{10} \big[_D\right)$ is a system chaotic
1357 according to Devaney, because the semiconjugacy preserve this character.
1358 \item But the topology generated by $D$ is finer than the topology generated by
1359 the Euclidian distance $\Delta$ -- which is the order topology.
1360 \item According to Theorem \ref{Th:chaos et finesse}, we can deduce that the
1361 chaotic iterations $g$ are indeed chaotic, as defined by Devaney, for the order
1362 topology on $\mathds{R}$.
1363 \end{itemize}
1364
1365 This result can be formulated as follows.
1366
1367 \begin{theorem}
1368 \label{th:IC et topologie de l'ordre}
1369 The chaotic iterations $g$ on $\mathds{R}$ are chaotic according to the
1370 Devaney's formulation, when $\mathds{R}$ has his usual topology, which is the
1371 order topology.
1372 \end{theorem}
1373
1374 Indeed this result is weaker than the theorem establishing the chaos for the
1375 finer topology $d$. However the Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre}
1376 still remains important. Indeed, we have studied in our previous works a set
1377 different from the usual set of study ($\mathcal{X}$ instead of $\mathds{R}$),
1378 in order to be as close as possible from the computer: the properties of
1379 disorder proved theoretically will then be preserved when computing. However, we
1380 could wonder whether this change does not lead to a disorder of a lower quality.
1381 In other words, have we replaced a situation of a good disorder lost when
1382 computing, to another situation of a disorder preserved but of bad quality.
1383 Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre} prove exactly the contrary.
1384  
1385
1386
1387
1388
1389
1390
1391
1392 \section{Conclusion}
1393 \bibliographystyle{plain}
1394 \bibliography{mabase}
1395 \end{document}