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

Private GIT Repository
39536c619accd44ebe4ff4c130b2bcfb4a56ab2e
[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.  Devaney~\cite{Devaney} proposed  a common mathematical
60 formulation  of chaotic  dynamical  systems. Concerning  the statistical  tests,
61 TestU01the is  the best-known public-domain statistical testing  packages. So we
62 use it for all our PRNGs, especially  the {\it BigCrush} which is based on the largest
63 serie of tests.
64
65 In a  previous work~\cite{bgw09:ip}  we have proposed  a new familly  of chaotic
66 PRNG  based on  chaotic iterations  (IC).   In this  paper we  propose a  faster
67 version which is also proven to be chaotic with the Devaney formulation.
68
69 Although graphics  processing units (GPU)  was initially designed  to accelerate
70 the manipulation of  images, they are nowadays commonly  used in many scientific
71 applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudo-random
72 numbers inside a GPU when a scientific application runs in a GPU. That is why we
73 also provide an efficient PRNG for GPU respecting based on IC.
74
75
76
77
78 Interet des itérations chaotiques pour générer des nombre alea\\
79 Interet de générer des nombres alea sur GPU
80
81
82 \section{Related works on GPU based PRNGs}
83
84 In the litterature many authors have work on defining GPU based PRNGs. We do not
85 want to be exhaustive and we just give the most significant works from our point
86 of view.
87
88 In \cite{Pang:2008:cec},  the authors define  a PRNG based on  cellular automata
89 which  does   not  require  high  precision  integer   arithmetics  nor  bitwise
90 operations. There is no mention of statistical tests nor proof that this PRNG is
91 chaotic. Concerning  the speed  of generation, they  can generate  about 3200000
92 random numbers per seconds on a GeForce 7800 GTX GPU (which is quite old now).
93
94 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
95 based on  Lagged Fibonacci,  Hybrid Taus  or Hybrid Taus.  They have  used these
96 PRNGs for Langevin simulations of biomolecules fully implemented on GPU.
97
98 \section{Basic Recalls}
99 \label{section:BASIC RECALLS}
100 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
101 topological chaos and chaotic iterations.
102 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
103
104 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
105 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
106 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
107 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
108
109
110 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
111 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
112
113 \begin{definition}
114 $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
115 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
116 \varnothing$.
117 \end{definition}
118
119 \begin{definition}
120 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
121 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
122 \end{definition}
123
124 \begin{definition}
125 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
126 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
127 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
128 necessarily the same period).
129 \end{definition}
130
131
132 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
133 $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
134 topologically transitive.
135 \end{definition}
136
137 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
138 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
139
140 \begin{definition}
141 \label{sensitivity} $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
142 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
143 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
144 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
145
146 $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
147 \end{definition}
148
149 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
150 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
151 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
152 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
153 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
154 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
155 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
156 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
157 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
158 possible and occur in an unpredictable way.
159
160
161
162 \subsection{Chaotic Iterations}
163 \label{sec:chaotic iterations}
164
165
166 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
167 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
168 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
169  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
170 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
171 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
172 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
173
174 \begin{definition}
175 \label{Def:chaotic iterations}
176 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
177 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
178 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
179 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
180 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
181 \begin{equation}
182 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
183 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
184 \begin{array}{ll}
185   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
186   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
187 \end{array}\right.
188 \end{equation}
189 \end{definition}
190
191 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
192 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
193 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
194 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
195 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
196 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
197 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
198 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
199
200
201 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
202 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
203
204 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
205 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function:
206 \begin{equation}
207 \begin{array}{lrll}
208 F_{f}: & \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
209 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
210 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+f(E)_{k}.\overline{\delta
211 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
212 \end{array}%
213 \end{equation}%
214 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
215 Consider the phase space:
216 \begin{equation}
217 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
218 \mathds{B}^\mathsf{N},
219 \end{equation}
220 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
221 \begin{equation}
222 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
223 \end{equation}
224 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
225 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
226 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
227 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
228 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
229 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
230 \begin{equation}
231 \left\{
232 \begin{array}{l}
233 X^0 \in \mathcal{X} \\
234 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
235 \end{array}%
236 \right.
237 \end{equation}%
238
239 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
240 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
241 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
242 chaotic. 
243 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
244 (\check{S},\check{E})\in
245 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
246 \begin{equation}
247 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
248 \end{equation}
249 \noindent where
250 \begin{equation}
251 \left\{
252 \begin{array}{lll}
253 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
254 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
255 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
256 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
257 \end{array}%
258 \right.
259 \end{equation}
260
261
262 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
263 \begin{itemize}
264 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
265 their distance should increase too.
266 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
267 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
268 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
269 while. Indeed, the two dynamical systems start with the same initial condition,
270 use the same update function, and as strategies are the same for a while, then
271 components that are updated are the same too.
272 \end{itemize}
273 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
274 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
275 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
276 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
277 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
278 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
279 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
280 The impact of this choice for a distance will be investigate at the end of the document.
281
282 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
283
284 \begin{proposition}
285 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
286 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
287 \end{proposition}
288
289 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
290 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
291 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
292
293 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
294 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
295 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
296 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
297 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
298 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
299 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
300 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
301 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
302 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
303
304 We have finally proven in \cite{bcgr11:ip} that,
305
306
307 \begin{theorem}
308 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
309 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
310 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
311 \end{theorem}
312
313 This result of chaos has lead us to study the possibility to build a
314 pseudo-random number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
315 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
316 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is build from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
317 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
318 during implementations (due to the discrete nature of $f$). It is as if
319 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
320 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance).
321
322 \section{Application to Pseudo-Randomness}
323
324 \subsection{A First Pseudo-Random Number Generator}
325
326 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
327 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
328 leading thus to a new PRNG that improves the statistical properties of each
329 generator taken alone. Furthermore, our generator 
330 possesses various chaos properties that none of the generators used as input
331 present.
332
333 \begin{algorithm}[h!]
334 %\begin{scriptsize}
335 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
336 ($n$ bits)}
337 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
338 $x\leftarrow x^0$\;
339 $k\leftarrow b + \textit{XORshift}(b)$\;
340 \For{$i=0,\dots,k$}
341 {
342 $s\leftarrow{\textit{XORshift}(n)}$\;
343 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
344 }
345 return $x$\;
346 %\end{scriptsize}
347 \caption{PRNG with chaotic functions}
348 \label{CI Algorithm}
349 \end{algorithm}
350
351 \begin{algorithm}[h!]
352 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
353 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
354 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
355 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
356 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
357 $y\leftarrow{z}$\;
358 return $y$\;
359 \medskip
360 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
361 \label{XORshift}
362 \end{algorithm}
363
364
365
366
367
368 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
369 It takes as input: a function $f$;
370 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations is at least $b$
371 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
372 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
373 \textit{XORshift}$(k)$ PRNGs \cite{Marsaglia2003} that returns integers
374 uniformly distributed
375 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
376 \textit{XORshift} is a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia,
377 which repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
378 with a bit shifted version of it. This PRNG, which has a period of
379 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. It is used
380 in our PRNG to compute the strategy length and the strategy elements.
381
382
383 We have proven in \cite{bcgr11:ip} that,
384 \begin{theorem}
385   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
386   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
387   matrix and $M$ a $n\times n$ matrix defined as in the previous lemma.
388   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
389   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
390   a law that tends to the uniform distribution 
391   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
392 \end{theorem} 
393
394 This former generator as successively passed various batteries of statistical tests, as the NIST tests~\cite{bcgr11:ip}.
395
396 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
397
398 Instead of updating only one cell at each iteration, we can try to choose a
399 subset of components and to update them together. Such an attempt leads
400 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithm 
401 \ref{CI Algorithm}. When the updating function is the vectorial negation,
402 this algorithm can be rewritten as follows:
403
404 \begin{equation}
405 \left\{
406 \begin{array}{l}
407 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
408 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
409 \end{array}
410 \right.
411 \label{equation Oplus}
412 \end{equation}
413 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
414 This rewritten can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
415 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
416 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
417 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
418 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
419 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
420
421 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus} is of 
422 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
423 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
424
425 \begin{equation}
426 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
427 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
428 \begin{array}{ll}
429   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
430   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
431 \end{array}\right.
432 \label{eq:generalIC}
433 \end{equation}
434 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
435 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
436 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
437 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
438 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} for 
439 the fact that, instead of updating only one term at each iteration,
440 we select a subset of components to change.
441
442
443 Obviously, replacing Algorithm~\ref{CI Algorithm} by 
444 Equation~\ref{equation Oplus}, possible when the iteration function is
445 the vectorial negation, leads to a speed improvement. However, proofs
446 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
447 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
448 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
449 use of more general chaotic iterations to generate pseudo-random numbers 
450 faster, does not deflate their topological chaos properties.
451
452 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
453 \label{deuxième def}
454 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
455 the general form:
456
457 \begin{equation}
458 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
459 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
460 \begin{array}{ll}
461   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
462   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
463 \end{array}\right.
464 \label{general CIs}
465 \end{equation}
466
467 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
468 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
469
470 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
471 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
472 is required in order to study the topological behavior of the system.
473
474 Let us introduce the following function:
475 \begin{equation}
476 \begin{array}{cccc}
477  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
478          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
479 \end{array} 
480 \end{equation}
481 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
482
483 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
484 \begin{equation}
485 \begin{array}{lrll}
486 F_{f}: & \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
487 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
488 & (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi
489 (j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
490 \end{array}%
491 \end{equation}%
492 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
493 is the negation of the Boolean $x$.
494 Consider the phase space:
495 \begin{equation}
496 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
497 \mathds{B}^\mathsf{N},
498 \end{equation}
499 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
500 \begin{equation}
501 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
502 \end{equation}
503 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
504 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
505 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
506 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
507 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
508 be described by the following discrete dynamical system:
509 \begin{equation}
510 \left\{
511 \begin{array}{l}
512 X^0 \in \mathcal{X} \\
513 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
514 \end{array}%
515 \right.
516 \end{equation}%
517
518 Another time, a shift function appears as a component of these general chaotic 
519 iterations. 
520
521 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
522 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
523 Let us introduce:
524 \begin{equation}
525 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
526 \label{nouveau d}
527 \end{equation}
528 \noindent where
529 \begin{equation}
530 \left\{
531 \begin{array}{lll}
532 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
533 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}\textrm{ is another time the Hamming distance}, \\
534 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
535 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
536 \end{array}%
537 \right.
538 \end{equation}
539 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
540 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
541
542
543 \begin{proposition}
544 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
545 \end{proposition}
546
547 \begin{proof}
548  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
549 too, thus $d$ will be a distance as sum of two distances.
550  \begin{itemize}
551 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
552 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
553 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
554  \item $d_s$ is symmetric 
555 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
556 of the symmetric difference. 
557 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
558 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
559 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
560 inequality is obtained.
561  \end{itemize}
562 \end{proof}
563
564
565 Before being able to study the topological behavior of the general 
566 chaotic iterations, we must firstly establish that:
567
568 \begin{proposition}
569  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
570 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
571 \end{proposition}
572
573
574 \begin{proof}
575 We use the sequential continuity.
576 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
577 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
578 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
579 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
580 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
581 sequences).\newline
582 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
583 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
584 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
585 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
586 cell will change its state:
587 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
588
589 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
590 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
591 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
592 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
593
594 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
595 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
596 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
597 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
598 \noindent We now prove that the distance between $\left(
599 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
600 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
601 \begin{itemize}
602 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that distance
603 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
604 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
605 \medskip
606 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
607 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
608 \begin{equation*}
609 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
610 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
611 \end{equation*}%
612 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
613 \end{itemize}
614 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
615 G_{f}(S^n,E^n)$ 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
616 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
617 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.\bigskip \newline
618 In conclusion,
619 $$
620 \forall \varepsilon >0,\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}%
621 ,\forall n\geqslant N_{0},
622  d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
623 \leqslant \varepsilon .
624 $$
625 $G_{f}$ is consequently continuous.
626 \end{proof}
627
628
629 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
630 iterations. We will prove that,
631
632 \begin{theorem}
633 \label{t:chaos des general}
634  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
635 the Devaney's property of chaos.
636 \end{theorem}
637
638 Let us firstly prove the following lemma.
639
640 \begin{lemma}[Strong transitivity]
641 \label{strongTrans}
642  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
643 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
644 \end{lemma}
645
646 \begin{proof}
647  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
648 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
649 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
650 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
651 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
652 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
653 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
654 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
655 \begin{itemize}
656  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
657  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
658 \end{itemize}
659 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
660 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
661 claimed in the lemma.
662 \end{proof}
663
664 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}...
665
666 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
667 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
668
669 Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
670 prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
671 there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
672 $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
673 $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
674
675 Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
676 configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
677 $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
678 and $t_2\in\mathds{N}$ such
679 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
680
681 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
682 of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: $$\tilde
683 S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
684 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
685 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
686 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
687 have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
688 \end{proof}
689
690
691
692 \section{Efficient PRNG based on Chaotic Iterations}
693
694 In  order to  implement efficiently  a PRNG  based on  chaotic iterations  it is
695 possible to improve  previous works [ref]. One solution  consists in considering
696 that the  strategy used contains all the  bits for which the  negation is
697 achieved out. Then in order to apply  the negation on these bits we can simply
698 apply the  xor operator between  the current number  and the strategy. In
699 order to obtain the strategy we also use a classical PRNG.
700
701 Here  is an  example with  16-bits numbers  showing how  the bitwise  operations
702 are
703 applied.  Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are defined  in binary mode.
704 Then the following table shows the result of $x$ xor $S^i$.
705 $$
706 \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
707 \hline
708 x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
709 \hline
710 S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
711 \hline
712 x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
713 \hline
714
715 \hline
716  \end{array}
717 $$
718
719 %% \begin{figure}[htbp]
720 %% \begin{center}
721 %% \fbox{
722 %% \begin{minipage}{14cm}
723 %% unsigned int CIprng() \{\\
724 %%   static unsigned int x = 123123123;\\
725 %%   unsigned long t1 = xorshift();\\
726 %%   unsigned long t2 = xor128();\\
727 %%   unsigned long t3 = xorwow();\\
728 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t1;\\
729 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t2$>>$32);\\
730 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t3$>>$32);\\
731 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t2;\\
732 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t1$>>$32);\\
733 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t3;\\
734 %%   return x;\\
735 %% \}
736 %% \end{minipage}
737 %% }
738 %% \end{center}
739 %% \caption{sequential Chaotic Iteration PRNG}
740 %% \label{algo:seqCIprng}
741 %% \end{figure}
742
743
744
745 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential chaotic iterations based
746 PRNG},label=algo:seqCIprng}
747 \begin{lstlisting}
748 unsigned int CIprng() {
749   static unsigned int x = 123123123;
750   unsigned long t1 = xorshift();
751   unsigned long t2 = xor128();
752   unsigned long t3 = xorwow();
753   x = x^(unsigned int)t1;
754   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
755   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
756   x = x^(unsigned int)t2;
757   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
758   x = x^(unsigned int)t3;
759   return x;
760 }
761 \end{lstlisting}
762
763
764
765
766
767 In listing~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential version of  our chaotic iterations
768 based PRNG is  presented.  The xor operator is  represented by \textasciicircum.
769 This  function uses  three classical  64-bits PRNG:  the  \texttt{xorshift}, the
770 \texttt{xor128}  and  the  \texttt{xorwow}.   In  the following,  we  call  them
771 xor-like PRNGSs.   These three PRNGs are  presented in~\cite{Marsaglia2003}.  As
772 each xor-like PRNG  used works with 64-bits and as our  PRNG works with 32-bits,
773 the use of \texttt{(unsigned int)} selects the 32 least significant bits whereas
774 \texttt{(unsigned int)(t3$>>$32)}  selects the 32 most significants  bits of the
775 variable \texttt{t}.   So to produce a  random number realizes  6 xor operations
776 with 6 32-bits  numbers produced by 3 64-bits PRNG.   This version successes the
777 BigCrush of the TestU01 battery~\cite{LEcuyerS07}.
778
779 \section{Efficient prng based on chaotic iterations on GPU}
780
781 In  order to benefit  from computing  power of  GPU, a  program needs  to define
782 independent blocks of threads which  can be computed simultaneously. In general,
783 the larger the number of threads is,  the more local memory is used and the less
784 branching  instructions are  used (if,  while, ...),  the better  performance is
785 obtained  on  GPU.  So  with  algorithm  \ref{algo:seqCIprng}  presented in  the
786 previous section, it is possible to  build a similar program which computes PRNG
787 on  GPU. In  the CUDA  [ref] environment,  threads have  a  local identificator,
788 called \texttt{ThreadIdx} relative to the block containing them.
789
790
791 \subsection{Naive version for GPU}
792
793 From the CPU version, it is possible  to obtain a quite similar version for GPU.
794 The principe consists in assigning the computation of a PRNG as in sequential to
795 each thread  of the  GPU.  Of course,  it is  essential that the  three xor-like
796 PRNGs  used for  our computation  have different  parameters. So  we  chose them
797 randomly with  another PRNG. As the  initialisation is performed by  the CPU, we
798 have chosen to use the ISAAC PRNG  [ref] to initalize all the parameters for the
799 GPU version  of our  PRNG.  The  implementation of the  three xor-like  PRNGs is
800 straightforward  as soon  as their  parameters have  been allocated  in  the GPU
801 memory. Each xor-like  PRNGs used works with an internal  number $x$ which keeps
802 the last generated random numbers. Other internal variables are also used by the
803 xor-like PRNGs. More  precisely, the implementation of the  xor128, the xorshift
804 and  the xorwow  respectively  require 4,  5  and 6  unsigned  long as  internal
805 variables.
806
807 \begin{algorithm}
808
809 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
810 PRNGs in global memory\;
811 NumThreads: Number of threads\;}
812 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
813 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
814   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
815   \For{i=1 to n} {
816     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIprng}\;
817     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
818   }
819   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
820 }
821
822 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU naive version}
823 \label{algo:gpu_kernel}
824 \end{algorithm}
825
826 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of  PRNG using
827 GPU.  According  to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
828 used simultenaously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
829 inside   a    kernel   is   limited,   i.e.    the    variable   \texttt{n}   in
830 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}. For example, if  $100,000$ threads are used and
831 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)}
832 then   the  memory   required   to  store   internals   variables  of   xor-like
833 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
834 and  random  number of  our  PRNG  is  equals to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
835 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, i.e. about $52$Mb.
836
837 All the  tests performed  to pass the  BigCrush of TestU01  succeeded. Different
838 number of threads, called \texttt{NumThreads} in our algorithm, have been tested
839 upto $10$ millions.
840
841 \begin{remark}
842 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  has  the  advantage to  manipulate  independent
843 PRNGs, so this version is easily usable on a cluster of computer. The only thing
844 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. For this, a simple solution consists in
845 using a master node for the initialization which computes the initial parameters
846 for all the differents nodes involves in the computation.
847 \end{remark}
848
849 \subsection{Improved version for GPU}
850
851 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
852 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
853 i.e., using less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
854 one xor-like PRNG by thread, saving  it into shared memory and using the results
855 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
856 thread uses the result of which other  one, we can use a permutation array which
857 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a  permutation has  been
858 performed.  In Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}, 2 permutations arrays are used.
859 The    variable   \texttt{offset}    is    computed   using    the   value    of
860 \texttt{permutation\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
861 which represent the indexes of the  other threads for which the results are used
862 by the  current thread. In  the algorithm, we  consider that a  64-bits xor-like
863 PRNG is used, that is why both 32-bits parts are used.
864
865 This version also succeed to the BigCrush batteries of tests.
866
867 \begin{algorithm}
868
869 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
870 in global memory\;
871 NumThreads: Number of threads\;
872 tab1, tab2: Arrays containing permutations of size permutation\_size\;}
873
874 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
875 \If{threadId is concerned} {
876   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables\;
877   offset = threadIdx\%permutation\_size\;
878   o1 = threadIdx-offset+tab1[offset]\;
879   o2 = threadIdx-offset+tab2[offset]\;
880   \For{i=1 to n} {
881     t=xor-like()\;
882     shared\_mem[threadId]=(unsigned int)t\;
883     x = x $\oplus$ (unsigned int) t\;
884     x = x $\oplus$ (unsigned int) (t>>32)\;
885     x = x $\oplus$ shared[o1]\;
886     x = x $\oplus$ shared[o2]\;
887
888     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
889   }
890   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
891 }
892
893 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
894 version}
895 \label{algo:gpu_kernel2}
896 \end{algorithm}
897
898 \subsection{Theoretical Evaluation of the Improved Version}
899
900 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in four operations having 
901 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
902 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, four iterations of the general chaotic
903 iterations are realized between two stored values of the PRNG.
904 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
905 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
906 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
907 The left term $x$ obviously belongs into $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
908 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that each right 
909 term, corresponding to terms of the strategies,  can possibly be equal to any
910 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
911
912 Such a result is obvious for the two first lines, as for the xor-like(), all the
913 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration.
914 It can be easily stated for the two last lines by an immediate mathematical
915 induction.
916
917 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
918 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
919 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
920
921 \section{Experiments}
922
923 Different experiments have been performed in order to measure the generation
924 speed.
925 \begin{figure}[t]
926 \begin{center}
927   \includegraphics[scale=.7]{curve_time_gpu.pdf}
928 \end{center}
929 \caption{Number of random numbers generated per second}
930 \label{fig:time_naive_gpu}
931 \end{figure}
932
933
934 First of all we have compared the time to generate X random numbers with both
935 the CPU version and the GPU version. 
936
937 Faire une courbe du nombre de random en fonction du nombre de threads,
938 éventuellement en fonction du nombres de threads par bloc.
939
940
941
942 \section{The relativity of disorder}
943 \label{sec:de la relativité du désordre}
944
945 In the next two sections, we investigate the impact of the choices that have
946 lead to the definitions of measures in Sections \ref{sec:chaotic iterations} and \ref{deuxième def}.
947
948 \subsection{Impact of the topology's finenesse}
949
950 Let us firstly introduce the following notations.
951
952 \begin{notation}
953 $\mathcal{X}_\tau$ will denote the topological space
954 $\left(\mathcal{X},\tau\right)$, whereas $\mathcal{V}_\tau (x)$ will be the set
955 of all the neighborhoods of $x$ when considering the topology $\tau$ (or simply
956 $\mathcal{V} (x)$, if there is no ambiguity).
957 \end{notation}
958
959
960
961 \begin{theorem}
962 \label{Th:chaos et finesse}
963 Let $\mathcal{X}$ a set and $\tau, \tau'$ two topologies on $\mathcal{X}$ s.t.
964 $\tau'$ is finer than $\tau$. Let $f:\mathcal{X} \to \mathcal{X}$, continuous
965 both for $\tau$ and $\tau'$.
966
967 If $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is chaotic according to Devaney, then
968 $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is chaotic too.
969 \end{theorem}
970
971 \begin{proof}
972 Let us firstly establish the transitivity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$.
973
974 Let $\omega_1, \omega_2$ two open sets of $\tau$. Then $\omega_1, \omega_2 \in
975 \tau'$, becaus $\tau'$ is finer than $\tau$. As $f$ is $\tau'-$transitive, we
976 can deduce that $\exists n \in \mathds{N}, \omega_1 \cap f^{(n)}(\omega_2) =
977 \varnothing$. Consequently, $f$ is $\tau-$transitive.
978
979 Let us now consider the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$, \emph{i.e.}, for
980 all $x \in \mathcal{X}$, and for all $\tau-$neighborhood $V$ of $x$, there is a
981 periodic point for $f$ into $V$.
982
983 Let $x \in \mathcal{X}$ and $V \in \mathcal{V}_\tau (x)$ a $\tau-$neighborhood
984 of $x$. By definition, $\exists \omega \in \tau, x \in \omega \subset V$.
985
986 But $\tau \subset \tau'$, so $\omega \in \tau'$, and then $V \in
987 \mathcal{V}_{\tau'} (x)$. As $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is regular, there is a
988 periodic point for $f$ into $V$, and the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is
989 proven. 
990 \end{proof}
991
992 \subsection{A given system can always be claimed as chaotic}
993
994 Let $f$ an iteration function on $\mathcal{X}$ having at least a fixed point.
995 Then this function is chaotic (in a certain way):
996
997 \begin{theorem}
998 Let $\mathcal{X}$ a nonempty set and $f: \mathcal{X} \to \X$ a function having
999 at least a fixed point.
1000 Then $f$ is $\tau_0-$chaotic, where $\tau_0$ is the trivial (indiscrete)
1001 topology on $\X$.
1002 \end{theorem}
1003
1004
1005 \begin{proof}
1006 $f$ is transitive when $\forall \omega, \omega' \in \tau_0 \setminus
1007 \{\varnothing\}, \exists n \in \mathds{N}, f^{(n)}(\omega) \cap \omega' \neq
1008 \varnothing$.
1009 As $\tau_0 = \left\{ \varnothing, \X \right\}$, this is equivalent to look for
1010 an integer $n$ s.t. $f^{(n)}\left( \X \right) \cap \X \neq \varnothing$. For
1011 instance, $n=0$ is appropriate.
1012
1013 Let us now consider $x \in \X$ and $V \in \mathcal{V}_{\tau_0} (x)$. Then $V =
1014 \mathcal{X}$, so $V$ has at least a fixed point for $f$. Consequently $f$ is
1015 regular, and the result is established.
1016 \end{proof}
1017
1018
1019
1020
1021 \subsection{A given system can always be claimed as non-chaotic}
1022
1023 \begin{theorem}
1024 Let $\mathcal{X}$ be a set and $f: \mathcal{X} \to \X$.
1025 If $\X$ is infinite, then $\left( \X_{\tau_\infty}, f\right)$ is not chaotic
1026 (for the Devaney's formulation), where $\tau_\infty$ is the discrete topology.
1027 \end{theorem}
1028
1029 \begin{proof}
1030 Let us prove it by contradiction, assuming that $\left(\X_{\tau_\infty},
1031 f\right)$ is both transitive and regular.
1032
1033 Let $x \in \X$ and $\{x\}$ one of its neighborhood. This neighborhood must
1034 contain a periodic point for $f$, if we want that $\left(\X_{\tau_\infty},
1035 f\right)$ is regular. Then $x$ must be a periodic point of $f$.
1036
1037 Let $I_x = \left\{ f^{(n)}(x), n \in \mathds{N}\right\}$. This set is finite
1038 because  $x$ is periodic, and $\mathcal{X}$ is infinite, then $\exists y \in
1039 \mathcal{X}, y \notin I_x$.
1040
1041 As $\left(\X_{\tau_\infty}, f\right)$ must be transitive, for all open nonempty
1042 sets $A$ and $B$, an integer $n$ must satisfy $f^{(n)}(A) \cap B \neq
1043 \varnothing$. However $\{x\}$ and $\{y\}$ are open sets and $y \notin I_x
1044 \Rightarrow \forall n, f^{(n)}\left( \{x\} \right) \cap \{y\} = \varnothing$.
1045 \end{proof}
1046
1047
1048
1049
1050
1051
1052 \section{Chaos on the order topology}
1053
1054 \subsection{The phase space is an interval of the real line}
1055
1056 \subsubsection{Toward a topological semiconjugacy}
1057
1058 In what follows, our intention is to establish, by using a topological
1059 semiconjugacy, that chaotic iterations over $\mathcal{X}$ can be described as
1060 iterations on a real interval. To do so, we must firstly introduce some
1061 notations and terminologies. 
1062
1063 Let $\mathcal{S}_\mathsf{N}$ be the set of sequences belonging into $\llbracket
1064 1; \mathsf{N}\rrbracket$ and $\mathcal{X}_{\mathsf{N}} = \mathcal{S}_\mathsf{N}
1065 \times \B^\mathsf{N}$.
1066
1067
1068 \begin{definition}
1069 The function $\varphi: \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10} \rightarrow \big[
1070 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
1071 \begin{equation}
1072  \begin{array}{cccl}
1073 \varphi: & \mathcal{X}_{10} = \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}&
1074 \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
1075  & (S,E) = \left((S^0, S^1, \hdots ); (E_0, \hdots, E_9)\right) & \longmapsto &
1076 \varphi \left((S,E)\right)
1077 \end{array}
1078 \end{equation}
1079 where $\varphi\left((S,E)\right)$ is the real number:
1080 \begin{itemize}
1081 \item whose integral part $e$ is $\displaystyle{\sum_{k=0}^9 2^{9-k} E_k}$, that
1082 is, the binary digits of $e$ are $E_0 ~ E_1 ~ \hdots ~ E_9$.
1083 \item whose decimal part $s$ is equal to $s = 0,S^0~ S^1~ S^2~ \hdots =
1084 \sum_{k=1}^{+\infty} 10^{-k} S^{k-1}.$ 
1085 \end{itemize}
1086 \end{definition}
1087
1088
1089
1090 $\varphi$ realizes the association between a point of $\mathcal{X}_{10}$ and a
1091 real number into $\big[ 0, 2^{10} \big[$. We must now translate the chaotic
1092 iterations $\Go$ on this real interval. To do so, two intermediate functions
1093 over $\big[ 0, 2^{10} \big[$ must be introduced:
1094
1095
1096 \begin{definition}
1097 \label{def:e et s}
1098 Let $x \in \big[ 0, 2^{10} \big[$ and:
1099 \begin{itemize}
1100 \item $e_0, \hdots, e_9$ the binary digits of the integral part of $x$:
1101 $\displaystyle{\lfloor x \rfloor = \sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k}$.
1102 \item $(s^k)_{k\in \mathds{N}}$ the digits of $x$, where the chosen decimal
1103 decomposition of $x$ is the one that does not have an infinite number of 9: 
1104 $\displaystyle{x = \lfloor x \rfloor + \sum_{k=0}^{+\infty} s^k 10^{-k-1}}$.
1105 \end{itemize}
1106 $e$ and $s$ are thus defined as follows:
1107 \begin{equation}
1108 \begin{array}{cccl}
1109 e: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \mathds{B}^{10} \\
1110  & x & \longmapsto & (e_0, \hdots, e_9)
1111 \end{array}
1112 \end{equation}
1113 and
1114 \begin{equation}
1115  \begin{array}{cccc}
1116 s: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \llbracket 0, 9
1117 \rrbracket^{\mathds{N}} \\
1118  & x & \longmapsto & (s^k)_{k \in \mathds{N}}
1119 \end{array}
1120 \end{equation}
1121 \end{definition}
1122
1123 We are now able to define the function $g$, whose goal is to translate the
1124 chaotic iterations $\Go$ on an interval of $\mathds{R}$.
1125
1126 \begin{definition}
1127 $g:\big[ 0, 2^{10} \big[ \longrightarrow \big[ 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
1128 \begin{equation}
1129 \begin{array}{cccc}
1130 g: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
1131  & x & \longmapsto & g(x)
1132 \end{array}
1133 \end{equation}
1134 where g(x) is the real number of $\big[ 0, 2^{10} \big[$ defined bellow:
1135 \begin{itemize}
1136 \item its integral part has a binary decomposition equal to $e_0', \hdots,
1137 e_9'$, with:
1138  \begin{equation}
1139 e_i' = \left\{
1140 \begin{array}{ll}
1141 e(x)_i & \textrm{ if } i \neq s^0\\
1142 e(x)_i + 1 \textrm{ (mod 2)} & \textrm{ if } i = s^0\\
1143 \end{array}
1144 \right.
1145 \end{equation}
1146 \item whose decimal part is $s(x)^1, s(x)^2, \hdots$
1147 \end{itemize}
1148 \end{definition}
1149
1150 \bigskip
1151
1152
1153 In other words, if $x = \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k + 
1154 \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k} ~10^{-k-1}}$, then:
1155 \begin{equation}
1156 g(x) =
1157 \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} (e_k + \delta(k,s^0) \textrm{ (mod 2)}) + 
1158 \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k+1} 10^{-k-1}}. 
1159 \end{equation}
1160
1161
1162 \subsubsection{Defining a metric on $\big[ 0, 2^{10} \big[$}
1163
1164 Numerous metrics can be defined on the set $\big[ 0, 2^{10} \big[$, the most
1165 usual one being the Euclidian distance recalled bellow:
1166
1167 \begin{notation}
1168 \index{distance!euclidienne}
1169 $\Delta$ is the Euclidian distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$, that is,
1170 $\Delta(x,y) = |y-x|^2$.
1171 \end{notation}
1172
1173 \medskip
1174
1175 This Euclidian distance does not reproduce exactly the notion of proximity
1176 induced by our first distance $d$ on $\X$. Indeed $d$ is finer than $\Delta$.
1177 This is the reason why we have to introduce the following metric:
1178
1179
1180
1181 \begin{definition}
1182 Let $x,y \in \big[ 0, 2^{10} \big[$.
1183 $D$ denotes the function from $\big[ 0, 2^{10} \big[^2$ to $\mathds{R}^+$
1184 defined by: $D(x,y) = D_e\left(e(x),e(y)\right) + D_s\left(s(x),s(y)\right)$,
1185 where:
1186 \begin{center}
1187 $\displaystyle{D_e(E,\check{E}) = \sum_{k=0}^\mathsf{9} \delta (E_k,
1188 \check{E}_k)}$, ~~and~ $\displaystyle{D_s(S,\check{S}) = \sum_{k = 1}^\infty
1189 \dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^k}}$.
1190 \end{center}
1191 \end{definition}
1192
1193 \begin{proposition}
1194 $D$ is a distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$.
1195 \end{proposition}
1196
1197 \begin{proof}
1198 The three axioms defining a distance must be checked.
1199 \begin{itemize}
1200 \item $D \geqslant 0$, because everything is positive in its definition. If
1201 $D(x,y)=0$, then $D_e(x,y)=0$, so the integral parts of $x$ and $y$ are equal
1202 (they have the same binary decomposition). Additionally, $D_s(x,y) = 0$, then
1203 $\forall k \in \mathds{N}^*, s(x)^k = s(y)^k$. In other words, $x$ and $y$ have
1204 the same $k-$th decimal digit, $\forall k \in \mathds{N}^*$. And so $x=y$.
1205 \item $D(x,y)=D(y,x)$.
1206 \item Finally, the triangular inequality is obtained due to the fact that both
1207 $\delta$ and $\Delta(x,y)=|x-y|$ satisfy it.
1208 \end{itemize}
1209 \end{proof}
1210
1211
1212 The convergence of sequences according to $D$ is not the same than the usual
1213 convergence related to the Euclidian metric. For instance, if $x^n \to x$
1214 according to $D$, then necessarily the integral part of each $x^n$ is equal to
1215 the integral part of $x$ (at least after a given threshold), and the decimal
1216 part of $x^n$ corresponds to the one of $x$ ``as far as required''.
1217 To illustrate this fact, a comparison between $D$ and the Euclidian distance is
1218 given Figure \ref{fig:comparaison de distances}. These illustrations show that
1219 $D$ is richer and more refined than the Euclidian distance, and thus is more
1220 precise.
1221
1222
1223 \begin{figure}[t]
1224 \begin{center}
1225   \subfigure[Function $x \to dist(x;1,234) $ on the interval
1226 $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien.pdf}}\quad
1227   \subfigure[Function $x \to dist(x;3) $ on the interval
1228 $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien2.pdf}}
1229 \end{center}
1230 \caption{Comparison between $D$ (in blue) and the Euclidian distane (in green).}
1231 \label{fig:comparaison de distances}
1232 \end{figure}
1233
1234
1235
1236
1237 \subsubsection{The semiconjugacy}
1238
1239 It is now possible to define a topological semiconjugacy between $\mathcal{X}$
1240 and an interval of $\mathds{R}$:
1241
1242 \begin{theorem}
1243 Chaotic iterations on the phase space $\mathcal{X}$ are simple iterations on
1244 $\mathds{R}$, which is illustrated by the semiconjugacy of the diagram bellow:
1245 \begin{equation*}
1246 \begin{CD}
1247 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right) @>G_{f_0}>>
1248 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right)\\
1249     @V{\varphi}VV                    @VV{\varphi}V\\
1250 \left( ~\big[ 0, 2^{10} \big[, D~\right)  @>>g> \left(~\big[ 0, 2^{10} \big[,
1251 D~\right)
1252 \end{CD}
1253 \end{equation*}
1254 \end{theorem}
1255
1256 \begin{proof}
1257 $\varphi$ has been constructed in order to be continuous and onto.
1258 \end{proof}
1259
1260 In other words, $\mathcal{X}$ is approximately equal to $\big[ 0, 2^\mathsf{N}
1261 \big[$.
1262
1263
1264
1265
1266
1267
1268 \subsection{Study of the chaotic iterations described as a real function}
1269
1270
1271 \begin{figure}[t]
1272 \begin{center}
1273   \subfigure[ICs on the interval
1274 $(0,9;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs09a1.pdf}}\quad
1275   \subfigure[ICs on the interval
1276 $(0,7;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs07a95.pdf}}\\
1277   \subfigure[ICs on the interval
1278 $(0,5;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs05a1.pdf}}\quad
1279   \subfigure[ICs on the interval
1280 $(0;1)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs0a1.pdf}}
1281 \end{center}
1282 \caption{Representation of the chaotic iterations.}
1283 \label{fig:ICs}
1284 \end{figure}
1285
1286
1287
1288
1289 \begin{figure}[t]
1290 \begin{center}
1291   \subfigure[ICs on the interval
1292 $(510;514)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs510a514.pdf}}\quad
1293   \subfigure[ICs on the interval
1294 $(1000;1008)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs1000a1008.pdf}}
1295 \end{center}
1296 \caption{ICs on small intervals.}
1297 \label{fig:ICs2}
1298 \end{figure}
1299
1300 \begin{figure}[t]
1301 \begin{center}
1302   \subfigure[ICs on the interval
1303 $(0;16)$.]{\includegraphics[scale=.3]{ICs0a16.pdf}}\quad
1304   \subfigure[ICs on the interval 
1305 $(40;70)$.]{\includegraphics[scale=.45]{ICs40a70.pdf}}\quad
1306 \end{center}
1307 \caption{General aspect of the chaotic iterations.}
1308 \label{fig:ICs3}
1309 \end{figure}
1310
1311
1312 We have written a Python program to represent the chaotic iterations with the
1313 vectorial negation on the real line $\mathds{R}$. Various representations of
1314 these CIs are given in Figures \ref{fig:ICs}, \ref{fig:ICs2} and \ref{fig:ICs3}.
1315 It can be remarked that the function $g$ is a piecewise linear function: it is
1316 linear on each interval having the form $\left[ \dfrac{n}{10},
1317 \dfrac{n+1}{10}\right[$, $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$ and its
1318 slope is equal to 10. Let us justify these claims:
1319
1320 \begin{proposition}
1321 \label{Prop:derivabilite des ICs}
1322 Chaotic iterations $g$ defined on $\mathds{R}$ have derivatives of all orders on
1323 $\big[ 0, 2^{10} \big[$, except on the 10241 points in $I$ defined by $\left\{
1324 \dfrac{n}{10} ~\big/~ n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10\rrbracket \right\}$.
1325
1326 Furthermore, on each interval of the form $\left[ \dfrac{n}{10},
1327 \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$,
1328 $g$ is a linear function, having a slope equal to 10: $\forall x \notin I,
1329 g'(x)=10$.
1330 \end{proposition}
1331
1332
1333 \begin{proof}
1334 Let $I_n = \left[ \dfrac{n}{10}, \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket
1335 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$. All the points of $I_n$ have the same integral
1336 prat $e$ and the same decimal part $s^0$: on the set $I_n$,  functions $e(x)$
1337 and $x \mapsto s(x)^0$ of Definition \ref{def:e et s} only depend on $n$. So all
1338 the images $g(x)$ of these points $x$:
1339 \begin{itemize}
1340 \item Have the same integral part, which is $e$, except probably the bit number
1341 $s^0$. In other words, this integer has approximately the same binary
1342 decomposition than $e$, the sole exception being the digit $s^0$ (this number is
1343 then either $e+2^{10-s^0}$ or $e-2^{10-s^0}$, depending on the parity of $s^0$,
1344 \emph{i.e.}, it is equal to $e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}$).
1345 \item A shift to the left has been applied to the decimal part $y$, losing by
1346 doing so the common first digit $s^0$. In other words, $y$ has been mapped into
1347 $10\times y - s^0$.
1348 \end{itemize}
1349 To sum up, the action of $g$ on the points of $I$ is as follows: first, make a
1350 multiplication by 10, and second, add the same constant to each term, which is
1351 $\dfrac{1}{10}\left(e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}\right)-s^0$.
1352 \end{proof}
1353
1354 \begin{remark}
1355 Finally, chaotic iterations are elements of the large family of functions that
1356 are both chaotic and piecewise linear (like the tent map).
1357 \end{remark}
1358
1359
1360
1361 \subsection{Comparison of the two metrics on $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$}
1362
1363 The two propositions bellow allow to compare our two distances on $\big[ 0,
1364 2^\mathsf{N} \big[$:
1365
1366 \begin{proposition}
1367 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,\Delta~\right) \to \left(~\big[ 0,
1368 2^\mathsf{N} \big[, D~\right)$ is not continuous. 
1369 \end{proposition}
1370
1371 \begin{proof}
1372 The sequence $x^n = 1,999\hdots 999$ constituted by $n$ 9 as decimal part, is
1373 such that:
1374 \begin{itemize}
1375 \item $\Delta (x^n,2) \to 0.$
1376 \item But $D(x^n,2) \geqslant 1$, then $D(x^n,2)$ does not converge to 0.
1377 \end{itemize}
1378
1379 The sequential characterization of the continuity concludes the demonstration.
1380 \end{proof}
1381
1382
1383
1384 A contrario:
1385
1386 \begin{proposition}
1387 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,D~\right) \to \left(~\big[ 0,
1388 2^\mathsf{N} \big[, \Delta ~\right)$ is a continuous fonction. 
1389 \end{proposition}
1390
1391 \begin{proof}
1392 If $D(x^n,x) \to 0$, then $D_e(x^n,x) = 0$ at least for $n$ larger than a given
1393 threshold, because $D_e$ only returns integers. So, after this threshold, the
1394 integral parts of all the $x^n$ are equal to the integral part of $x$. 
1395
1396 Additionally, $D_s(x^n, x) \to 0$, then $\forall k \in \mathds{N}^*, \exists N_k
1397 \in \mathds{N}, n \geqslant N_k \Rightarrow D_s(x^n,x) \leqslant 10^{-k}$. This
1398 means that for all $k$, an index $N_k$ can be found such that, $\forall n
1399 \geqslant N_k$, all the $x^n$ have the same $k$ firsts digits, which are the
1400 digits of $x$. We can deduce the convergence $\Delta(x^n,x) \to 0$, and thus the
1401 result.
1402 \end{proof}
1403
1404 The conclusion of these propositions is that the proposed metric is more precise
1405 than the Euclidian distance, that is:
1406
1407 \begin{corollary}
1408 $D$ is finer than the Euclidian distance $\Delta$.
1409 \end{corollary}
1410
1411 This corollary can be reformulated as follows:
1412
1413 \begin{itemize}
1414 \item The topology produced by $\Delta$ is a subset of the topology produced by
1415 $D$.
1416 \item $D$ has more open sets than $\Delta$.
1417 \item It is harder to converge for the topology $\tau_D$ inherited by $D$, than
1418 to converge with the one inherited by $\Delta$, which is denoted here by
1419 $\tau_\Delta$.
1420 \end{itemize}
1421
1422
1423 \subsection{Chaos of the chaotic iterations on $\mathds{R}$}
1424 \label{chpt:Chaos des itérations chaotiques sur R}
1425
1426
1427
1428 \subsubsection{Chaos according to Devaney}
1429
1430 We have recalled previously that the chaotic iterations $\left(\Go,
1431 \mathcal{X}_d\right)$ are chaotic according to the formulation of Devaney. We
1432 can deduce that they are chaotic on $\mathds{R}$ too, when considering the order
1433 topology, because:
1434 \begin{itemize}
1435 \item $\left(\Go, \mathcal{X}_d\right)$ and $\left(g, \big[ 0, 2^{10}
1436 \big[_D\right)$ are semiconjugate by $\varphi$,
1437 \item Then $\left(g, \big[ 0, 2^{10} \big[_D\right)$ is a system chaotic
1438 according to Devaney, because the semiconjugacy preserve this character.
1439 \item But the topology generated by $D$ is finer than the topology generated by
1440 the Euclidian distance $\Delta$ -- which is the order topology.
1441 \item According to Theorem \ref{Th:chaos et finesse}, we can deduce that the
1442 chaotic iterations $g$ are indeed chaotic, as defined by Devaney, for the order
1443 topology on $\mathds{R}$.
1444 \end{itemize}
1445
1446 This result can be formulated as follows.
1447
1448 \begin{theorem}
1449 \label{th:IC et topologie de l'ordre}
1450 The chaotic iterations $g$ on $\mathds{R}$ are chaotic according to the
1451 Devaney's formulation, when $\mathds{R}$ has his usual topology, which is the
1452 order topology.
1453 \end{theorem}
1454
1455 Indeed this result is weaker than the theorem establishing the chaos for the
1456 finer topology $d$. However the Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre}
1457 still remains important. Indeed, we have studied in our previous works a set
1458 different from the usual set of study ($\mathcal{X}$ instead of $\mathds{R}$),
1459 in order to be as close as possible from the computer: the properties of
1460 disorder proved theoretically will then be preserved when computing. However, we
1461 could wonder whether this change does not lead to a disorder of a lower quality.
1462 In other words, have we replaced a situation of a good disorder lost when
1463 computing, to another situation of a disorder preserved but of bad quality.
1464 Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre} prove exactly the contrary.
1465  
1466
1467
1468
1469
1470
1471
1472
1473 \section{Conclusion}
1474 \bibliographystyle{plain}
1475 \bibliography{mabase}
1476 \end{document}