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

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