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[prng_gpu.git] / prng_gpu.tex
1 \documentclass{article}
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9 \usepackage{commath}
10 \usepackage{algorithm2e}
11 \usepackage[standard]{ntheorem}
12
13 % Pour mathds : les ensembles IR, IN, etc.
14 \usepackage{dsfont}
15
16 % Pour avoir des intervalles d'entiers
17 \usepackage{stmaryrd}
18
19 \usepackage{graphicx}
20 % Pour faire des sous-figures dans les figures
21 \usepackage{subfigure}
22
23 \usepackage{color}
24
25 \newtheorem{notation}{Notation}
26
27 \newcommand{\X}{\mathcal{X}}
28 \newcommand{\Go}{G_{f_0}}
29 \newcommand{\B}{\mathds{B}}
30 \newcommand{\N}{\mathds{N}}
31 \newcommand{\BN}{\mathds{B}^\mathsf{N}}
32 \let\sur=\overline
33
34 \newcommand{\alert}[1]{\begin{color}{blue}\textit{#1}\end{color}}
35
36 \title{Efficient generation of pseudo random numbers based on chaotic iterations on GPU}
37 \begin{document}
38
39 \author{Jacques M. Bahi, Rapha\"{e}l Couturier, and Christophe Guyeux\thanks{Authors in alphabetic order}}
40
41 \maketitle
42
43 \begin{abstract}
44 This is the abstract
45 \end{abstract}
46
47 \section{Introduction}
48
49 Interet des itérations chaotiques pour générer des nombre alea\\
50 Interet de générer des nombres alea sur GPU
51 \alert{RC, un petit state-of-the-art sur les PRNGs sur GPU ?}
52 ...
53
54
55 \section{Basic Recalls}
56 \label{section:BASIC RECALLS}
57 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of topological chaos and chaotic iterations.
58 \subsection{Devaney's chaotic dynamical systems}
59
60 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$ denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$ denotes the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
61
62
63 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f : \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
64
65 \begin{definition}
66 $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq \varnothing$.
67 \end{definition}
68
69 \begin{definition}
70 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$ if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
71 \end{definition}
72
73 \begin{definition}
74 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$, any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without necessarily the same period).
75 \end{definition}
76
77
78 \begin{definition}
79 $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and topologically transitive.
80 \end{definition}
81
82 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
83
84 \begin{definition}
85 \label{sensitivity} $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
86 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
87
88 $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
89 \end{definition}
90
91 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or simplified into two subsystems which do not interact because of topological transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently possible and occur in an unpredictable way.
92
93
94
95 \subsection{Chaotic iterations}
96 \label{sec:chaotic iterations}
97
98
99 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
100 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
101 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
102  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
103 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
104 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
105 denoted by $\mathbb{S}.$
106
107 \begin{definition}
108 \label{Def:chaotic iterations}
109 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
110 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
111 a  function  and  $S\in  \mathbb{S}$  be  a  strategy.  The  so-called
112 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
113 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
114 $$
115 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
116 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
117 \begin{array}{ll}
118   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
119   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
120 \end{array}\right.
121 $$
122 \end{definition}
123
124 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
125 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
126 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
127 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
128 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
129 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
130 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
131 priori} no link with the mathematical theory of chaos, recalled above.
132
133
134 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
135
136 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function:
137 \begin{equation*}
138 \begin{array}{lrll}
139 F_{f}: & \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
140 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
141 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+f(E)_{k}.\overline{\delta
142 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
143 \end{array}%
144 \end{equation*}%
145 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
146 Consider the phase space:
147 \begin{equation*}
148 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
149 \mathds{B}^\mathsf{N},
150 \end{equation*}
151 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
152 \begin{equation}
153 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
154 \end{equation}
155 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathbb{S}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in \mathds{N}}\in \mathbb{S}$ and $i$ is the \emph{initial function}  $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathbb{S}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations defined in (\ref{sec:chaotic iterations}) can be described by the following iterations:
156 \begin{equation*}
157 \left\{
158 \begin{array}{l}
159 X^0 \in \mathcal{X} \\
160 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
161 \end{array}%
162 \right.
163 \end{equation*}%
164
165 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic iterations. The shift function is a famous example of a chaotic map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as chaotic. 
166
167 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})\in
168 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
169 \begin{equation*}
170 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
171 \end{equation*}
172 \noindent where
173 \begin{equation*}
174 \left\{
175 \begin{array}{lll}
176 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
177 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
178 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
179 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
180 \end{array}%
181 \right.
182 \end{equation*}
183
184
185 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
186 \begin{itemize}
187 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then their distance should increase too.
188 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective strategies start with the same terms, then the distance between these two points must be small because the evolution of the two systems will be the same for a while. Indeed, the two dynamical systems start with the same initial condition, use the same update function, and as strategies are the same for a while, then components that are updated are the same too.
189 \end{itemize}
190 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$ differ in $n$ cells. In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
191
192 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
193
194 \begin{proposition}
195 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^n$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in the metric space $(\mathcal{X},d)$.
196 \end{proposition}
197
198 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial Boolean negation \cite{guyeux10}. To obtain a characterization, we have secondly introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
199
200 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^n$ to itself. The
201 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
202 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
203 $\mathds{B}^n$; for all $x\in\mathds{B}^n$ and $i\in \llbracket1;n\rrbracket$,
204 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
205 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
206 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
207 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
208 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
209
210 We have finally proven in \cite{FCT11} that,
211
212
213 \begin{theorem}
214 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
215 Let $f:\mathds{B}^n\to\mathds{B}^n$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
216 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
217 \end{theorem}
218
219 This result of chaos has lead us to study the possibility to build a pseudo-random number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
220 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  n \rrbracket^{\mathds{N}}  \times \mathds{B}^n$, is build from Boolean networks $f : \mathds{B}^n \rightarrow \mathds{B}^n$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$ during implementations (due to the discrete nature of $f$). It is as if $\mathds{B}^n$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  n \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance).
221
222 \section{Application to Pseudo-Randomness}
223
224 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
225 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
226 leading thus to a new PRNG that improves the statistical properties of each
227 generator taken alone. Furthermore, our generator 
228 possesses various chaos properties
229 that none of the generators used as input present.
230
231 \begin{algorithm}[h!]
232 %\begin{scriptsize}
233 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$ ($n$ bits)}
234 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
235 $x\leftarrow x^0$\;
236 $k\leftarrow b + \textit{XORshift}(b+1)$\;
237 \For{$i=0,\dots,k-1$}
238 {
239 $s\leftarrow{\textit{XORshift}(n)}$\;
240 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
241 }
242 return $x$\;
243 %\end{scriptsize}
244 \caption{PRNG with chaotic functions}
245 \label{CI Algorithm}
246 \end{algorithm}
247
248 \begin{algorithm}[h!]
249 \SetAlgoLined
250 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
251 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
252 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
253 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
254 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
255 $y\leftarrow{z}$\;
256 return $y$\;
257 \medskip
258 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
259 \label{XORshift}
260 \end{algorithm}
261
262
263
264
265
266 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
267 It takes as input: a function $f$;
268 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations is at least $b$ and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
269 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
270 \textit{XORshift}$(k)$ PRNGs \cite{Marsaglia2003} that returns integers uniformly distributed
271 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
272 \textit{XORshift} is a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia, which repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number with a bit shifted version of it. This PRNG, which has a period of $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. It is used in our PRNG to compute the strategy length and the strategy elements.
273
274
275 We have proven in \cite{FCT11} that,
276
277 \begin{theorem}
278   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
279   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
280   matrix and $M$ a $n\times n$ matrix defined as in the previous lemma.
281   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
282   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
283   a law that tends to the uniform distribution 
284   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
285 \end{theorem} 
286
287
288
289 \alert{Mettre encore un peu de blabla sur le PRNG, puis enchaîner en disant que, ok, on peut préserver le chaos quand on passe sur machine, mais que le chaos dont il s'agit a été prouvé pour une distance bizarroïde sur un espace non moins hémoroïde, d'où ce qui suit}
290
291
292
293 \section{The relativity of disorder}
294 \label{sec:de la relativité du désordre}
295
296 \subsection{Impact of the topology's finenesse}
297
298 Let us firstly introduce the following notations.
299
300 \begin{notation}
301 $\mathcal{X}_\tau$ will denote the topological space $\left(\mathcal{X},\tau\right)$, whereas $\mathcal{V}_\tau (x)$ will be the set of all the neighborhoods of $x$ when considering the topology $\tau$ (or simply $\mathcal{V} (x)$, if there is no ambiguity).
302 \end{notation}
303
304
305
306 \begin{theorem}
307 \label{Th:chaos et finesse}
308 Let $\mathcal{X}$ a set and $\tau, \tau'$ two topologies on $\mathcal{X}$ s.t. $\tau'$ is finer than $\tau$. Let $f:\mathcal{X} \to \mathcal{X}$, continuous both for $\tau$ and $\tau'$.
309
310 If $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is chaotic according to Devaney, then $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is chaotic too.
311 \end{theorem}
312
313 \begin{proof}
314 Let us firstly establish the transitivity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$.
315
316 Let $\omega_1, \omega_2$ two open sets of $\tau$. Then $\omega_1, \omega_2 \in \tau'$, becaus $\tau'$ is finer than $\tau$. As $f$ is $\tau'-$transitive, we can deduce that $\exists n \in \mathds{N}, \omega_1 \cap f^{(n)}(\omega_2) = \varnothing$. Consequently, $f$ is $\tau-$transitive.
317
318 Let us now consider the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$, \emph{i.e.}, for all $x \in \mathcal{X}$, and for all $\tau-$neighborhood $V$ of $x$, there is a periodic point for $f$ into $V$.
319
320 Let $x \in \mathcal{X}$ and $V \in \mathcal{V}_\tau (x)$ a $\tau-$neighborhood of $x$. By definition, $\exists \omega \in \tau, x \in \omega \subset V$.
321
322 But $\tau \subset \tau'$, so $\omega \in \tau'$, and then $V \in \mathcal{V}_{\tau'} (x)$. As $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is regular, there is a periodic point for $f$ into $V$, and the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is proven.
323 \end{proof}
324
325 \subsection{A given system can always be claimed as chaotic}
326
327 Let $f$ an iteration function on $\mathcal{X}$ having at least a fixed point. Then this function is chaotic (in a certain way):
328
329 \begin{theorem}
330 Let $\mathcal{X}$ a nonempty set and $f: \mathcal{X} \to \X$ a function having at least a fixed point.
331 Then $f$ is $\tau_0-$chaotic, where $\tau_0$ is the trivial (indiscrete) topology on $\X$.
332 \end{theorem}
333
334
335 \begin{proof}
336 $f$ is transitive when $\forall \omega, \omega' \in \tau_0 \setminus \{\varnothing\}, \exists n \in \mathds{N}, f^{(n)}(\omega) \cap \omega' \neq \varnothing$.
337 As $\tau_0 = \left\{ \varnothing, \X \right\}$, this is equivalent to look for an integer $n$ s.t. $f^{(n)}\left( \X \right) \cap \X \neq \varnothing$. For instance, $n=0$ is appropriate.
338
339 Let us now consider $x \in \X$ and $V \in \mathcal{V}_{\tau_0} (x)$. Then $V = \mathcal{X}$, so $V$ has at least a fixed point for $f$. Consequently $f$ is regular, and the result is established.
340 \end{proof}
341
342
343
344
345 \subsection{A given system can always be claimed as non-chaotic}
346
347 \begin{theorem}
348 Let $\mathcal{X}$ be a set and $f: \mathcal{X} \to \X$.
349 If $\X$ is infinite, then $\left( \X_{\tau_\infty}, f\right)$ is not chaotic (for the Devaney's formulation), where $\tau_\infty$ is the discrete topology.
350 \end{theorem}
351
352 \begin{proof}
353 Let us prove it by contradiction, assuming that $\left(\X_{\tau_\infty}, f\right)$ is both transitive and regular.
354
355 Let $x \in \X$ and $\{x\}$ one of its neighborhood. This neighborhood must contain a periodic point for $f$, if we want that $\left(\X_{\tau_\infty}, f\right)$ is regular. Then $x$ must be a periodic point of $f$.
356
357 Let $I_x = \left\{ f^{(n)}(x), n \in \mathds{N}\right\}$. This set is finite because  $x$ is periodic, and $\mathcal{X}$ is infinite, then $\exists y \in \mathcal{X}, y \notin I_x$.
358
359 As $\left(\X_{\tau_\infty}, f\right)$ must be transitive, for all open nonempty sets $A$ and $B$, an integer $n$ must satisfy $f^{(n)}(A) \cap B \neq \varnothing$. However $\{x\}$ and $\{y\}$ are open sets and $y \notin I_x \Rightarrow \forall n, f^{(n)}\left( \{x\} \right) \cap \{y\} = \varnothing$.
360 \end{proof}
361
362
363
364
365
366
367 \section{Chaos on the order topology}
368
369 \subsection{The phase space is an interval of the real line}
370
371 \subsubsection{Toward a topological semiconjugacy}
372
373 In what follows, our intention is to establish, by using a topological semiconjugacy, that chaotic iterations over $\mathcal{X}$ can be described as iterations on a real interval. To do so, we must firstly introduce some notations and terminologies. 
374
375 Let $\mathcal{S}_\mathsf{N}$ be the set of sequences belonging into $\llbracket 1; \mathsf{N}\rrbracket$ and $\mathcal{X}_{\mathsf{N}} = \mathcal{S}_\mathsf{N} \times \B^\mathsf{N}$.
376
377
378 \begin{definition}
379 The function $\varphi: \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10} \rightarrow \big[ 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
380 $$
381 \begin{array}{cccl}
382 \varphi: & \mathcal{X}_{10} = \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}& \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
383  & (S,E) = \left((S^0, S^1, \hdots ); (E_0, \hdots, E_9)\right) & \longmapsto & \varphi \left((S,E)\right)
384 \end{array}
385 $$
386 \noindent where $\varphi\left((S,E)\right)$ is the real number:
387 \begin{itemize}
388 \item whose integral part $e$ is $\displaystyle{\sum_{k=0}^9 2^{9-k} E_k}$, that is, the binary digits of $e$ are $E_0 ~ E_1 ~ \hdots ~ E_9$.
389 \item whose decimal part $s$ is equal to $s = 0,S^0~ S^1~ S^2~ \hdots = \sum_{k=1}^{+\infty} 10^{-k} S^{k-1}.$ 
390 \end{itemize}
391 \end{definition}
392
393
394
395 $\varphi$ realizes the association between a point of $\mathcal{X}_{10}$ and a real number into $\big[ 0, 2^{10} \big[$. We must now translate the chaotic iterations $\Go$ on this real interval. To do so, two intermediate functions over $\big[ 0, 2^{10} \big[$ must be introduced:
396
397
398 \begin{definition}
399 \label{def:e et s}
400 Let $x \in \big[ 0, 2^{10} \big[$ and:
401 \begin{itemize}
402 \item $e_0, \hdots, e_9$ the binary digits of the integral part of $x$: $\displaystyle{\lfloor x \rfloor = \sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k}$.
403 \item $(s^k)_{k\in \mathds{N}}$ the digits of $x$, where the chosen decimal decomposition of $x$ is the one that does not have an infinite number of 9: 
404 $\displaystyle{x = \lfloor x \rfloor + \sum_{k=0}^{+\infty} s^k 10^{-k-1}}$.
405 \end{itemize}
406 $e$ and $s$ are thus defined as follows:
407 $$
408 \begin{array}{cccl}
409 e: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \mathds{B}^{10} \\
410  & x & \longmapsto & (e_0, \hdots, e_9)
411 \end{array}
412 $$
413 \noindent and
414 $$
415 \begin{array}{cccl}
416 s: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \llbracket 0, 9 \rrbracket^{\mathds{N}} \\
417  & x & \longmapsto & (s^k)_{k \in \mathds{N}}
418 \end{array}
419 $$
420 \end{definition}
421
422 We are now able to define the function $g$, whose goal is to translate the chaotic iterations $\Go$ on an interval of $\mathds{R}$.
423
424 \begin{definition}
425 $g:\big[ 0, 2^{10} \big[ \longrightarrow \big[ 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
426 $$
427 \begin{array}{cccl}
428 g: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
429 & \\
430  & x & \longmapsto & g(x)
431 \end{array}
432 $$
433 \noindent where g(x) is the real number of $\big[ 0, 2^{10} \big[$ defined bellow:
434 \begin{itemize}
435 \item its integral part has a binary decomposition equal to $e_0', \hdots, e_9'$, with:
436 $$
437 e_i' = \left\{
438 \begin{array}{ll}
439 e(x)_i & \textrm{ if } i \neq s^0\\
440 e(x)_i + 1 \textrm{ (mod 2)} & \textrm{ if } i = s^0\\
441 \end{array}
442 \right.
443 $$
444 \item whose decimal part is $s(x)^1, s(x)^2, \hdots$
445 \end{itemize}
446 \end{definition}
447
448 \bigskip
449
450
451 In other words, if $x = \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k +  \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k} ~10^{-k-1}}$, then: $$g(x) = \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} (e_k + \delta(k,s^0) \textrm{ (mod 2)}) +  \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k+1} 10^{-k-1}}.$$
452
453 \subsubsection{Defining a metric on $\big[ 0, 2^{10} \big[$}
454
455 Numerous metrics can be defined on the set $\big[ 0, 2^{10} \big[$, the most usual one being the Euclidian distance recalled bellow:
456
457 \begin{notation}
458 \index{distance!euclidienne}
459 $\Delta$ is the Euclidian distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$, that is, $\Delta(x,y) = |y-x|^2$.
460 \end{notation}
461
462 \medskip
463
464 This Euclidian distance does not reproduce exactly the notion of proximity induced by our first distance $d$ on $\X$. Indeed $d$ is finer than $\Delta$. This is the reason why we have to introduce the following metric:
465
466
467
468 \begin{definition}
469 Let $x,y \in \big[ 0, 2^{10} \big[$.
470 $D$ denotes the function from $\big[ 0, 2^{10} \big[^2$ to $\mathds{R}^+$ defined by: $D(x,y) = D_e\left(e(x),e(y)\right) + D_s\left(s(x),s(y)\right)$, where:
471 \begin{center}
472 $\displaystyle{D_e(E,\check{E}) = \sum_{k=0}^\mathsf{9} \delta (E_k, \check{E}_k)}$, ~~and~ $\displaystyle{D_s(S,\check{S}) = \sum_{k = 1}^\infty \dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^k}}$.
473 \end{center}
474 \end{definition}
475
476 \begin{proposition}
477 $D$ is a distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$.
478 \end{proposition}
479
480 \begin{proof}
481 The three axioms defining a distance must be checked.
482 \begin{itemize}
483 \item $D \geqslant 0$, because everything is positive in its definition. If $D(x,y)=0$, then $D_e(x,y)=0$, so the integral parts of $x$ and $y$ are equal (they have the same binary decomposition). Additionally, $D_s(x,y) = 0$, then $\forall k \in \mathds{N}^*, s(x)^k = s(y)^k$. In other words, $x$ and $y$ have the same $k-$th decimal digit, $\forall k \in \mathds{N}^*$. And so $x=y$.
484 \item $D(x,y)=D(y,x)$.
485 \item Finally, the triangular inequality is obtained due to the fact that both $\delta$ and $\Delta(x,y)=|x-y|$ satisfy it.
486 \end{itemize}
487 \end{proof}
488
489
490 The convergence of sequences according to $D$ is not the same than the usual convergence related to the Euclidian metric. For instance, if $x^n \to x$ according to $D$, then necessarily the integral part of each $x^n$ is equal to the integral part of $x$ (at least after a given threshold), and the decimal part of $x^n$ corresponds to the one of $x$ ``as far as required''.
491 To illustrate this fact, a comparison between $D$ and the Euclidian distance is given Figure \ref{fig:comparaison de distances}. These illustrations show that $D$ is richer and more refined than the Euclidian distance, and thus is more precise.
492
493
494 \begin{figure}[t]
495 \begin{center}
496   \subfigure[Function $x \to dist(x;1,234) $ on the interval $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien.pdf}}\quad
497   \subfigure[Function $x \to dist(x;3) $ on the interval $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien2.pdf}}
498 \end{center}
499 \caption{Comparison between $D$ (in blue) and the Euclidian distane (in green).}
500 \label{fig:comparaison de distances}
501 \end{figure}
502
503
504
505
506 \subsubsection{The semiconjugacy}
507
508 It is now possible to define a topological semiconjugacy between $\mathcal{X}$ and an interval of $\mathds{R}$:
509
510 \begin{theorem}
511 Chaotic iterations on the phase space $\mathcal{X}$ are simple iterations on $\mathds{R}$, which is illustrated by the semiconjugacy of the diagram bellow:
512 \begin{equation*}
513 \begin{CD}
514 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right) @>G_{f_0}>> \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right)\\
515     @V{\varphi}VV                    @VV{\varphi}V\\
516 \left( ~\big[ 0, 2^{10} \big[, D~\right)  @>>g> \left(~\big[ 0, 2^{10} \big[, D~\right)
517 \end{CD}
518 \end{equation*}
519 \end{theorem}
520
521 \begin{proof}
522 $\varphi$ has been constructed in order to be continuous and onto.
523 \end{proof}
524
525 In other words, $\mathcal{X}$ is approximately equal to $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$.
526
527
528
529
530
531
532 \subsection{Study of the chaotic iterations described as a real function}
533
534
535 \begin{figure}[t]
536 \begin{center}
537   \subfigure[ICs on the interval $(0,9;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs09a1.pdf}}\quad
538   \subfigure[ICs on the interval $(0,7;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs07a95.pdf}}\\
539   \subfigure[ICs on the interval $(0,5;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs05a1.pdf}}\quad
540   \subfigure[ICs on the interval $(0;1)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs0a1.pdf}}
541 \end{center}
542 \caption{Representation of the chaotic iterations.}
543 \label{fig:ICs}
544 \end{figure}
545
546
547
548
549 \begin{figure}[t]
550 \begin{center}
551   \subfigure[ICs on the interval $(510;514)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs510a514.pdf}}\quad
552   \subfigure[ICs on the interval $(1000;1008)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs1000a1008.pdf}}
553 \end{center}
554 \caption{ICs on small intervals.}
555 \label{fig:ICs2}
556 \end{figure}
557
558 \begin{figure}[t]
559 \begin{center}
560   \subfigure[ICs on the interval $(0;16)$.]{\includegraphics[scale=.3]{ICs0a16.pdf}}\quad
561   \subfigure[ICs on the interval  $(40;70)$.]{\includegraphics[scale=.45]{ICs40a70.pdf}}\quad
562 \end{center}
563 \caption{General aspect of the chaotic iterations.}
564 \label{fig:ICs3}
565 \end{figure}
566
567
568 We have written a Python program to represent the chaotic iterations with the vectorial negation on the real line $\mathds{R}$. Various representations of these CIs are given in Figures \ref{fig:ICs}, \ref{fig:ICs2} and \ref{fig:ICs3}. It can be remarked that the function $g$ is a piecewise linear function: it is linear on each interval having the form $\left[ \dfrac{n}{10}, \dfrac{n+1}{10}\right[$, $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$ and its slope is equal to 10. Let us justify these claims:
569
570 \begin{proposition}
571 \label{Prop:derivabilite des ICs}
572 Chaotic iterations $g$ defined on $\mathds{R}$ have derivatives of all orders on $\big[ 0, 2^{10} \big[$, except on the 10241 points in $I$ defined by $\left\{ \dfrac{n}{10} ~\big/~ n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10\rrbracket \right\}$.
573
574 Furthermore, on each interval of the form $\left[ \dfrac{n}{10}, \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$, $g$ is a linear function, having a slope equal to 10: $\forall x \notin I, g'(x)=10$.
575 \end{proposition}
576
577
578 \begin{proof}
579 Let $I_n = \left[ \dfrac{n}{10}, \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$. All the points of $I_n$ have the same integral prat $e$ and the same decimal part $s^0$: on the set $I_n$,  functions $e(x)$ and $x \mapsto s(x)^0$ of Definition \ref{def:e et s} only depend on $n$. So all the images $g(x)$ of these points $x$:
580 \begin{itemize}
581 \item Have the same integral part, which is $e$, except probably the bit number $s^0$. In other words, this integer has approximately the same binary decomposition than $e$, the sole exception being the digit $s^0$ (this number is then either $e+2^{10-s^0}$ or $e-2^{10-s^0}$, depending on the parity of $s^0$, \emph{i.e.}, it is equal to $e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}$).
582 \item A shift to the left has been applied to the decimal part $y$, losing by doing so the common first digit $s^0$. In other words, $y$ has been mapped into $10\times y - s^0$.
583 \end{itemize}
584 To sum up, the action of $g$ on the points of $I$ is as follows: first, make a multiplication by 10, and second, add the same constant to each term, which is $\dfrac{1}{10}\left(e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}\right)-s^0$.
585 \end{proof}
586
587 \begin{remark}
588 Finally, chaotic iterations are elements of the large family of functions that are both chaotic and piecewise linear (like the tent map).
589 \end{remark}
590
591
592
593 \subsection{Comparison of the two metrics on $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$}
594
595 The two propositions bellow allow to compare our two distances on $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$:
596
597 \begin{proposition}
598 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,\Delta~\right) \to \left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[, D~\right)$ is not continuous. 
599 \end{proposition}
600
601 \begin{proof}
602 The sequence $x^n = 1,999\hdots 999$ constituted by $n$ 9 as decimal part, is such that:
603 \begin{itemize}
604 \item $\Delta (x^n,2) \to 0.$
605 \item But $D(x^n,2) \geqslant 1$, then $D(x^n,2)$ does not converge to 0.
606 \end{itemize}
607
608 The sequential characterization of the continuity concludes the demonstration.
609 \end{proof}
610
611
612
613 A contrario:
614
615 \begin{proposition}
616 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,D~\right) \to \left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[, \Delta ~\right)$ is a continuous fonction. 
617 \end{proposition}
618
619 \begin{proof}
620 If $D(x^n,x) \to 0$, then $D_e(x^n,x) = 0$ at least for $n$ larger than a given threshold, because $D_e$ only returns integers. So, after this threshold, the integral parts of all the $x^n$ are equal to the integral part of $x$. 
621
622 Additionally, $D_s(x^n, x) \to 0$, then $\forall k \in \mathds{N}^*, \exists N_k \in \mathds{N}, n \geqslant N_k \Rightarrow D_s(x^n,x) \leqslant 10^{-k}$. This means that for all $k$, an index $N_k$ can be found such that, $\forall n \geqslant N_k$, all the $x^n$ have the same $k$ firsts digits, which are the digits of $x$. We can deduce the convergence $\Delta(x^n,x) \to 0$, and thus the result.
623 \end{proof}
624
625 The conclusion of these propositions is that the proposed metric is more precise than the Euclidian distance, that is:
626
627 \begin{corollary}
628 $D$ is finer than the Euclidian distance $\Delta$.
629 \end{corollary}
630
631 This corollary can be reformulated as follows:
632
633 \begin{itemize}
634 \item The topology produced by $\Delta$ is a subset of the topology produced by $D$.
635 \item $D$ has more open sets than $\Delta$.
636 \item It is harder to converge for the topology $\tau_D$ inherited by $D$, than to converge with the one inherited by $\Delta$, which is denoted here by $\tau_\Delta$.
637 \end{itemize}
638
639
640 \subsection{Chaos of the chaotic iterations on $\mathds{R}$}
641 \label{chpt:Chaos des itérations chaotiques sur R}
642
643
644
645 \subsubsection{Chaos according to Devaney}
646
647 We have recalled previously that the chaotic iterations $\left(\Go, \mathcal{X}_d\right)$ are chaotic according to the formulation of Devaney. We can deduce that they are chaotic on $\mathds{R}$ too, when considering the order topology, because:
648 \begin{itemize}
649 \item $\left(\Go, \mathcal{X}_d\right)$ and $\left(g, \big[ 0, 2^{10} \big[_D\right)$ are semiconjugate by $\varphi$,
650 \item Then $\left(g, \big[ 0, 2^{10} \big[_D\right)$ is a system chaotic according to Devaney, because the semiconjugacy preserve this character.
651 \item But the topology generated by $D$ is finer than the topology generated by the Euclidian distance $\Delta$ -- which is the order topology.
652 \item According to Theorem \ref{Th:chaos et finesse}, we can deduce that the chaotic iterations $g$ are indeed chaotic, as defined by Devaney, for the order topology on $\mathds{R}$.
653 \end{itemize}
654
655 This result can be formulated as follows.
656
657 \begin{theorem}
658 \label{th:IC et topologie de l'ordre}
659 The chaotic iterations $g$ on $\mathds{R}$ are chaotic according to the Devaney's formulation, when $\mathds{R}$ has his usual topology, which is the order topology.
660 \end{theorem}
661
662 Indeed this result is weaker than the theorem establishing the chaos for the finer topology $d$. However the Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre} still remains important. Indeed, we have studied in our previous works a set different from the usual set of study ($\mathcal{X}$ instead of $\mathds{R}$), in order to be as close as possible from the computer: the properties of disorder proved theoretically will then be preserved when computing. However, we could wonder whether this change does not lead to a disorder of a lower quality. In other words, have we replaced a situation of a good disorder lost when computing, to another situation of a disorder preserved but of bad quality. Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre} prove exactly the contrary.
663  
664
665
666
667 \section{Efficient prng based on chaotic iterations}
668
669 On parle du séquentiel avec des nombres 64 bits\\
670
671 Faire le lien avec le paragraphe précédent (je considère que la stratégie s'appelle $S^i$\\
672
673 In  order to  implement efficiently  a PRNG  based on  chaotic iterations  it is
674 possible to improve  previous works [ref]. One solution  consists in considering
675 that the  strategy used $S^i$  contains all the  bits for which the  negation is
676 achieved out. Then instead of applying  the negation on these bits we can simply
677 apply the  xor operator between  the current number  and the strategy  $S^i$. In
678 order to obtain the strategy we also use a classical PRNG.
679
680 \begin{figure}[htbp]
681 \begin{center}
682 \fbox{
683 \begin{minipage}{14cm}
684 unsigned int CIprng() \{\\
685   static unsigned int x = 123123123;\\
686   unsigned long t1 = xorshift();\\
687   unsigned long t2 = xor128();\\
688   unsigned long t3 = xorwow();\\
689   x = x\textasciicircum (unsigned int)t1;\\
690   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t2$>>$32);\\
691   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t3$>>$32);\\
692   x = x\textasciicircum (unsigned int)t2;\\
693   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t1$>>$32);\\
694   x = x\textasciicircum (unsigned int)t3;\\
695   return x;\\
696 \}
697 \end{minipage}
698 }
699 \end{center}
700 \caption{sequential Chaotic Iteration PRNG}
701 \label{algo:seqCIprng}
702 \end{figure}
703
704 In Figure~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential  version of our  chaotic iterations
705 based PRNG  is presented.  This version  uses three classical 64  bits PRNG: the
706 \texttt{xorshift},  the \texttt{xor128}  and the  \texttt{xorwow}.   These three
707 PRNGs  are presented  in~\cite{Marsaglia2003}.   As each  PRNG  used works  with
708 64-bits and as  our PRNG works with 32 bits, the  use of \texttt{(unsigned int)}
709 selects the 32 least  significant bits whereas \texttt{(unsigned int)(t3$>>$32)}
710 selects the 32  most significants bits of the  variable \texttt{t}. This version
711 sucesses   the   BigCrush   of    the   TestU01   battery   [P.   L’ecuyer   and
712   R. Simard. Testu01].
713
714 \section{Efficient prng based on chaotic iterations on GPU}
715
716 On parle du passage du sequentiel au GPU
717
718 \section{Experiments}
719
720 On passe le BigCrush\\
721 On donne des temps de générations sur GPU/CPU\\
722 On donne des temps de générations de nombre sur GPU puis on rappatrie sur CPU / CPU ? bof bof, on verra
723
724
725 \section{Conclusion}
726 \bibliographystyle{plain}
727 \bibliography{mabase}
728 \end{document}