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

Private GIT Repository
suite
[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
48 \end{abstract}
49
50 \section{Introduction}
51
52 Random  numbers are  used in  many scientific  applications and  simulations. On
53 finite  state machines,  as computers,  it is  not possible  to  generate random
54 numbers but only pseudo-random numbers. In practice, a good pseudo-random number
55 generator (PRNG) needs  to verify some features to be used  by scientists. It is
56 important  to  be  able  to  generate  pseudo-random  numbers  efficiently,  the
57 generation  needs to  be reproducible  and a  PRNG needs  to satisfy  many usual
58 statistical properties. Finally, from our point a view, it is essential to prove
59 that  a PRNG  is  chaotic.  Concerning  the  statistical tests,  TestU01 is  the
60 best-known public-domain statistical testing package.   So we use it for all our
61 PRNGs, especially the {\it BigCrush}  which provides the largest serie of tests.
62 Concerning  the  chaotic properties,  Devaney~\cite{Devaney}  proposed a  common
63 mathematical formulation of chaotic dynamical systems.
64
65 In a  previous work~\cite{bgw09:ip}  we have proposed  a new familly  of chaotic
66 PRNG  based on  chaotic iterations  (IC). We  have proven  that these  PRNGs are
67 chaotic in the Devaney's sense.  In this paper we propose a faster version which
68 is also proven to be chaotic.
69
70 Although graphics  processing units (GPU)  was initially designed  to accelerate
71 the manipulation of  images, they are nowadays commonly  used in many scientific
72 applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudo-random
73 numbers inside a GPU when a scientific application runs in a GPU. That is why we
74 also provide  an efficient  PRNG for  GPU respecting based  on IC.  Such devices
75 allows us to generated almost 20 billions of random numbers per second.
76
77 In order  to establish  that our  PRNGs are chaotic  according to  the Devaney's
78 formulation, we extend what we have proposed in~\cite{guyeux10}. Moreover,  we define a new distance to measure the disorder in the chaos and we prove some interesting properties with this distance.
79
80 The rest of this paper  is organised as follows. In Section~\ref{section:related
81   works}  we review  some GPU  implementions of  PRNG.  Section~\ref{section:BASIC RECALLS}  gives some  basic recalls  on  Devanay's formation  of chaos  and
82 chaotic iterations. In Section~\ref{sec:pseudo-random} the proof of chaos of our
83 PRNGs  is  studied.   Section~\ref{sec:efficient  prng}  presents  an  efficient
84 implementation of  our chaotic PRNG  on a CPU.   Section~\ref{sec:efficient prng
85   gpu}   describes   the  GPU   implementation   of   our   chaotic  PRNG.    In
86 Section~\ref{sec:experiments}     some    experimentations     are    presented.
87 Section~\ref{sec:de  la  relativité du  désordre}  describes  the relativity  of
88 disorder.  In Section~\ref{sec:  chaos order  topology} the  proof  that chaotic
89 iterations can be described by iterations on a real interval is established. Finally, we give a conclusion and some perspectives.
90
91
92
93
94 \section{Related works on GPU based PRNGs}
95 \label{section:related works}
96 In the litterature many authors have work on defining GPU based PRNGs. We do not
97 want to be exhaustive and we just give the most significant works from our point
98 of view. When authors mention the  number of random numbers generated per second
99 we mention  it. We  consider that  a million numbers  per second  corresponds to
100 1MSample/s and than a billion numbers per second corresponds to 1GSample/s.
101
102 In \cite{Pang:2008:cec},  the authors define  a PRNG based on  cellular automata
103 which  does   not  require  high  precision  integer   arithmetics  nor  bitwise
104 operations. There is no mention of statistical tests nor proof that this PRNG is
105 chaotic.  Concerning   the  speed  of   generation,  they  can   generate  about
106 3.2MSample/s on a GeForce 7800 GTX GPU (which is quite old now).
107
108 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
109 based on  Lagged Fibonacci, Hybrid  Taus or Hybrid  Taus.  They have  used these
110 PRNGs   for  Langevin   simulations   of  biomolecules   fully  implemented   on
111 GPU. Performance of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
112 CPU and these PRNGs succeed to pass the {\it BigCrush} test of TestU01. There is
113 no mention that their PRNGs have chaos mathematical properties.
114
115
116 Authors of~\cite{conf/fpga/ThomasHL09}  have studied the  implementation of some
117 PRNGs on  diferrent computing architectures: CPU,  field-programmable gate array
118 (FPGA), GPU and massively parallel  processor. This study is interesting because
119 it  shows the  performance  of the  same  PRNGs on  different architeture.   For
120 example,  the FPGA  is globally  the  fastest architecture  and it  is also  the
121 efficient one because it provides the fastest number of generated random numbers
122 per joule. Concerning the GPU,  authors can generate betweend 11 and 16GSample/s
123 with a GTX 280  GPU. The drawback of this work is  that those PRNGs only succeed
124 the {\it Crush} test which is easier than the {\it Big Crush} test.
125 \newline
126 \newline
127 To the best of our knowledge no GPU implementation have been proven to have chaotic properties.
128
129 \section{Basic Recalls}
130 \label{section:BASIC RECALLS}
131 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
132 topological chaos and chaotic iterations.
133 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
134
135 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
136 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
137 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
138 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
139
140
141 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
142 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
143
144 \begin{definition}
145 $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
146 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
147 \varnothing$.
148 \end{definition}
149
150 \begin{definition}
151 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
152 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
153 \end{definition}
154
155 \begin{definition}
156 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
157 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
158 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
159 necessarily the same period).
160 \end{definition}
161
162
163 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
164 $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
165 topologically transitive.
166 \end{definition}
167
168 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
169 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
170
171 \begin{definition}
172 \label{sensitivity} $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
173 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
174 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
175 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
176
177 $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
178 \end{definition}
179
180 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
181 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
182 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
183 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
184 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
185 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
186 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
187 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
188 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
189 possible and occur in an unpredictable way.
190
191
192
193 \subsection{Chaotic Iterations}
194 \label{sec:chaotic iterations}
195
196
197 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
198 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
199 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
200  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
201 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
202 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
203 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
204
205 \begin{definition}
206 \label{Def:chaotic iterations}
207 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
208 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
209 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
210 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
211 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
212 \begin{equation}
213 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
214 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
215 \begin{array}{ll}
216   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
217   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
218 \end{array}\right.
219 \end{equation}
220 \end{definition}
221
222 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
223 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
224 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
225 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
226 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
227 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
228 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
229 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
230
231
232 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
233 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
234
235 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
236 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function:
237 \begin{equation}
238 \begin{array}{lrll}
239 F_{f}: & \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
240 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
241 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+f(E)_{k}.\overline{\delta
242 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
243 \end{array}%
244 \end{equation}%
245 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
246 Consider the phase space:
247 \begin{equation}
248 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
249 \mathds{B}^\mathsf{N},
250 \end{equation}
251 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
252 \begin{equation}
253 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
254 \end{equation}
255 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
256 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
257 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
258 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
259 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
260 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
261 \begin{equation}
262 \left\{
263 \begin{array}{l}
264 X^0 \in \mathcal{X} \\
265 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
266 \end{array}%
267 \right.
268 \end{equation}%
269
270 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
271 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
272 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
273 chaotic. 
274 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
275 (\check{S},\check{E})\in
276 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
277 \begin{equation}
278 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
279 \end{equation}
280 \noindent where
281 \begin{equation}
282 \left\{
283 \begin{array}{lll}
284 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
285 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
286 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
287 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
288 \end{array}%
289 \right.
290 \end{equation}
291
292
293 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
294 \begin{itemize}
295 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
296 their distance should increase too.
297 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
298 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
299 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
300 while. Indeed, the two dynamical systems start with the same initial condition,
301 use the same update function, and as strategies are the same for a while, then
302 components that are updated are the same too.
303 \end{itemize}
304 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
305 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
306 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
307 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
308 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
309 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
310 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
311 The impact of this choice for a distance will be investigate at the end of the document.
312
313 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
314
315 \begin{proposition}
316 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
317 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
318 \end{proposition}
319
320 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
321 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
322 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
323
324 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
325 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
326 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
327 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
328 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
329 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
330 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
331 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
332 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
333 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
334
335 We have finally proven in \cite{bcgr11:ip} that,
336
337
338 \begin{theorem}
339 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
340 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
341 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
342 \end{theorem}
343
344 This result of chaos has lead us to study the possibility to build a
345 pseudo-random number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
346 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
347 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is build from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
348 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
349 during implementations (due to the discrete nature of $f$). It is as if
350 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
351 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance).
352
353 \section{Application to Pseudo-Randomness}
354 \label{sec:pseudo-random}
355 \subsection{A First Pseudo-Random Number Generator}
356
357 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
358 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
359 leading thus to a new PRNG that improves the statistical properties of each
360 generator taken alone. Furthermore, our generator 
361 possesses various chaos properties that none of the generators used as input
362 present.
363
364 \begin{algorithm}[h!]
365 %\begin{scriptsize}
366 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
367 ($n$ bits)}
368 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
369 $x\leftarrow x^0$\;
370 $k\leftarrow b + \textit{XORshift}(b)$\;
371 \For{$i=0,\dots,k$}
372 {
373 $s\leftarrow{\textit{XORshift}(n)}$\;
374 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
375 }
376 return $x$\;
377 %\end{scriptsize}
378 \caption{PRNG with chaotic functions}
379 \label{CI Algorithm}
380 \end{algorithm}
381
382 \begin{algorithm}[h!]
383 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
384 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
385 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
386 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
387 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
388 $y\leftarrow{z}$\;
389 return $y$\;
390 \medskip
391 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
392 \label{XORshift}
393 \end{algorithm}
394
395
396
397
398
399 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
400 It takes as input: a function $f$;
401 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations is at least $b$
402 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
403 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
404 \textit{XORshift}$(k)$ PRNGs \cite{Marsaglia2003} that returns integers
405 uniformly distributed
406 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
407 \textit{XORshift} is a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia,
408 which repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
409 with a bit shifted version of it. This PRNG, which has a period of
410 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. It is used
411 in our PRNG to compute the strategy length and the strategy elements.
412
413
414 We have proven in \cite{bcgr11:ip} that,
415 \begin{theorem}
416   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
417   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
418   matrix and $M$ a $n\times n$ matrix defined as in the previous lemma.
419   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
420   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
421   a law that tends to the uniform distribution 
422   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
423 \end{theorem} 
424
425 This former generator as successively passed various batteries of statistical tests, as the NIST tests~\cite{bcgr11:ip}.
426
427 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
428
429 Instead of updating only one cell at each iteration, we can try to choose a
430 subset of components and to update them together. Such an attempt leads
431 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithm 
432 \ref{CI Algorithm}. When the updating function is the vectorial negation,
433 this algorithm can be rewritten as follows:
434
435 \begin{equation}
436 \left\{
437 \begin{array}{l}
438 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
439 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
440 \end{array}
441 \right.
442 \label{equation Oplus}
443 \end{equation}
444 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
445 This rewritten can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
446 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
447 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
448 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
449 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
450 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
451
452 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus} is of 
453 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
454 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
455
456 \begin{equation}
457 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
458 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
459 \begin{array}{ll}
460   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
461   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
462 \end{array}\right.
463 \label{eq:generalIC}
464 \end{equation}
465 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
466 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
467 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
468 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
469 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} for 
470 the fact that, instead of updating only one term at each iteration,
471 we select a subset of components to change.
472
473
474 Obviously, replacing Algorithm~\ref{CI Algorithm} by 
475 Equation~\ref{equation Oplus}, possible when the iteration function is
476 the vectorial negation, leads to a speed improvement. However, proofs
477 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
478 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
479 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
480 use of more general chaotic iterations to generate pseudo-random numbers 
481 faster, does not deflate their topological chaos properties.
482
483 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
484 \label{deuxième def}
485 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
486 the general form:
487
488 \begin{equation}
489 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
490 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
491 \begin{array}{ll}
492   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
493   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
494 \end{array}\right.
495 \label{general CIs}
496 \end{equation}
497
498 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
499 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
500
501 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
502 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
503 is required in order to study the topological behavior of the system.
504
505 Let us introduce the following function:
506 \begin{equation}
507 \begin{array}{cccc}
508  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
509          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
510 \end{array} 
511 \end{equation}
512 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
513
514 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
515 \begin{equation}
516 \begin{array}{lrll}
517 F_{f}: & \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
518 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
519 & (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi
520 (j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
521 \end{array}%
522 \end{equation}%
523 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
524 is the negation of the Boolean $x$.
525 Consider the phase space:
526 \begin{equation}
527 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
528 \mathds{B}^\mathsf{N},
529 \end{equation}
530 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
531 \begin{equation}
532 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
533 \end{equation}
534 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
535 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
536 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
537 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
538 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
539 be described by the following discrete dynamical system:
540 \begin{equation}
541 \left\{
542 \begin{array}{l}
543 X^0 \in \mathcal{X} \\
544 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
545 \end{array}%
546 \right.
547 \end{equation}%
548
549 Another time, a shift function appears as a component of these general chaotic 
550 iterations. 
551
552 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
553 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
554 Let us introduce:
555 \begin{equation}
556 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
557 \label{nouveau d}
558 \end{equation}
559 \noindent where
560 \begin{equation}
561 \left\{
562 \begin{array}{lll}
563 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
564 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}\textrm{ is another time the Hamming distance}, \\
565 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
566 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
567 \end{array}%
568 \right.
569 \end{equation}
570 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
571 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
572
573
574 \begin{proposition}
575 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
576 \end{proposition}
577
578 \begin{proof}
579  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
580 too, thus $d$ will be a distance as sum of two distances.
581  \begin{itemize}
582 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
583 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
584 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
585  \item $d_s$ is symmetric 
586 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
587 of the symmetric difference. 
588 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
589 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
590 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
591 inequality is obtained.
592  \end{itemize}
593 \end{proof}
594
595
596 Before being able to study the topological behavior of the general 
597 chaotic iterations, we must firstly establish that:
598
599 \begin{proposition}
600  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
601 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
602 \end{proposition}
603
604
605 \begin{proof}
606 We use the sequential continuity.
607 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
608 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
609 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
610 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
611 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
612 sequences).\newline
613 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
614 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
615 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
616 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
617 cell will change its state:
618 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
619
620 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
621 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
622 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
623 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
624
625 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
626 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
627 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
628 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
629 \noindent We now prove that the distance between $\left(
630 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
631 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
632 \begin{itemize}
633 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that distance
634 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
635 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
636 \medskip
637 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
638 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
639 \begin{equation*}
640 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
641 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
642 \end{equation*}%
643 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
644 \end{itemize}
645 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
646 G_{f}(S^n,E^n)$ 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
647 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
648 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.\bigskip \newline
649 In conclusion,
650 $$
651 \forall \varepsilon >0,\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}%
652 ,\forall n\geqslant N_{0},
653  d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
654 \leqslant \varepsilon .
655 $$
656 $G_{f}$ is consequently continuous.
657 \end{proof}
658
659
660 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
661 iterations. We will prove that,
662
663 \begin{theorem}
664 \label{t:chaos des general}
665  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
666 the Devaney's property of chaos.
667 \end{theorem}
668
669 Let us firstly prove the following lemma.
670
671 \begin{lemma}[Strong transitivity]
672 \label{strongTrans}
673  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
674 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
675 \end{lemma}
676
677 \begin{proof}
678  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
679 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
680 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
681 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
682 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
683 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
684 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
685 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
686 \begin{itemize}
687  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
688  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
689 \end{itemize}
690 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
691 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
692 claimed in the lemma.
693 \end{proof}
694
695 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}...
696
697 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
698 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
699
700 Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
701 prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
702 there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
703 $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
704 $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
705
706 Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
707 configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
708 $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
709 and $t_2\in\mathds{N}$ such
710 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
711
712 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
713 of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: $$\tilde
714 S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
715 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
716 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
717 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
718 have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
719 \end{proof}
720
721
722
723 \section{Efficient PRNG based on Chaotic Iterations}
724 \label{sec:efficient prng}
725
726 In  order to  implement efficiently  a PRNG  based on  chaotic iterations  it is
727 possible to improve  previous works [ref]. One solution  consists in considering
728 that the  strategy used contains all the  bits for which the  negation is
729 achieved out. Then in order to apply  the negation on these bits we can simply
730 apply the  xor operator between  the current number  and the strategy. In
731 order to obtain the strategy we also use a classical PRNG.
732
733 Here  is an  example with  16-bits numbers  showing how  the bitwise  operations
734 are
735 applied.  Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are defined  in binary mode.
736 Then the following table shows the result of $x$ xor $S^i$.
737 $$
738 \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
739 \hline
740 x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
741 \hline
742 S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
743 \hline
744 x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
745 \hline
746
747 \hline
748  \end{array}
749 $$
750
751 %% \begin{figure}[htbp]
752 %% \begin{center}
753 %% \fbox{
754 %% \begin{minipage}{14cm}
755 %% unsigned int CIprng() \{\\
756 %%   static unsigned int x = 123123123;\\
757 %%   unsigned long t1 = xorshift();\\
758 %%   unsigned long t2 = xor128();\\
759 %%   unsigned long t3 = xorwow();\\
760 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t1;\\
761 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t2$>>$32);\\
762 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t3$>>$32);\\
763 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t2;\\
764 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t1$>>$32);\\
765 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t3;\\
766 %%   return x;\\
767 %% \}
768 %% \end{minipage}
769 %% }
770 %% \end{center}
771 %% \caption{sequential Chaotic Iteration PRNG}
772 %% \label{algo:seqCIprng}
773 %% \end{figure}
774
775
776
777 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential chaotic iterations based
778 PRNG},label=algo:seqCIprng}
779 \begin{lstlisting}
780 unsigned int CIprng() {
781   static unsigned int x = 123123123;
782   unsigned long t1 = xorshift();
783   unsigned long t2 = xor128();
784   unsigned long t3 = xorwow();
785   x = x^(unsigned int)t1;
786   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
787   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
788   x = x^(unsigned int)t2;
789   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
790   x = x^(unsigned int)t3;
791   return x;
792 }
793 \end{lstlisting}
794
795
796
797
798
799 In listing~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential version of  our chaotic iterations
800 based PRNG is  presented.  The xor operator is  represented by \textasciicircum.
801 This  function uses  three classical  64-bits PRNG:  the  \texttt{xorshift}, the
802 \texttt{xor128}  and  the  \texttt{xorwow}.   In  the following,  we  call  them
803 xor-like PRNGSs.   These three PRNGs are  presented in~\cite{Marsaglia2003}.  As
804 each xor-like PRNG  used works with 64-bits and as our  PRNG works with 32-bits,
805 the use of \texttt{(unsigned int)} selects the 32 least significant bits whereas
806 \texttt{(unsigned int)(t3$>>$32)}  selects the 32 most significants  bits of the
807 variable \texttt{t}.   So to produce a  random number realizes  6 xor operations
808 with 6 32-bits  numbers produced by 3 64-bits PRNG.   This version successes the
809 BigCrush of the TestU01 battery~\cite{LEcuyerS07}.
810
811 \section{Efficient PRNGs based on chaotic iterations on GPU}
812 \label{sec:efficient prng gpu}
813
814 In  order to benefit  from computing  power of  GPU, a  program needs  to define
815 independent blocks of threads which  can be computed simultaneously. In general,
816 the larger the number of threads is,  the more local memory is used and the less
817 branching  instructions are  used (if,  while, ...),  the better  performance is
818 obtained  on  GPU.  So  with  algorithm  \ref{algo:seqCIprng}  presented in  the
819 previous section, it is possible to  build a similar program which computes PRNG
820 on   GPU.  In  the   CUDA~\cite{Nvid10}  environment,   threads  have   a  local
821 identificator, called \texttt{ThreadIdx} relative to the block containing them.
822
823
824 \subsection{Naive version for GPU}
825
826 From the CPU version, it is possible  to obtain a quite similar version for GPU.
827 The principe consists in assigning the computation of a PRNG as in sequential to
828 each thread  of the  GPU.  Of course,  it is  essential that the  three xor-like
829 PRNGs  used for  our computation  have different  parameters. So  we  chose them
830 randomly with  another PRNG. As the  initialisation is performed by  the CPU, we
831 have  chosen  to  use  the  ISAAC  PRNG~\ref{Jenkins96}  to  initalize  all  the
832 parameters for  the GPU version  of our PRNG.   The implementation of  the three
833 xor-like  PRNGs  is  straightforward  as  soon as  their  parameters  have  been
834 allocated in  the GPU memory.  Each xor-like PRNGs  used works with  an internal
835 number  $x$  which keeps  the  last  generated  random numbers.  Other  internal
836 variables  are   also  used   by  the  xor-like   PRNGs.  More   precisely,  the
837 implementation of the  xor128, the xorshift and the  xorwow respectively require
838 4, 5 and 6 unsigned long as internal variables.
839
840 \begin{algorithm}
841
842 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
843 PRNGs in global memory\;
844 NumThreads: Number of threads\;}
845 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
846 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
847   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
848   \For{i=1 to n} {
849     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIprng}\;
850     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
851   }
852   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
853 }
854
855 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU naive version}
856 \label{algo:gpu_kernel}
857 \end{algorithm}
858
859 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of  PRNG using
860 GPU.  According  to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
861 used simultenaously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
862 inside   a    kernel   is   limited,   i.e.    the    variable   \texttt{n}   in
863 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}. For example, if  $100,000$ threads are used and
864 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)}
865 then   the  memory   required   to  store   internals   variables  of   xor-like
866 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
867 and  random  number of  our  PRNG  is  equals to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
868 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, i.e. about $52$Mb.
869
870 All the  tests performed  to pass the  BigCrush of TestU01  succeeded. Different
871 number of threads, called \texttt{NumThreads} in our algorithm, have been tested
872 upto $10$ millions.
873
874 \begin{remark}
875 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  has  the  advantage to  manipulate  independent
876 PRNGs, so this version is easily usable on a cluster of computer. The only thing
877 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. For this, a simple solution consists in
878 using a master node for the initialization which computes the initial parameters
879 for all the differents nodes involves in the computation.
880 \end{remark}
881
882 \subsection{Improved version for GPU}
883
884 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
885 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
886 i.e., using less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
887 one xor-like PRNG by thread, saving  it into shared memory and using the results
888 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
889 thread uses the result of which other  one, we can use a permutation array which
890 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a  permutation has  been
891 performed.  In Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}, 2 permutations arrays are used.
892 The    variable   \texttt{offset}    is    computed   using    the   value    of
893 \texttt{permutation\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
894 which represent the indexes of the  other threads for which the results are used
895 by the  current thread. In  the algorithm, we  consider that a  64-bits xor-like
896 PRNG is used, that is why both 32-bits parts are used.
897
898 This version also succeeds to the {\it BigCrush} batteries of tests.
899
900 \begin{algorithm}
901
902 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
903 in global memory\;
904 NumThreads: Number of threads\;
905 tab1, tab2: Arrays containing permutations of size permutation\_size\;}
906
907 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
908 \If{threadId is concerned} {
909   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables\;
910   offset = threadIdx\%permutation\_size\;
911   o1 = threadIdx-offset+tab1[offset]\;
912   o2 = threadIdx-offset+tab2[offset]\;
913   \For{i=1 to n} {
914     t=xor-like()\;
915     shared\_mem[threadId]=(unsigned int)t\;
916     x = x $\oplus$ (unsigned int) t\;
917     x = x $\oplus$ (unsigned int) (t>>32)\;
918     x = x $\oplus$ shared[o1]\;
919     x = x $\oplus$ shared[o2]\;
920
921     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
922   }
923   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
924 }
925
926 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
927 version}
928 \label{algo:gpu_kernel2}
929 \end{algorithm}
930
931 \subsection{Theoretical Evaluation of the Improved Version}
932
933 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in four operations having 
934 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
935 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, four iterations of the general chaotic
936 iterations are realized between two stored values of the PRNG.
937 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
938 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
939 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
940 The left term $x$ obviously belongs into $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
941 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that each right 
942 term, corresponding to terms of the strategies,  can possibly be equal to any
943 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
944
945 Such a result is obvious for the two first lines, as for the xor-like(), all the
946 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration.
947 It can be easily stated for the two last lines by an immediate mathematical
948 induction.
949
950 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
951 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
952 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
953
954 \section{Experiments}
955 \label{sec:experiments}
956
957 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
958 speed. We have used  a computer equiped with Tesla C1060 NVidia  GPU card and an
959 Intel Xeon E5530 cadenced at 2.40 GHz for our experiments.
960
961 In Figure~\ref{fig:time_gpu}  we compare the number of  random numbers generated
962 per second.   In order  to obtain the  optimal number  we remove the  storage of
963 random numbers  in the GPU memory. This  step is time consumming  and slows down
964 the random number  generation.  Moreover, if you are  interested by applications
965 that consome  random number directly when  they are generated,  their storage is
966 completely useless. In this figure we can see that when the number of threads is
967 greater than approximately  30,000 upto 5 millions the  number of random numbers
968 generated per second is almost constant.   With the naive version, it is between
969 2.5  and  3GSample/s.   With the  optimized  version,  it  is almost  equals  to
970 20GSample/s.
971
972 \begin{figure}[htbp]
973 \begin{center}
974   \includegraphics[scale=.7]{curve_time_gpu.pdf}
975 \end{center}
976 \caption{Number of random numbers generated per second}
977 \label{fig:time_gpu}
978 \end{figure}
979
980
981 In  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIprng}  allows  us   to  generate  about
982 138MSample/s with only one core of the Xeon E5530.
983
984
985
986
987
988 \section{The relativity of disorder}
989 \label{sec:de la relativité du désordre}
990
991 In the next two sections, we investigate the impact of the choices that have
992 lead to the definitions of measures in Sections \ref{sec:chaotic iterations} and \ref{deuxième def}.
993
994 \subsection{Impact of the topology's finenesse}
995
996 Let us firstly introduce the following notations.
997
998 \begin{notation}
999 $\mathcal{X}_\tau$ will denote the topological space
1000 $\left(\mathcal{X},\tau\right)$, whereas $\mathcal{V}_\tau (x)$ will be the set
1001 of all the neighborhoods of $x$ when considering the topology $\tau$ (or simply
1002 $\mathcal{V} (x)$, if there is no ambiguity).
1003 \end{notation}
1004
1005
1006
1007 \begin{theorem}
1008 \label{Th:chaos et finesse}
1009 Let $\mathcal{X}$ a set and $\tau, \tau'$ two topologies on $\mathcal{X}$ s.t.
1010 $\tau'$ is finer than $\tau$. Let $f:\mathcal{X} \to \mathcal{X}$, continuous
1011 both for $\tau$ and $\tau'$.
1012
1013 If $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is chaotic according to Devaney, then
1014 $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is chaotic too.
1015 \end{theorem}
1016
1017 \begin{proof}
1018 Let us firstly establish the transitivity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$.
1019
1020 Let $\omega_1, \omega_2$ two open sets of $\tau$. Then $\omega_1, \omega_2 \in
1021 \tau'$, becaus $\tau'$ is finer than $\tau$. As $f$ is $\tau'-$transitive, we
1022 can deduce that $\exists n \in \mathds{N}, \omega_1 \cap f^{(n)}(\omega_2) =
1023 \varnothing$. Consequently, $f$ is $\tau-$transitive.
1024
1025 Let us now consider the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$, \emph{i.e.}, for
1026 all $x \in \mathcal{X}$, and for all $\tau-$neighborhood $V$ of $x$, there is a
1027 periodic point for $f$ into $V$.
1028
1029 Let $x \in \mathcal{X}$ and $V \in \mathcal{V}_\tau (x)$ a $\tau-$neighborhood
1030 of $x$. By definition, $\exists \omega \in \tau, x \in \omega \subset V$.
1031
1032 But $\tau \subset \tau'$, so $\omega \in \tau'$, and then $V \in
1033 \mathcal{V}_{\tau'} (x)$. As $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is regular, there is a
1034 periodic point for $f$ into $V$, and the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is
1035 proven. 
1036 \end{proof}
1037
1038 \subsection{A given system can always be claimed as chaotic}
1039
1040 Let $f$ an iteration function on $\mathcal{X}$ having at least a fixed point.
1041 Then this function is chaotic (in a certain way):
1042
1043 \begin{theorem}
1044 Let $\mathcal{X}$ a nonempty set and $f: \mathcal{X} \to \X$ a function having
1045 at least a fixed point.
1046 Then $f$ is $\tau_0-$chaotic, where $\tau_0$ is the trivial (indiscrete)
1047 topology on $\X$.
1048 \end{theorem}
1049
1050
1051 \begin{proof}
1052 $f$ is transitive when $\forall \omega, \omega' \in \tau_0 \setminus
1053 \{\varnothing\}, \exists n \in \mathds{N}, f^{(n)}(\omega) \cap \omega' \neq
1054 \varnothing$.
1055 As $\tau_0 = \left\{ \varnothing, \X \right\}$, this is equivalent to look for
1056 an integer $n$ s.t. $f^{(n)}\left( \X \right) \cap \X \neq \varnothing$. For
1057 instance, $n=0$ is appropriate.
1058
1059 Let us now consider $x \in \X$ and $V \in \mathcal{V}_{\tau_0} (x)$. Then $V =
1060 \mathcal{X}$, so $V$ has at least a fixed point for $f$. Consequently $f$ is
1061 regular, and the result is established.
1062 \end{proof}
1063
1064
1065
1066
1067 \subsection{A given system can always be claimed as non-chaotic}
1068
1069 \begin{theorem}
1070 Let $\mathcal{X}$ be a set and $f: \mathcal{X} \to \X$.
1071 If $\X$ is infinite, then $\left( \X_{\tau_\infty}, f\right)$ is not chaotic
1072 (for the Devaney's formulation), where $\tau_\infty$ is the discrete topology.
1073 \end{theorem}
1074
1075 \begin{proof}
1076 Let us prove it by contradiction, assuming that $\left(\X_{\tau_\infty},
1077 f\right)$ is both transitive and regular.
1078
1079 Let $x \in \X$ and $\{x\}$ one of its neighborhood. This neighborhood must
1080 contain a periodic point for $f$, if we want that $\left(\X_{\tau_\infty},
1081 f\right)$ is regular. Then $x$ must be a periodic point of $f$.
1082
1083 Let $I_x = \left\{ f^{(n)}(x), n \in \mathds{N}\right\}$. This set is finite
1084 because  $x$ is periodic, and $\mathcal{X}$ is infinite, then $\exists y \in
1085 \mathcal{X}, y \notin I_x$.
1086
1087 As $\left(\X_{\tau_\infty}, f\right)$ must be transitive, for all open nonempty
1088 sets $A$ and $B$, an integer $n$ must satisfy $f^{(n)}(A) \cap B \neq
1089 \varnothing$. However $\{x\}$ and $\{y\}$ are open sets and $y \notin I_x
1090 \Rightarrow \forall n, f^{(n)}\left( \{x\} \right) \cap \{y\} = \varnothing$.
1091 \end{proof}
1092
1093
1094
1095
1096
1097
1098 \section{Chaos on the order topology}
1099 \label{sec: chaos order topology}
1100 \subsection{The phase space is an interval of the real line}
1101
1102 \subsubsection{Toward a topological semiconjugacy}
1103
1104 In what follows, our intention is to establish, by using a topological
1105 semiconjugacy, that chaotic iterations over $\mathcal{X}$ can be described as
1106 iterations on a real interval. To do so, we must firstly introduce some
1107 notations and terminologies. 
1108
1109 Let $\mathcal{S}_\mathsf{N}$ be the set of sequences belonging into $\llbracket
1110 1; \mathsf{N}\rrbracket$ and $\mathcal{X}_{\mathsf{N}} = \mathcal{S}_\mathsf{N}
1111 \times \B^\mathsf{N}$.
1112
1113
1114 \begin{definition}
1115 The function $\varphi: \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10} \rightarrow \big[
1116 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
1117 \begin{equation}
1118  \begin{array}{cccl}
1119 \varphi: & \mathcal{X}_{10} = \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}&
1120 \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
1121  & (S,E) = \left((S^0, S^1, \hdots ); (E_0, \hdots, E_9)\right) & \longmapsto &
1122 \varphi \left((S,E)\right)
1123 \end{array}
1124 \end{equation}
1125 where $\varphi\left((S,E)\right)$ is the real number:
1126 \begin{itemize}
1127 \item whose integral part $e$ is $\displaystyle{\sum_{k=0}^9 2^{9-k} E_k}$, that
1128 is, the binary digits of $e$ are $E_0 ~ E_1 ~ \hdots ~ E_9$.
1129 \item whose decimal part $s$ is equal to $s = 0,S^0~ S^1~ S^2~ \hdots =
1130 \sum_{k=1}^{+\infty} 10^{-k} S^{k-1}.$ 
1131 \end{itemize}
1132 \end{definition}
1133
1134
1135
1136 $\varphi$ realizes the association between a point of $\mathcal{X}_{10}$ and a
1137 real number into $\big[ 0, 2^{10} \big[$. We must now translate the chaotic
1138 iterations $\Go$ on this real interval. To do so, two intermediate functions
1139 over $\big[ 0, 2^{10} \big[$ must be introduced:
1140
1141
1142 \begin{definition}
1143 \label{def:e et s}
1144 Let $x \in \big[ 0, 2^{10} \big[$ and:
1145 \begin{itemize}
1146 \item $e_0, \hdots, e_9$ the binary digits of the integral part of $x$:
1147 $\displaystyle{\lfloor x \rfloor = \sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k}$.
1148 \item $(s^k)_{k\in \mathds{N}}$ the digits of $x$, where the chosen decimal
1149 decomposition of $x$ is the one that does not have an infinite number of 9: 
1150 $\displaystyle{x = \lfloor x \rfloor + \sum_{k=0}^{+\infty} s^k 10^{-k-1}}$.
1151 \end{itemize}
1152 $e$ and $s$ are thus defined as follows:
1153 \begin{equation}
1154 \begin{array}{cccl}
1155 e: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \mathds{B}^{10} \\
1156  & x & \longmapsto & (e_0, \hdots, e_9)
1157 \end{array}
1158 \end{equation}
1159 and
1160 \begin{equation}
1161  \begin{array}{cccc}
1162 s: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \llbracket 0, 9
1163 \rrbracket^{\mathds{N}} \\
1164  & x & \longmapsto & (s^k)_{k \in \mathds{N}}
1165 \end{array}
1166 \end{equation}
1167 \end{definition}
1168
1169 We are now able to define the function $g$, whose goal is to translate the
1170 chaotic iterations $\Go$ on an interval of $\mathds{R}$.
1171
1172 \begin{definition}
1173 $g:\big[ 0, 2^{10} \big[ \longrightarrow \big[ 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
1174 \begin{equation}
1175 \begin{array}{cccc}
1176 g: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
1177  & x & \longmapsto & g(x)
1178 \end{array}
1179 \end{equation}
1180 where g(x) is the real number of $\big[ 0, 2^{10} \big[$ defined bellow:
1181 \begin{itemize}
1182 \item its integral part has a binary decomposition equal to $e_0', \hdots,
1183 e_9'$, with:
1184  \begin{equation}
1185 e_i' = \left\{
1186 \begin{array}{ll}
1187 e(x)_i & \textrm{ if } i \neq s^0\\
1188 e(x)_i + 1 \textrm{ (mod 2)} & \textrm{ if } i = s^0\\
1189 \end{array}
1190 \right.
1191 \end{equation}
1192 \item whose decimal part is $s(x)^1, s(x)^2, \hdots$
1193 \end{itemize}
1194 \end{definition}
1195
1196 \bigskip
1197
1198
1199 In other words, if $x = \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k + 
1200 \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k} ~10^{-k-1}}$, then:
1201 \begin{equation}
1202 g(x) =
1203 \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} (e_k + \delta(k,s^0) \textrm{ (mod 2)}) + 
1204 \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k+1} 10^{-k-1}}. 
1205 \end{equation}
1206
1207
1208 \subsubsection{Defining a metric on $\big[ 0, 2^{10} \big[$}
1209
1210 Numerous metrics can be defined on the set $\big[ 0, 2^{10} \big[$, the most
1211 usual one being the Euclidian distance recalled bellow:
1212
1213 \begin{notation}
1214 \index{distance!euclidienne}
1215 $\Delta$ is the Euclidian distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$, that is,
1216 $\Delta(x,y) = |y-x|^2$.
1217 \end{notation}
1218
1219 \medskip
1220
1221 This Euclidian distance does not reproduce exactly the notion of proximity
1222 induced by our first distance $d$ on $\X$. Indeed $d$ is finer than $\Delta$.
1223 This is the reason why we have to introduce the following metric:
1224
1225
1226
1227 \begin{definition}
1228 Let $x,y \in \big[ 0, 2^{10} \big[$.
1229 $D$ denotes the function from $\big[ 0, 2^{10} \big[^2$ to $\mathds{R}^+$
1230 defined by: $D(x,y) = D_e\left(e(x),e(y)\right) + D_s\left(s(x),s(y)\right)$,
1231 where:
1232 \begin{center}
1233 $\displaystyle{D_e(E,\check{E}) = \sum_{k=0}^\mathsf{9} \delta (E_k,
1234 \check{E}_k)}$, ~~and~ $\displaystyle{D_s(S,\check{S}) = \sum_{k = 1}^\infty
1235 \dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^k}}$.
1236 \end{center}
1237 \end{definition}
1238
1239 \begin{proposition}
1240 $D$ is a distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$.
1241 \end{proposition}
1242
1243 \begin{proof}
1244 The three axioms defining a distance must be checked.
1245 \begin{itemize}
1246 \item $D \geqslant 0$, because everything is positive in its definition. If
1247 $D(x,y)=0$, then $D_e(x,y)=0$, so the integral parts of $x$ and $y$ are equal
1248 (they have the same binary decomposition). Additionally, $D_s(x,y) = 0$, then
1249 $\forall k \in \mathds{N}^*, s(x)^k = s(y)^k$. In other words, $x$ and $y$ have
1250 the same $k-$th decimal digit, $\forall k \in \mathds{N}^*$. And so $x=y$.
1251 \item $D(x,y)=D(y,x)$.
1252 \item Finally, the triangular inequality is obtained due to the fact that both
1253 $\delta$ and $\Delta(x,y)=|x-y|$ satisfy it.
1254 \end{itemize}
1255 \end{proof}
1256
1257
1258 The convergence of sequences according to $D$ is not the same than the usual
1259 convergence related to the Euclidian metric. For instance, if $x^n \to x$
1260 according to $D$, then necessarily the integral part of each $x^n$ is equal to
1261 the integral part of $x$ (at least after a given threshold), and the decimal
1262 part of $x^n$ corresponds to the one of $x$ ``as far as required''.
1263 To illustrate this fact, a comparison between $D$ and the Euclidian distance is
1264 given Figure \ref{fig:comparaison de distances}. These illustrations show that
1265 $D$ is richer and more refined than the Euclidian distance, and thus is more
1266 precise.
1267
1268
1269 \begin{figure}[t]
1270 \begin{center}
1271   \subfigure[Function $x \to dist(x;1,234) $ on the interval
1272 $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien.pdf}}\quad
1273   \subfigure[Function $x \to dist(x;3) $ on the interval
1274 $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien2.pdf}}
1275 \end{center}
1276 \caption{Comparison between $D$ (in blue) and the Euclidian distane (in green).}
1277 \label{fig:comparaison de distances}
1278 \end{figure}
1279
1280
1281
1282
1283 \subsubsection{The semiconjugacy}
1284
1285 It is now possible to define a topological semiconjugacy between $\mathcal{X}$
1286 and an interval of $\mathds{R}$:
1287
1288 \begin{theorem}
1289 Chaotic iterations on the phase space $\mathcal{X}$ are simple iterations on
1290 $\mathds{R}$, which is illustrated by the semiconjugacy of the diagram bellow:
1291 \begin{equation*}
1292 \begin{CD}
1293 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right) @>G_{f_0}>>
1294 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right)\\
1295     @V{\varphi}VV                    @VV{\varphi}V\\
1296 \left( ~\big[ 0, 2^{10} \big[, D~\right)  @>>g> \left(~\big[ 0, 2^{10} \big[,
1297 D~\right)
1298 \end{CD}
1299 \end{equation*}
1300 \end{theorem}
1301
1302 \begin{proof}
1303 $\varphi$ has been constructed in order to be continuous and onto.
1304 \end{proof}
1305
1306 In other words, $\mathcal{X}$ is approximately equal to $\big[ 0, 2^\mathsf{N}
1307 \big[$.
1308
1309
1310
1311
1312
1313
1314 \subsection{Study of the chaotic iterations described as a real function}
1315
1316
1317 \begin{figure}[t]
1318 \begin{center}
1319   \subfigure[ICs on the interval
1320 $(0,9;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs09a1.pdf}}\quad
1321   \subfigure[ICs on the interval
1322 $(0,7;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs07a95.pdf}}\\
1323   \subfigure[ICs on the interval
1324 $(0,5;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs05a1.pdf}}\quad
1325   \subfigure[ICs on the interval
1326 $(0;1)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs0a1.pdf}}
1327 \end{center}
1328 \caption{Representation of the chaotic iterations.}
1329 \label{fig:ICs}
1330 \end{figure}
1331
1332
1333
1334
1335 \begin{figure}[t]
1336 \begin{center}
1337   \subfigure[ICs on the interval
1338 $(510;514)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs510a514.pdf}}\quad
1339   \subfigure[ICs on the interval
1340 $(1000;1008)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs1000a1008.pdf}}
1341 \end{center}
1342 \caption{ICs on small intervals.}
1343 \label{fig:ICs2}
1344 \end{figure}
1345
1346 \begin{figure}[t]
1347 \begin{center}
1348   \subfigure[ICs on the interval
1349 $(0;16)$.]{\includegraphics[scale=.3]{ICs0a16.pdf}}\quad
1350   \subfigure[ICs on the interval 
1351 $(40;70)$.]{\includegraphics[scale=.45]{ICs40a70.pdf}}\quad
1352 \end{center}
1353 \caption{General aspect of the chaotic iterations.}
1354 \label{fig:ICs3}
1355 \end{figure}
1356
1357
1358 We have written a Python program to represent the chaotic iterations with the
1359 vectorial negation on the real line $\mathds{R}$. Various representations of
1360 these CIs are given in Figures \ref{fig:ICs}, \ref{fig:ICs2} and \ref{fig:ICs3}.
1361 It can be remarked that the function $g$ is a piecewise linear function: it is
1362 linear on each interval having the form $\left[ \dfrac{n}{10},
1363 \dfrac{n+1}{10}\right[$, $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$ and its
1364 slope is equal to 10. Let us justify these claims:
1365
1366 \begin{proposition}
1367 \label{Prop:derivabilite des ICs}
1368 Chaotic iterations $g$ defined on $\mathds{R}$ have derivatives of all orders on
1369 $\big[ 0, 2^{10} \big[$, except on the 10241 points in $I$ defined by $\left\{
1370 \dfrac{n}{10} ~\big/~ n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10\rrbracket \right\}$.
1371
1372 Furthermore, on each interval of the form $\left[ \dfrac{n}{10},
1373 \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$,
1374 $g$ is a linear function, having a slope equal to 10: $\forall x \notin I,
1375 g'(x)=10$.
1376 \end{proposition}
1377
1378
1379 \begin{proof}
1380 Let $I_n = \left[ \dfrac{n}{10}, \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket
1381 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$. All the points of $I_n$ have the same integral
1382 prat $e$ and the same decimal part $s^0$: on the set $I_n$,  functions $e(x)$
1383 and $x \mapsto s(x)^0$ of Definition \ref{def:e et s} only depend on $n$. So all
1384 the images $g(x)$ of these points $x$:
1385 \begin{itemize}
1386 \item Have the same integral part, which is $e$, except probably the bit number
1387 $s^0$. In other words, this integer has approximately the same binary
1388 decomposition than $e$, the sole exception being the digit $s^0$ (this number is
1389 then either $e+2^{10-s^0}$ or $e-2^{10-s^0}$, depending on the parity of $s^0$,
1390 \emph{i.e.}, it is equal to $e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}$).
1391 \item A shift to the left has been applied to the decimal part $y$, losing by
1392 doing so the common first digit $s^0$. In other words, $y$ has been mapped into
1393 $10\times y - s^0$.
1394 \end{itemize}
1395 To sum up, the action of $g$ on the points of $I$ is as follows: first, make a
1396 multiplication by 10, and second, add the same constant to each term, which is
1397 $\dfrac{1}{10}\left(e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}\right)-s^0$.
1398 \end{proof}
1399
1400 \begin{remark}
1401 Finally, chaotic iterations are elements of the large family of functions that
1402 are both chaotic and piecewise linear (like the tent map).
1403 \end{remark}
1404
1405
1406
1407 \subsection{Comparison of the two metrics on $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$}
1408
1409 The two propositions bellow allow to compare our two distances on $\big[ 0,
1410 2^\mathsf{N} \big[$:
1411
1412 \begin{proposition}
1413 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,\Delta~\right) \to \left(~\big[ 0,
1414 2^\mathsf{N} \big[, D~\right)$ is not continuous. 
1415 \end{proposition}
1416
1417 \begin{proof}
1418 The sequence $x^n = 1,999\hdots 999$ constituted by $n$ 9 as decimal part, is
1419 such that:
1420 \begin{itemize}
1421 \item $\Delta (x^n,2) \to 0.$
1422 \item But $D(x^n,2) \geqslant 1$, then $D(x^n,2)$ does not converge to 0.
1423 \end{itemize}
1424
1425 The sequential characterization of the continuity concludes the demonstration.
1426 \end{proof}
1427
1428
1429
1430 A contrario:
1431
1432 \begin{proposition}
1433 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,D~\right) \to \left(~\big[ 0,
1434 2^\mathsf{N} \big[, \Delta ~\right)$ is a continuous fonction. 
1435 \end{proposition}
1436
1437 \begin{proof}
1438 If $D(x^n,x) \to 0$, then $D_e(x^n,x) = 0$ at least for $n$ larger than a given
1439 threshold, because $D_e$ only returns integers. So, after this threshold, the
1440 integral parts of all the $x^n$ are equal to the integral part of $x$. 
1441
1442 Additionally, $D_s(x^n, x) \to 0$, then $\forall k \in \mathds{N}^*, \exists N_k
1443 \in \mathds{N}, n \geqslant N_k \Rightarrow D_s(x^n,x) \leqslant 10^{-k}$. This
1444 means that for all $k$, an index $N_k$ can be found such that, $\forall n
1445 \geqslant N_k$, all the $x^n$ have the same $k$ firsts digits, which are the
1446 digits of $x$. We can deduce the convergence $\Delta(x^n,x) \to 0$, and thus the
1447 result.
1448 \end{proof}
1449
1450 The conclusion of these propositions is that the proposed metric is more precise
1451 than the Euclidian distance, that is:
1452
1453 \begin{corollary}
1454 $D$ is finer than the Euclidian distance $\Delta$.
1455 \end{corollary}
1456
1457 This corollary can be reformulated as follows:
1458
1459 \begin{itemize}
1460 \item The topology produced by $\Delta$ is a subset of the topology produced by
1461 $D$.
1462 \item $D$ has more open sets than $\Delta$.
1463 \item It is harder to converge for the topology $\tau_D$ inherited by $D$, than
1464 to converge with the one inherited by $\Delta$, which is denoted here by
1465 $\tau_\Delta$.
1466 \end{itemize}
1467
1468
1469 \subsection{Chaos of the chaotic iterations on $\mathds{R}$}
1470 \label{chpt:Chaos des itérations chaotiques sur R}
1471
1472
1473
1474 \subsubsection{Chaos according to Devaney}
1475
1476 We have recalled previously that the chaotic iterations $\left(\Go,
1477 \mathcal{X}_d\right)$ are chaotic according to the formulation of Devaney. We
1478 can deduce that they are chaotic on $\mathds{R}$ too, when considering the order
1479 topology, because:
1480 \begin{itemize}
1481 \item $\left(\Go, \mathcal{X}_d\right)$ and $\left(g, \big[ 0, 2^{10}
1482 \big[_D\right)$ are semiconjugate by $\varphi$,
1483 \item Then $\left(g, \big[ 0, 2^{10} \big[_D\right)$ is a system chaotic
1484 according to Devaney, because the semiconjugacy preserve this character.
1485 \item But the topology generated by $D$ is finer than the topology generated by
1486 the Euclidian distance $\Delta$ -- which is the order topology.
1487 \item According to Theorem \ref{Th:chaos et finesse}, we can deduce that the
1488 chaotic iterations $g$ are indeed chaotic, as defined by Devaney, for the order
1489 topology on $\mathds{R}$.
1490 \end{itemize}
1491
1492 This result can be formulated as follows.
1493
1494 \begin{theorem}
1495 \label{th:IC et topologie de l'ordre}
1496 The chaotic iterations $g$ on $\mathds{R}$ are chaotic according to the
1497 Devaney's formulation, when $\mathds{R}$ has his usual topology, which is the
1498 order topology.
1499 \end{theorem}
1500
1501 Indeed this result is weaker than the theorem establishing the chaos for the
1502 finer topology $d$. However the Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre}
1503 still remains important. Indeed, we have studied in our previous works a set
1504 different from the usual set of study ($\mathcal{X}$ instead of $\mathds{R}$),
1505 in order to be as close as possible from the computer: the properties of
1506 disorder proved theoretically will then be preserved when computing. However, we
1507 could wonder whether this change does not lead to a disorder of a lower quality.
1508 In other words, have we replaced a situation of a good disorder lost when
1509 computing, to another situation of a disorder preserved but of bad quality.
1510 Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre} prove exactly the contrary.
1511  
1512
1513
1514
1515
1516
1517
1518
1519 \section{Conclusion}
1520 \bibliographystyle{plain}
1521 \bibliography{mabase}
1522 \end{document}