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

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