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

Private GIT Repository
41e628a97bc3cd8695dd4bed1ffea352591b5be5
[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.
75
76
77
78
79 Interet des itérations chaotiques pour générer des nombre alea\\
80 Interet de générer des nombres alea sur GPU
81
82
83 \section{Related works on GPU based PRNGs}
84
85 In the litterature many authors have work on defining GPU based PRNGs. We do not
86 want to be exhaustive and we just give the most significant works from our point
87 of view.
88
89 In \cite{Pang:2008:cec},  the authors define  a PRNG based on  cellular automata
90 which  does   not  require  high  precision  integer   arithmetics  nor  bitwise
91 operations. There is no mention of statistical tests nor proof that this PRNG is
92 chaotic. Concerning  the speed  of generation, they  can generate  about 3200000
93 random numbers per seconds on a GeForce 7800 GTX GPU (which is quite old now).
94
95 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
96 based on  Lagged Fibonacci, Hybrid  Taus or Hybrid  Taus.  They have  used these
97 PRNGs   for  Langevin   simulations   of  biomolecules   fully  implemented   on
98 GPU. Performance of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
99 CPU and these PRNGs succeed to pass the {\it BigCrush} test of TestU01. There is
100 no mention that their PRNGs have chaos mathematical properties.
101
102 To the best of our knowledge no GPU implementation have been proven to have chaotic properties.
103
104 \section{Basic Recalls}
105 \label{section:BASIC RECALLS}
106 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
107 topological chaos and chaotic iterations.
108 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
109
110 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
111 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
112 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
113 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
114
115
116 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
117 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
118
119 \begin{definition}
120 $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
121 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
122 \varnothing$.
123 \end{definition}
124
125 \begin{definition}
126 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
127 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
128 \end{definition}
129
130 \begin{definition}
131 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
132 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
133 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
134 necessarily the same period).
135 \end{definition}
136
137
138 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
139 $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
140 topologically transitive.
141 \end{definition}
142
143 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
144 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
145
146 \begin{definition}
147 \label{sensitivity} $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
148 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
149 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
150 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
151
152 $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
153 \end{definition}
154
155 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
156 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
157 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
158 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
159 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
160 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
161 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
162 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
163 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
164 possible and occur in an unpredictable way.
165
166
167
168 \subsection{Chaotic Iterations}
169 \label{sec:chaotic iterations}
170
171
172 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
173 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
174 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
175  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
176 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
177 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
178 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
179
180 \begin{definition}
181 \label{Def:chaotic iterations}
182 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
183 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
184 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
185 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
186 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
187 \begin{equation}
188 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
189 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
190 \begin{array}{ll}
191   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
192   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
193 \end{array}\right.
194 \end{equation}
195 \end{definition}
196
197 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
198 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
199 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
200 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
201 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
202 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
203 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
204 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
205
206
207 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
208 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
209
210 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
211 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function:
212 \begin{equation}
213 \begin{array}{lrll}
214 F_{f}: & \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
215 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
216 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+f(E)_{k}.\overline{\delta
217 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
218 \end{array}%
219 \end{equation}%
220 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
221 Consider the phase space:
222 \begin{equation}
223 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
224 \mathds{B}^\mathsf{N},
225 \end{equation}
226 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
227 \begin{equation}
228 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
229 \end{equation}
230 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
231 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
232 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
233 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
234 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
235 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
236 \begin{equation}
237 \left\{
238 \begin{array}{l}
239 X^0 \in \mathcal{X} \\
240 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
241 \end{array}%
242 \right.
243 \end{equation}%
244
245 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
246 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
247 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
248 chaotic. 
249 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
250 (\check{S},\check{E})\in
251 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
252 \begin{equation}
253 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
254 \end{equation}
255 \noindent where
256 \begin{equation}
257 \left\{
258 \begin{array}{lll}
259 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
260 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
261 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
262 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
263 \end{array}%
264 \right.
265 \end{equation}
266
267
268 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
269 \begin{itemize}
270 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
271 their distance should increase too.
272 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
273 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
274 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
275 while. Indeed, the two dynamical systems start with the same initial condition,
276 use the same update function, and as strategies are the same for a while, then
277 components that are updated are the same too.
278 \end{itemize}
279 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
280 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
281 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
282 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
283 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
284 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
285 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
286 The impact of this choice for a distance will be investigate at the end of the document.
287
288 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
289
290 \begin{proposition}
291 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
292 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
293 \end{proposition}
294
295 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
296 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
297 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
298
299 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
300 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
301 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
302 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
303 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
304 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
305 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
306 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
307 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
308 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
309
310 We have finally proven in \cite{bcgr11:ip} that,
311
312
313 \begin{theorem}
314 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
315 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
316 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
317 \end{theorem}
318
319 This result of chaos has lead us to study the possibility to build a
320 pseudo-random number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
321 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
322 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is build from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
323 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
324 during implementations (due to the discrete nature of $f$). It is as if
325 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
326 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance).
327
328 \section{Application to Pseudo-Randomness}
329
330 \subsection{A First Pseudo-Random Number Generator}
331
332 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
333 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
334 leading thus to a new PRNG that improves the statistical properties of each
335 generator taken alone. Furthermore, our generator 
336 possesses various chaos properties that none of the generators used as input
337 present.
338
339 \begin{algorithm}[h!]
340 %\begin{scriptsize}
341 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
342 ($n$ bits)}
343 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
344 $x\leftarrow x^0$\;
345 $k\leftarrow b + \textit{XORshift}(b)$\;
346 \For{$i=0,\dots,k$}
347 {
348 $s\leftarrow{\textit{XORshift}(n)}$\;
349 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
350 }
351 return $x$\;
352 %\end{scriptsize}
353 \caption{PRNG with chaotic functions}
354 \label{CI Algorithm}
355 \end{algorithm}
356
357 \begin{algorithm}[h!]
358 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
359 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
360 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
361 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
362 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
363 $y\leftarrow{z}$\;
364 return $y$\;
365 \medskip
366 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
367 \label{XORshift}
368 \end{algorithm}
369
370
371
372
373
374 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
375 It takes as input: a function $f$;
376 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations is at least $b$
377 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
378 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
379 \textit{XORshift}$(k)$ PRNGs \cite{Marsaglia2003} that returns integers
380 uniformly distributed
381 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
382 \textit{XORshift} is a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia,
383 which repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
384 with a bit shifted version of it. This PRNG, which has a period of
385 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. It is used
386 in our PRNG to compute the strategy length and the strategy elements.
387
388
389 We have proven in \cite{bcgr11:ip} that,
390 \begin{theorem}
391   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
392   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
393   matrix and $M$ a $n\times n$ matrix defined as in the previous lemma.
394   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
395   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
396   a law that tends to the uniform distribution 
397   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
398 \end{theorem} 
399
400 This former generator as successively passed various batteries of statistical tests, as the NIST tests~\cite{bcgr11:ip}.
401
402 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
403
404 Instead of updating only one cell at each iteration, we can try to choose a
405 subset of components and to update them together. Such an attempt leads
406 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithm 
407 \ref{CI Algorithm}. When the updating function is the vectorial negation,
408 this algorithm can be rewritten as follows:
409
410 \begin{equation}
411 \left\{
412 \begin{array}{l}
413 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
414 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
415 \end{array}
416 \right.
417 \label{equation Oplus}
418 \end{equation}
419 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
420 This rewritten can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
421 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
422 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
423 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
424 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
425 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
426
427 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus} is of 
428 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
429 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
430
431 \begin{equation}
432 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
433 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
434 \begin{array}{ll}
435   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
436   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
437 \end{array}\right.
438 \label{eq:generalIC}
439 \end{equation}
440 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
441 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
442 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
443 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
444 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} for 
445 the fact that, instead of updating only one term at each iteration,
446 we select a subset of components to change.
447
448
449 Obviously, replacing Algorithm~\ref{CI Algorithm} by 
450 Equation~\ref{equation Oplus}, possible when the iteration function is
451 the vectorial negation, leads to a speed improvement. However, proofs
452 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
453 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
454 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
455 use of more general chaotic iterations to generate pseudo-random numbers 
456 faster, does not deflate their topological chaos properties.
457
458 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
459 \label{deuxième def}
460 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
461 the general form:
462
463 \begin{equation}
464 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
465 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
466 \begin{array}{ll}
467   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
468   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
469 \end{array}\right.
470 \label{general CIs}
471 \end{equation}
472
473 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
474 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
475
476 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
477 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
478 is required in order to study the topological behavior of the system.
479
480 Let us introduce the following function:
481 \begin{equation}
482 \begin{array}{cccc}
483  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
484          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
485 \end{array} 
486 \end{equation}
487 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
488
489 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
490 \begin{equation}
491 \begin{array}{lrll}
492 F_{f}: & \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
493 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
494 & (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi
495 (j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
496 \end{array}%
497 \end{equation}%
498 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
499 is the negation of the Boolean $x$.
500 Consider the phase space:
501 \begin{equation}
502 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
503 \mathds{B}^\mathsf{N},
504 \end{equation}
505 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
506 \begin{equation}
507 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
508 \end{equation}
509 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
510 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
511 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
512 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
513 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
514 be described by the following discrete dynamical system:
515 \begin{equation}
516 \left\{
517 \begin{array}{l}
518 X^0 \in \mathcal{X} \\
519 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
520 \end{array}%
521 \right.
522 \end{equation}%
523
524 Another time, a shift function appears as a component of these general chaotic 
525 iterations. 
526
527 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
528 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
529 Let us introduce:
530 \begin{equation}
531 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
532 \label{nouveau d}
533 \end{equation}
534 \noindent where
535 \begin{equation}
536 \left\{
537 \begin{array}{lll}
538 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
539 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}\textrm{ is another time the Hamming distance}, \\
540 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
541 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
542 \end{array}%
543 \right.
544 \end{equation}
545 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
546 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
547
548
549 \begin{proposition}
550 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
551 \end{proposition}
552
553 \begin{proof}
554  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
555 too, thus $d$ will be a distance as sum of two distances.
556  \begin{itemize}
557 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
558 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
559 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
560  \item $d_s$ is symmetric 
561 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
562 of the symmetric difference. 
563 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
564 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
565 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
566 inequality is obtained.
567  \end{itemize}
568 \end{proof}
569
570
571 Before being able to study the topological behavior of the general 
572 chaotic iterations, we must firstly establish that:
573
574 \begin{proposition}
575  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
576 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
577 \end{proposition}
578
579
580 \begin{proof}
581 We use the sequential continuity.
582 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
583 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
584 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
585 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
586 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
587 sequences).\newline
588 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
589 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
590 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
591 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
592 cell will change its state:
593 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
594
595 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
596 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
597 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
598 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
599
600 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
601 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
602 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
603 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
604 \noindent We now prove that the distance between $\left(
605 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
606 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
607 \begin{itemize}
608 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that distance
609 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
610 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
611 \medskip
612 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
613 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
614 \begin{equation*}
615 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
616 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
617 \end{equation*}%
618 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
619 \end{itemize}
620 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
621 G_{f}(S^n,E^n)$ 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
622 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
623 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.\bigskip \newline
624 In conclusion,
625 $$
626 \forall \varepsilon >0,\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}%
627 ,\forall n\geqslant N_{0},
628  d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
629 \leqslant \varepsilon .
630 $$
631 $G_{f}$ is consequently continuous.
632 \end{proof}
633
634
635 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
636 iterations. We will prove that,
637
638 \begin{theorem}
639 \label{t:chaos des general}
640  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
641 the Devaney's property of chaos.
642 \end{theorem}
643
644 Let us firstly prove the following lemma.
645
646 \begin{lemma}[Strong transitivity]
647 \label{strongTrans}
648  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
649 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
650 \end{lemma}
651
652 \begin{proof}
653  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
654 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
655 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
656 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
657 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
658 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
659 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
660 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
661 \begin{itemize}
662  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
663  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
664 \end{itemize}
665 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
666 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
667 claimed in the lemma.
668 \end{proof}
669
670 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}...
671
672 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
673 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
674
675 Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
676 prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
677 there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
678 $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
679 $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
680
681 Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
682 configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
683 $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
684 and $t_2\in\mathds{N}$ such
685 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
686
687 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
688 of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: $$\tilde
689 S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
690 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
691 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
692 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
693 have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
694 \end{proof}
695
696
697
698 \section{Efficient PRNG based on Chaotic Iterations}
699
700 In  order to  implement efficiently  a PRNG  based on  chaotic iterations  it is
701 possible to improve  previous works [ref]. One solution  consists in considering
702 that the  strategy used contains all the  bits for which the  negation is
703 achieved out. Then in order to apply  the negation on these bits we can simply
704 apply the  xor operator between  the current number  and the strategy. In
705 order to obtain the strategy we also use a classical PRNG.
706
707 Here  is an  example with  16-bits numbers  showing how  the bitwise  operations
708 are
709 applied.  Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are defined  in binary mode.
710 Then the following table shows the result of $x$ xor $S^i$.
711 $$
712 \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
713 \hline
714 x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
715 \hline
716 S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
717 \hline
718 x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
719 \hline
720
721 \hline
722  \end{array}
723 $$
724
725 %% \begin{figure}[htbp]
726 %% \begin{center}
727 %% \fbox{
728 %% \begin{minipage}{14cm}
729 %% unsigned int CIprng() \{\\
730 %%   static unsigned int x = 123123123;\\
731 %%   unsigned long t1 = xorshift();\\
732 %%   unsigned long t2 = xor128();\\
733 %%   unsigned long t3 = xorwow();\\
734 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t1;\\
735 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t2$>>$32);\\
736 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t3$>>$32);\\
737 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t2;\\
738 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t1$>>$32);\\
739 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t3;\\
740 %%   return x;\\
741 %% \}
742 %% \end{minipage}
743 %% }
744 %% \end{center}
745 %% \caption{sequential Chaotic Iteration PRNG}
746 %% \label{algo:seqCIprng}
747 %% \end{figure}
748
749
750
751 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential chaotic iterations based
752 PRNG},label=algo:seqCIprng}
753 \begin{lstlisting}
754 unsigned int CIprng() {
755   static unsigned int x = 123123123;
756   unsigned long t1 = xorshift();
757   unsigned long t2 = xor128();
758   unsigned long t3 = xorwow();
759   x = x^(unsigned int)t1;
760   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
761   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
762   x = x^(unsigned int)t2;
763   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
764   x = x^(unsigned int)t3;
765   return x;
766 }
767 \end{lstlisting}
768
769
770
771
772
773 In listing~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential version of  our chaotic iterations
774 based PRNG is  presented.  The xor operator is  represented by \textasciicircum.
775 This  function uses  three classical  64-bits PRNG:  the  \texttt{xorshift}, the
776 \texttt{xor128}  and  the  \texttt{xorwow}.   In  the following,  we  call  them
777 xor-like PRNGSs.   These three PRNGs are  presented in~\cite{Marsaglia2003}.  As
778 each xor-like PRNG  used works with 64-bits and as our  PRNG works with 32-bits,
779 the use of \texttt{(unsigned int)} selects the 32 least significant bits whereas
780 \texttt{(unsigned int)(t3$>>$32)}  selects the 32 most significants  bits of the
781 variable \texttt{t}.   So to produce a  random number realizes  6 xor operations
782 with 6 32-bits  numbers produced by 3 64-bits PRNG.   This version successes the
783 BigCrush of the TestU01 battery~\cite{LEcuyerS07}.
784
785 \section{Efficient prng based on chaotic iterations on GPU}
786
787 In  order to benefit  from computing  power of  GPU, a  program needs  to define
788 independent blocks of threads which  can be computed simultaneously. In general,
789 the larger the number of threads is,  the more local memory is used and the less
790 branching  instructions are  used (if,  while, ...),  the better  performance is
791 obtained  on  GPU.  So  with  algorithm  \ref{algo:seqCIprng}  presented in  the
792 previous section, it is possible to  build a similar program which computes PRNG
793 on  GPU. In  the CUDA  [ref] environment,  threads have  a  local identificator,
794 called \texttt{ThreadIdx} relative to the block containing them.
795
796
797 \subsection{Naive version for GPU}
798
799 From the CPU version, it is possible  to obtain a quite similar version for GPU.
800 The principe consists in assigning the computation of a PRNG as in sequential to
801 each thread  of the  GPU.  Of course,  it is  essential that the  three xor-like
802 PRNGs  used for  our computation  have different  parameters. So  we  chose them
803 randomly with  another PRNG. As the  initialisation is performed by  the CPU, we
804 have chosen to use the ISAAC PRNG  [ref] to initalize all the parameters for the
805 GPU version  of our  PRNG.  The  implementation of the  three xor-like  PRNGs is
806 straightforward  as soon  as their  parameters have  been allocated  in  the GPU
807 memory. Each xor-like  PRNGs used works with an internal  number $x$ which keeps
808 the last generated random numbers. Other internal variables are also used by the
809 xor-like PRNGs. More  precisely, the implementation of the  xor128, the xorshift
810 and  the xorwow  respectively  require 4,  5  and 6  unsigned  long as  internal
811 variables.
812
813 \begin{algorithm}
814
815 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
816 PRNGs in global memory\;
817 NumThreads: Number of threads\;}
818 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
819 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
820   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
821   \For{i=1 to n} {
822     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIprng}\;
823     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
824   }
825   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
826 }
827
828 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU naive version}
829 \label{algo:gpu_kernel}
830 \end{algorithm}
831
832 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of  PRNG using
833 GPU.  According  to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
834 used simultenaously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
835 inside   a    kernel   is   limited,   i.e.    the    variable   \texttt{n}   in
836 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}. For example, if  $100,000$ threads are used and
837 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)}
838 then   the  memory   required   to  store   internals   variables  of   xor-like
839 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
840 and  random  number of  our  PRNG  is  equals to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
841 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, i.e. about $52$Mb.
842
843 All the  tests performed  to pass the  BigCrush of TestU01  succeeded. Different
844 number of threads, called \texttt{NumThreads} in our algorithm, have been tested
845 upto $10$ millions.
846
847 \begin{remark}
848 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  has  the  advantage to  manipulate  independent
849 PRNGs, so this version is easily usable on a cluster of computer. The only thing
850 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. For this, a simple solution consists in
851 using a master node for the initialization which computes the initial parameters
852 for all the differents nodes involves in the computation.
853 \end{remark}
854
855 \subsection{Improved version for GPU}
856
857 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
858 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
859 i.e., using less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
860 one xor-like PRNG by thread, saving  it into shared memory and using the results
861 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
862 thread uses the result of which other  one, we can use a permutation array which
863 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a  permutation has  been
864 performed.  In Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}, 2 permutations arrays are used.
865 The    variable   \texttt{offset}    is    computed   using    the   value    of
866 \texttt{permutation\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
867 which represent the indexes of the  other threads for which the results are used
868 by the  current thread. In  the algorithm, we  consider that a  64-bits xor-like
869 PRNG is used, that is why both 32-bits parts are used.
870
871 This version also succeed to the BigCrush batteries of tests.
872
873 \begin{algorithm}
874
875 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
876 in global memory\;
877 NumThreads: Number of threads\;
878 tab1, tab2: Arrays containing permutations of size permutation\_size\;}
879
880 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
881 \If{threadId is concerned} {
882   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables\;
883   offset = threadIdx\%permutation\_size\;
884   o1 = threadIdx-offset+tab1[offset]\;
885   o2 = threadIdx-offset+tab2[offset]\;
886   \For{i=1 to n} {
887     t=xor-like()\;
888     shared\_mem[threadId]=(unsigned int)t\;
889     x = x $\oplus$ (unsigned int) t\;
890     x = x $\oplus$ (unsigned int) (t>>32)\;
891     x = x $\oplus$ shared[o1]\;
892     x = x $\oplus$ shared[o2]\;
893
894     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
895   }
896   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
897 }
898
899 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
900 version}
901 \label{algo:gpu_kernel2}
902 \end{algorithm}
903
904 \subsection{Theoretical Evaluation of the Improved Version}
905
906 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in four operations having 
907 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
908 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, four iterations of the general chaotic
909 iterations are realized between two stored values of the PRNG.
910 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
911 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
912 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
913 The left term $x$ obviously belongs into $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
914 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that each right 
915 term, corresponding to terms of the strategies,  can possibly be equal to any
916 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
917
918 Such a result is obvious for the two first lines, as for the xor-like(), all the
919 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration.
920 It can be easily stated for the two last lines by an immediate mathematical
921 induction.
922
923 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
924 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
925 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
926
927 \section{Experiments}
928
929 Different experiments have been performed in order to measure the generation
930 speed.
931 \begin{figure}[t]
932 \begin{center}
933   \includegraphics[scale=.7]{curve_time_gpu.pdf}
934 \end{center}
935 \caption{Number of random numbers generated per second}
936 \label{fig:time_naive_gpu}
937 \end{figure}
938
939
940 First of all we have compared the time to generate X random numbers with both
941 the CPU version and the GPU version. 
942
943 Faire une courbe du nombre de random en fonction du nombre de threads,
944 éventuellement en fonction du nombres de threads par bloc.
945
946
947
948 \section{The relativity of disorder}
949 \label{sec:de la relativité du désordre}
950
951 In the next two sections, we investigate the impact of the choices that have
952 lead to the definitions of measures in Sections \ref{sec:chaotic iterations} and \ref{deuxième def}.
953
954 \subsection{Impact of the topology's finenesse}
955
956 Let us firstly introduce the following notations.
957
958 \begin{notation}
959 $\mathcal{X}_\tau$ will denote the topological space
960 $\left(\mathcal{X},\tau\right)$, whereas $\mathcal{V}_\tau (x)$ will be the set
961 of all the neighborhoods of $x$ when considering the topology $\tau$ (or simply
962 $\mathcal{V} (x)$, if there is no ambiguity).
963 \end{notation}
964
965
966
967 \begin{theorem}
968 \label{Th:chaos et finesse}
969 Let $\mathcal{X}$ a set and $\tau, \tau'$ two topologies on $\mathcal{X}$ s.t.
970 $\tau'$ is finer than $\tau$. Let $f:\mathcal{X} \to \mathcal{X}$, continuous
971 both for $\tau$ and $\tau'$.
972
973 If $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is chaotic according to Devaney, then
974 $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is chaotic too.
975 \end{theorem}
976
977 \begin{proof}
978 Let us firstly establish the transitivity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$.
979
980 Let $\omega_1, \omega_2$ two open sets of $\tau$. Then $\omega_1, \omega_2 \in
981 \tau'$, becaus $\tau'$ is finer than $\tau$. As $f$ is $\tau'-$transitive, we
982 can deduce that $\exists n \in \mathds{N}, \omega_1 \cap f^{(n)}(\omega_2) =
983 \varnothing$. Consequently, $f$ is $\tau-$transitive.
984
985 Let us now consider the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$, \emph{i.e.}, for
986 all $x \in \mathcal{X}$, and for all $\tau-$neighborhood $V$ of $x$, there is a
987 periodic point for $f$ into $V$.
988
989 Let $x \in \mathcal{X}$ and $V \in \mathcal{V}_\tau (x)$ a $\tau-$neighborhood
990 of $x$. By definition, $\exists \omega \in \tau, x \in \omega \subset V$.
991
992 But $\tau \subset \tau'$, so $\omega \in \tau'$, and then $V \in
993 \mathcal{V}_{\tau'} (x)$. As $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is regular, there is a
994 periodic point for $f$ into $V$, and the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is
995 proven. 
996 \end{proof}
997
998 \subsection{A given system can always be claimed as chaotic}
999
1000 Let $f$ an iteration function on $\mathcal{X}$ having at least a fixed point.
1001 Then this function is chaotic (in a certain way):
1002
1003 \begin{theorem}
1004 Let $\mathcal{X}$ a nonempty set and $f: \mathcal{X} \to \X$ a function having
1005 at least a fixed point.
1006 Then $f$ is $\tau_0-$chaotic, where $\tau_0$ is the trivial (indiscrete)
1007 topology on $\X$.
1008 \end{theorem}
1009
1010
1011 \begin{proof}
1012 $f$ is transitive when $\forall \omega, \omega' \in \tau_0 \setminus
1013 \{\varnothing\}, \exists n \in \mathds{N}, f^{(n)}(\omega) \cap \omega' \neq
1014 \varnothing$.
1015 As $\tau_0 = \left\{ \varnothing, \X \right\}$, this is equivalent to look for
1016 an integer $n$ s.t. $f^{(n)}\left( \X \right) \cap \X \neq \varnothing$. For
1017 instance, $n=0$ is appropriate.
1018
1019 Let us now consider $x \in \X$ and $V \in \mathcal{V}_{\tau_0} (x)$. Then $V =
1020 \mathcal{X}$, so $V$ has at least a fixed point for $f$. Consequently $f$ is
1021 regular, and the result is established.
1022 \end{proof}
1023
1024
1025
1026
1027 \subsection{A given system can always be claimed as non-chaotic}
1028
1029 \begin{theorem}
1030 Let $\mathcal{X}$ be a set and $f: \mathcal{X} \to \X$.
1031 If $\X$ is infinite, then $\left( \X_{\tau_\infty}, f\right)$ is not chaotic
1032 (for the Devaney's formulation), where $\tau_\infty$ is the discrete topology.
1033 \end{theorem}
1034
1035 \begin{proof}
1036 Let us prove it by contradiction, assuming that $\left(\X_{\tau_\infty},
1037 f\right)$ is both transitive and regular.
1038
1039 Let $x \in \X$ and $\{x\}$ one of its neighborhood. This neighborhood must
1040 contain a periodic point for $f$, if we want that $\left(\X_{\tau_\infty},
1041 f\right)$ is regular. Then $x$ must be a periodic point of $f$.
1042
1043 Let $I_x = \left\{ f^{(n)}(x), n \in \mathds{N}\right\}$. This set is finite
1044 because  $x$ is periodic, and $\mathcal{X}$ is infinite, then $\exists y \in
1045 \mathcal{X}, y \notin I_x$.
1046
1047 As $\left(\X_{\tau_\infty}, f\right)$ must be transitive, for all open nonempty
1048 sets $A$ and $B$, an integer $n$ must satisfy $f^{(n)}(A) \cap B \neq
1049 \varnothing$. However $\{x\}$ and $\{y\}$ are open sets and $y \notin I_x
1050 \Rightarrow \forall n, f^{(n)}\left( \{x\} \right) \cap \{y\} = \varnothing$.
1051 \end{proof}
1052
1053
1054
1055
1056
1057
1058 \section{Chaos on the order topology}
1059
1060 \subsection{The phase space is an interval of the real line}
1061
1062 \subsubsection{Toward a topological semiconjugacy}
1063
1064 In what follows, our intention is to establish, by using a topological
1065 semiconjugacy, that chaotic iterations over $\mathcal{X}$ can be described as
1066 iterations on a real interval. To do so, we must firstly introduce some
1067 notations and terminologies. 
1068
1069 Let $\mathcal{S}_\mathsf{N}$ be the set of sequences belonging into $\llbracket
1070 1; \mathsf{N}\rrbracket$ and $\mathcal{X}_{\mathsf{N}} = \mathcal{S}_\mathsf{N}
1071 \times \B^\mathsf{N}$.
1072
1073
1074 \begin{definition}
1075 The function $\varphi: \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10} \rightarrow \big[
1076 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
1077 \begin{equation}
1078  \begin{array}{cccl}
1079 \varphi: & \mathcal{X}_{10} = \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}&
1080 \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
1081  & (S,E) = \left((S^0, S^1, \hdots ); (E_0, \hdots, E_9)\right) & \longmapsto &
1082 \varphi \left((S,E)\right)
1083 \end{array}
1084 \end{equation}
1085 where $\varphi\left((S,E)\right)$ is the real number:
1086 \begin{itemize}
1087 \item whose integral part $e$ is $\displaystyle{\sum_{k=0}^9 2^{9-k} E_k}$, that
1088 is, the binary digits of $e$ are $E_0 ~ E_1 ~ \hdots ~ E_9$.
1089 \item whose decimal part $s$ is equal to $s = 0,S^0~ S^1~ S^2~ \hdots =
1090 \sum_{k=1}^{+\infty} 10^{-k} S^{k-1}.$ 
1091 \end{itemize}
1092 \end{definition}
1093
1094
1095
1096 $\varphi$ realizes the association between a point of $\mathcal{X}_{10}$ and a
1097 real number into $\big[ 0, 2^{10} \big[$. We must now translate the chaotic
1098 iterations $\Go$ on this real interval. To do so, two intermediate functions
1099 over $\big[ 0, 2^{10} \big[$ must be introduced:
1100
1101
1102 \begin{definition}
1103 \label{def:e et s}
1104 Let $x \in \big[ 0, 2^{10} \big[$ and:
1105 \begin{itemize}
1106 \item $e_0, \hdots, e_9$ the binary digits of the integral part of $x$:
1107 $\displaystyle{\lfloor x \rfloor = \sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k}$.
1108 \item $(s^k)_{k\in \mathds{N}}$ the digits of $x$, where the chosen decimal
1109 decomposition of $x$ is the one that does not have an infinite number of 9: 
1110 $\displaystyle{x = \lfloor x \rfloor + \sum_{k=0}^{+\infty} s^k 10^{-k-1}}$.
1111 \end{itemize}
1112 $e$ and $s$ are thus defined as follows:
1113 \begin{equation}
1114 \begin{array}{cccl}
1115 e: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \mathds{B}^{10} \\
1116  & x & \longmapsto & (e_0, \hdots, e_9)
1117 \end{array}
1118 \end{equation}
1119 and
1120 \begin{equation}
1121  \begin{array}{cccc}
1122 s: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \llbracket 0, 9
1123 \rrbracket^{\mathds{N}} \\
1124  & x & \longmapsto & (s^k)_{k \in \mathds{N}}
1125 \end{array}
1126 \end{equation}
1127 \end{definition}
1128
1129 We are now able to define the function $g$, whose goal is to translate the
1130 chaotic iterations $\Go$ on an interval of $\mathds{R}$.
1131
1132 \begin{definition}
1133 $g:\big[ 0, 2^{10} \big[ \longrightarrow \big[ 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
1134 \begin{equation}
1135 \begin{array}{cccc}
1136 g: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
1137  & x & \longmapsto & g(x)
1138 \end{array}
1139 \end{equation}
1140 where g(x) is the real number of $\big[ 0, 2^{10} \big[$ defined bellow:
1141 \begin{itemize}
1142 \item its integral part has a binary decomposition equal to $e_0', \hdots,
1143 e_9'$, with:
1144  \begin{equation}
1145 e_i' = \left\{
1146 \begin{array}{ll}
1147 e(x)_i & \textrm{ if } i \neq s^0\\
1148 e(x)_i + 1 \textrm{ (mod 2)} & \textrm{ if } i = s^0\\
1149 \end{array}
1150 \right.
1151 \end{equation}
1152 \item whose decimal part is $s(x)^1, s(x)^2, \hdots$
1153 \end{itemize}
1154 \end{definition}
1155
1156 \bigskip
1157
1158
1159 In other words, if $x = \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k + 
1160 \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k} ~10^{-k-1}}$, then:
1161 \begin{equation}
1162 g(x) =
1163 \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} (e_k + \delta(k,s^0) \textrm{ (mod 2)}) + 
1164 \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k+1} 10^{-k-1}}. 
1165 \end{equation}
1166
1167
1168 \subsubsection{Defining a metric on $\big[ 0, 2^{10} \big[$}
1169
1170 Numerous metrics can be defined on the set $\big[ 0, 2^{10} \big[$, the most
1171 usual one being the Euclidian distance recalled bellow:
1172
1173 \begin{notation}
1174 \index{distance!euclidienne}
1175 $\Delta$ is the Euclidian distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$, that is,
1176 $\Delta(x,y) = |y-x|^2$.
1177 \end{notation}
1178
1179 \medskip
1180
1181 This Euclidian distance does not reproduce exactly the notion of proximity
1182 induced by our first distance $d$ on $\X$. Indeed $d$ is finer than $\Delta$.
1183 This is the reason why we have to introduce the following metric:
1184
1185
1186
1187 \begin{definition}
1188 Let $x,y \in \big[ 0, 2^{10} \big[$.
1189 $D$ denotes the function from $\big[ 0, 2^{10} \big[^2$ to $\mathds{R}^+$
1190 defined by: $D(x,y) = D_e\left(e(x),e(y)\right) + D_s\left(s(x),s(y)\right)$,
1191 where:
1192 \begin{center}
1193 $\displaystyle{D_e(E,\check{E}) = \sum_{k=0}^\mathsf{9} \delta (E_k,
1194 \check{E}_k)}$, ~~and~ $\displaystyle{D_s(S,\check{S}) = \sum_{k = 1}^\infty
1195 \dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^k}}$.
1196 \end{center}
1197 \end{definition}
1198
1199 \begin{proposition}
1200 $D$ is a distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$.
1201 \end{proposition}
1202
1203 \begin{proof}
1204 The three axioms defining a distance must be checked.
1205 \begin{itemize}
1206 \item $D \geqslant 0$, because everything is positive in its definition. If
1207 $D(x,y)=0$, then $D_e(x,y)=0$, so the integral parts of $x$ and $y$ are equal
1208 (they have the same binary decomposition). Additionally, $D_s(x,y) = 0$, then
1209 $\forall k \in \mathds{N}^*, s(x)^k = s(y)^k$. In other words, $x$ and $y$ have
1210 the same $k-$th decimal digit, $\forall k \in \mathds{N}^*$. And so $x=y$.
1211 \item $D(x,y)=D(y,x)$.
1212 \item Finally, the triangular inequality is obtained due to the fact that both
1213 $\delta$ and $\Delta(x,y)=|x-y|$ satisfy it.
1214 \end{itemize}
1215 \end{proof}
1216
1217
1218 The convergence of sequences according to $D$ is not the same than the usual
1219 convergence related to the Euclidian metric. For instance, if $x^n \to x$
1220 according to $D$, then necessarily the integral part of each $x^n$ is equal to
1221 the integral part of $x$ (at least after a given threshold), and the decimal
1222 part of $x^n$ corresponds to the one of $x$ ``as far as required''.
1223 To illustrate this fact, a comparison between $D$ and the Euclidian distance is
1224 given Figure \ref{fig:comparaison de distances}. These illustrations show that
1225 $D$ is richer and more refined than the Euclidian distance, and thus is more
1226 precise.
1227
1228
1229 \begin{figure}[t]
1230 \begin{center}
1231   \subfigure[Function $x \to dist(x;1,234) $ on the interval
1232 $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien.pdf}}\quad
1233   \subfigure[Function $x \to dist(x;3) $ on the interval
1234 $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien2.pdf}}
1235 \end{center}
1236 \caption{Comparison between $D$ (in blue) and the Euclidian distane (in green).}
1237 \label{fig:comparaison de distances}
1238 \end{figure}
1239
1240
1241
1242
1243 \subsubsection{The semiconjugacy}
1244
1245 It is now possible to define a topological semiconjugacy between $\mathcal{X}$
1246 and an interval of $\mathds{R}$:
1247
1248 \begin{theorem}
1249 Chaotic iterations on the phase space $\mathcal{X}$ are simple iterations on
1250 $\mathds{R}$, which is illustrated by the semiconjugacy of the diagram bellow:
1251 \begin{equation*}
1252 \begin{CD}
1253 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right) @>G_{f_0}>>
1254 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right)\\
1255     @V{\varphi}VV                    @VV{\varphi}V\\
1256 \left( ~\big[ 0, 2^{10} \big[, D~\right)  @>>g> \left(~\big[ 0, 2^{10} \big[,
1257 D~\right)
1258 \end{CD}
1259 \end{equation*}
1260 \end{theorem}
1261
1262 \begin{proof}
1263 $\varphi$ has been constructed in order to be continuous and onto.
1264 \end{proof}
1265
1266 In other words, $\mathcal{X}$ is approximately equal to $\big[ 0, 2^\mathsf{N}
1267 \big[$.
1268
1269
1270
1271
1272
1273
1274 \subsection{Study of the chaotic iterations described as a real function}
1275
1276
1277 \begin{figure}[t]
1278 \begin{center}
1279   \subfigure[ICs on the interval
1280 $(0,9;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs09a1.pdf}}\quad
1281   \subfigure[ICs on the interval
1282 $(0,7;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs07a95.pdf}}\\
1283   \subfigure[ICs on the interval
1284 $(0,5;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs05a1.pdf}}\quad
1285   \subfigure[ICs on the interval
1286 $(0;1)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs0a1.pdf}}
1287 \end{center}
1288 \caption{Representation of the chaotic iterations.}
1289 \label{fig:ICs}
1290 \end{figure}
1291
1292
1293
1294
1295 \begin{figure}[t]
1296 \begin{center}
1297   \subfigure[ICs on the interval
1298 $(510;514)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs510a514.pdf}}\quad
1299   \subfigure[ICs on the interval
1300 $(1000;1008)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs1000a1008.pdf}}
1301 \end{center}
1302 \caption{ICs on small intervals.}
1303 \label{fig:ICs2}
1304 \end{figure}
1305
1306 \begin{figure}[t]
1307 \begin{center}
1308   \subfigure[ICs on the interval
1309 $(0;16)$.]{\includegraphics[scale=.3]{ICs0a16.pdf}}\quad
1310   \subfigure[ICs on the interval 
1311 $(40;70)$.]{\includegraphics[scale=.45]{ICs40a70.pdf}}\quad
1312 \end{center}
1313 \caption{General aspect of the chaotic iterations.}
1314 \label{fig:ICs3}
1315 \end{figure}
1316
1317
1318 We have written a Python program to represent the chaotic iterations with the
1319 vectorial negation on the real line $\mathds{R}$. Various representations of
1320 these CIs are given in Figures \ref{fig:ICs}, \ref{fig:ICs2} and \ref{fig:ICs3}.
1321 It can be remarked that the function $g$ is a piecewise linear function: it is
1322 linear on each interval having the form $\left[ \dfrac{n}{10},
1323 \dfrac{n+1}{10}\right[$, $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$ and its
1324 slope is equal to 10. Let us justify these claims:
1325
1326 \begin{proposition}
1327 \label{Prop:derivabilite des ICs}
1328 Chaotic iterations $g$ defined on $\mathds{R}$ have derivatives of all orders on
1329 $\big[ 0, 2^{10} \big[$, except on the 10241 points in $I$ defined by $\left\{
1330 \dfrac{n}{10} ~\big/~ n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10\rrbracket \right\}$.
1331
1332 Furthermore, on each interval of the form $\left[ \dfrac{n}{10},
1333 \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$,
1334 $g$ is a linear function, having a slope equal to 10: $\forall x \notin I,
1335 g'(x)=10$.
1336 \end{proposition}
1337
1338
1339 \begin{proof}
1340 Let $I_n = \left[ \dfrac{n}{10}, \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket
1341 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$. All the points of $I_n$ have the same integral
1342 prat $e$ and the same decimal part $s^0$: on the set $I_n$,  functions $e(x)$
1343 and $x \mapsto s(x)^0$ of Definition \ref{def:e et s} only depend on $n$. So all
1344 the images $g(x)$ of these points $x$:
1345 \begin{itemize}
1346 \item Have the same integral part, which is $e$, except probably the bit number
1347 $s^0$. In other words, this integer has approximately the same binary
1348 decomposition than $e$, the sole exception being the digit $s^0$ (this number is
1349 then either $e+2^{10-s^0}$ or $e-2^{10-s^0}$, depending on the parity of $s^0$,
1350 \emph{i.e.}, it is equal to $e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}$).
1351 \item A shift to the left has been applied to the decimal part $y$, losing by
1352 doing so the common first digit $s^0$. In other words, $y$ has been mapped into
1353 $10\times y - s^0$.
1354 \end{itemize}
1355 To sum up, the action of $g$ on the points of $I$ is as follows: first, make a
1356 multiplication by 10, and second, add the same constant to each term, which is
1357 $\dfrac{1}{10}\left(e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}\right)-s^0$.
1358 \end{proof}
1359
1360 \begin{remark}
1361 Finally, chaotic iterations are elements of the large family of functions that
1362 are both chaotic and piecewise linear (like the tent map).
1363 \end{remark}
1364
1365
1366
1367 \subsection{Comparison of the two metrics on $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$}
1368
1369 The two propositions bellow allow to compare our two distances on $\big[ 0,
1370 2^\mathsf{N} \big[$:
1371
1372 \begin{proposition}
1373 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,\Delta~\right) \to \left(~\big[ 0,
1374 2^\mathsf{N} \big[, D~\right)$ is not continuous. 
1375 \end{proposition}
1376
1377 \begin{proof}
1378 The sequence $x^n = 1,999\hdots 999$ constituted by $n$ 9 as decimal part, is
1379 such that:
1380 \begin{itemize}
1381 \item $\Delta (x^n,2) \to 0.$
1382 \item But $D(x^n,2) \geqslant 1$, then $D(x^n,2)$ does not converge to 0.
1383 \end{itemize}
1384
1385 The sequential characterization of the continuity concludes the demonstration.
1386 \end{proof}
1387
1388
1389
1390 A contrario:
1391
1392 \begin{proposition}
1393 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,D~\right) \to \left(~\big[ 0,
1394 2^\mathsf{N} \big[, \Delta ~\right)$ is a continuous fonction. 
1395 \end{proposition}
1396
1397 \begin{proof}
1398 If $D(x^n,x) \to 0$, then $D_e(x^n,x) = 0$ at least for $n$ larger than a given
1399 threshold, because $D_e$ only returns integers. So, after this threshold, the
1400 integral parts of all the $x^n$ are equal to the integral part of $x$. 
1401
1402 Additionally, $D_s(x^n, x) \to 0$, then $\forall k \in \mathds{N}^*, \exists N_k
1403 \in \mathds{N}, n \geqslant N_k \Rightarrow D_s(x^n,x) \leqslant 10^{-k}$. This
1404 means that for all $k$, an index $N_k$ can be found such that, $\forall n
1405 \geqslant N_k$, all the $x^n$ have the same $k$ firsts digits, which are the
1406 digits of $x$. We can deduce the convergence $\Delta(x^n,x) \to 0$, and thus the
1407 result.
1408 \end{proof}
1409
1410 The conclusion of these propositions is that the proposed metric is more precise
1411 than the Euclidian distance, that is:
1412
1413 \begin{corollary}
1414 $D$ is finer than the Euclidian distance $\Delta$.
1415 \end{corollary}
1416
1417 This corollary can be reformulated as follows:
1418
1419 \begin{itemize}
1420 \item The topology produced by $\Delta$ is a subset of the topology produced by
1421 $D$.
1422 \item $D$ has more open sets than $\Delta$.
1423 \item It is harder to converge for the topology $\tau_D$ inherited by $D$, than
1424 to converge with the one inherited by $\Delta$, which is denoted here by
1425 $\tau_\Delta$.
1426 \end{itemize}
1427
1428
1429 \subsection{Chaos of the chaotic iterations on $\mathds{R}$}
1430 \label{chpt:Chaos des itérations chaotiques sur R}
1431
1432
1433
1434 \subsubsection{Chaos according to Devaney}
1435
1436 We have recalled previously that the chaotic iterations $\left(\Go,
1437 \mathcal{X}_d\right)$ are chaotic according to the formulation of Devaney. We
1438 can deduce that they are chaotic on $\mathds{R}$ too, when considering the order
1439 topology, because:
1440 \begin{itemize}
1441 \item $\left(\Go, \mathcal{X}_d\right)$ and $\left(g, \big[ 0, 2^{10}
1442 \big[_D\right)$ are semiconjugate by $\varphi$,
1443 \item Then $\left(g, \big[ 0, 2^{10} \big[_D\right)$ is a system chaotic
1444 according to Devaney, because the semiconjugacy preserve this character.
1445 \item But the topology generated by $D$ is finer than the topology generated by
1446 the Euclidian distance $\Delta$ -- which is the order topology.
1447 \item According to Theorem \ref{Th:chaos et finesse}, we can deduce that the
1448 chaotic iterations $g$ are indeed chaotic, as defined by Devaney, for the order
1449 topology on $\mathds{R}$.
1450 \end{itemize}
1451
1452 This result can be formulated as follows.
1453
1454 \begin{theorem}
1455 \label{th:IC et topologie de l'ordre}
1456 The chaotic iterations $g$ on $\mathds{R}$ are chaotic according to the
1457 Devaney's formulation, when $\mathds{R}$ has his usual topology, which is the
1458 order topology.
1459 \end{theorem}
1460
1461 Indeed this result is weaker than the theorem establishing the chaos for the
1462 finer topology $d$. However the Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre}
1463 still remains important. Indeed, we have studied in our previous works a set
1464 different from the usual set of study ($\mathcal{X}$ instead of $\mathds{R}$),
1465 in order to be as close as possible from the computer: the properties of
1466 disorder proved theoretically will then be preserved when computing. However, we
1467 could wonder whether this change does not lead to a disorder of a lower quality.
1468 In other words, have we replaced a situation of a good disorder lost when
1469 computing, to another situation of a disorder preserved but of bad quality.
1470 Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre} prove exactly the contrary.
1471  
1472
1473
1474
1475
1476
1477
1478
1479 \section{Conclusion}
1480 \bibliographystyle{plain}
1481 \bibliography{mabase}
1482 \end{document}