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

Private GIT Repository
5b07118a5f04aaeae8bc521e7aa1998e4d324321
[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 In this paper we present a new produce pseudo-random numbers generator (PRNG) on
48 graphics processing units  (GPU). This PRNG is based  on chaotic iterations.  it
49 is proven  to be chaotic  in the Devany's  formulation. We propose  an efficient
50 implementation  for  GPU which  succeeds  to  the  {\it BigCrush},  the  hardest
51 batteries of test of TestU01.  Experimentations show that this PRNG can generate
52 about 20 billions of random numbers  per second on Tesla C1060 and NVidia GTX280
53 cards.
54
55
56 \end{abstract}
57
58 \section{Introduction}
59
60 Random  numbers are  used in  many scientific  applications and  simulations. On
61 finite  state machines,  as computers,  it is  not possible  to  generate random
62 numbers but only pseudo-random numbers. In practice, a good pseudo-random number
63 generator (PRNG) needs  to verify some features to be used  by scientists. It is
64 important  to  be  able  to  generate  pseudo-random  numbers  efficiently,  the
65 generation  needs to  be reproducible  and a  PRNG needs  to satisfy  many usual
66 statistical properties. Finally, from our point a view, it is essential to prove
67 that  a PRNG  is  chaotic.  Concerning  the  statistical tests,  TestU01 is  the
68 best-known public-domain statistical testing package.   So we use it for all our
69 PRNGs, especially the {\it BigCrush}  which provides the largest serie of tests.
70 Concerning  the  chaotic properties,  Devaney~\cite{Devaney}  proposed a  common
71 mathematical formulation of chaotic dynamical systems.
72
73 In a  previous work~\cite{bgw09:ip}  we have proposed  a new familly  of chaotic
74 PRNG  based on  chaotic iterations. We  have proven  that these  PRNGs are
75 chaotic in the Devaney's sense.  In this paper we propose a faster version which
76 is also proven to be chaotic.
77
78 Although graphics  processing units (GPU)  was initially designed  to accelerate
79 the manipulation of  images, they are nowadays commonly  used in many scientific
80 applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudo-random
81 numbers inside a GPU when a scientific application runs in a GPU. That is why we
82 also provide  an efficient  PRNG for  GPU respecting based  on IC.  Such devices
83 allows us to generated almost 20 billions of random numbers per second.
84
85 In order  to establish  that our  PRNGs are chaotic  according to  the Devaney's
86 formulation, we  extend what we  have proposed in~\cite{guyeux10}.  Moreover, we
87 define a  new distance to measure  the disorder in  the chaos and we  prove some
88 interesting properties with this distance.
89
90 The rest of this paper  is organised as follows. In Section~\ref{section:related
91   works} we  review some GPU implementions  of PRNG.  Section~\ref{section:BASIC
92   RECALLS} gives some basic recalls  on Devanay's formation of chaos and chaotic
93 iterations. In  Section~\ref{sec:pseudo-random} the proof of chaos  of our PRNGs
94 is   studied.    Section~\ref{sec:efficient    prng}   presents   an   efficient
95 implementation of  our chaotic PRNG  on a CPU.   Section~\ref{sec:efficient prng
96   gpu}   describes   the  GPU   implementation   of   our   chaotic  PRNG.    In
97 Section~\ref{sec:experiments}     some    experimentations     are    presented.
98 Section~\ref{sec:de  la  relativité du  désordre}  describes  the relativity  of
99 disorder.   In Section~\ref{sec: chaos  order topology}  the proof  that chaotic
100 iterations   can  be   described   by   iterations  on   a   real  interval   is
101 established. Finally, we give a conclusion and some perspectives.
102
103
104
105
106 \section{Related works on GPU based PRNGs}
107 \label{section:related works}
108 In the litterature many authors have work on defining GPU based PRNGs. We do not
109 want to be exhaustive and we just give the most significant works from our point
110 of view. When authors mention the  number of random numbers generated per second
111 we mention  it. We  consider that  a million numbers  per second  corresponds to
112 1MSample/s and than a billion numbers per second corresponds to 1GSample/s.
113
114 In \cite{Pang:2008:cec},  the authors define  a PRNG based on  cellular automata
115 which  does   not  require  high  precision  integer   arithmetics  nor  bitwise
116 operations. There is no mention of statistical tests nor proof that this PRNG is
117 chaotic.  Concerning   the  speed  of   generation,  they  can   generate  about
118 3.2MSample/s on a GeForce 7800 GTX GPU (which is quite old now).
119
120 In \cite{ZRKB10}, the authors propose  different versions of efficient GPU PRNGs
121 based on  Lagged Fibonacci, Hybrid  Taus or Hybrid  Taus.  They have  used these
122 PRNGs   for  Langevin   simulations   of  biomolecules   fully  implemented   on
123 GPU. Performance of  the GPU versions are far better than  those obtained with a
124 CPU and these PRNGs succeed to pass the {\it BigCrush} test of TestU01. There is
125 no mention that their PRNGs have chaos mathematical properties.
126
127
128 Authors of~\cite{conf/fpga/ThomasHL09}  have studied the  implementation of some
129 PRNGs on  diferrent computing architectures: CPU,  field-programmable gate array
130 (FPGA), GPU and massively parallel  processor. This study is interesting because
131 it  shows the  performance  of the  same  PRNGs on  different architeture.   For
132 example,  the FPGA  is globally  the  fastest architecture  and it  is also  the
133 efficient one because it provides the fastest number of generated random numbers
134 per joule. Concerning the GPU,  authors can generate betweend 11 and 16GSample/s
135 with a GTX 280  GPU. The drawback of this work is  that those PRNGs only succeed
136 the {\it Crush} test which is easier than the {\it Big Crush} test.
137 \newline
138 \newline
139 To the best of our knowledge no GPU implementation have been proven to have chaotic properties.
140
141 \section{Basic Recalls}
142 \label{section:BASIC RECALLS}
143 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
144 topological chaos and chaotic iterations.
145 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
146
147 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
148 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
149 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
150 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
151
152
153 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
154 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
155
156 \begin{definition}
157 $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
158 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
159 \varnothing$.
160 \end{definition}
161
162 \begin{definition}
163 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
164 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
165 \end{definition}
166
167 \begin{definition}
168 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
169 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
170 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
171 necessarily the same period).
172 \end{definition}
173
174
175 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
176 $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
177 topologically transitive.
178 \end{definition}
179
180 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
181 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
182
183 \begin{definition}
184 \label{sensitivity} $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
185 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
186 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
187 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
188
189 $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
190 \end{definition}
191
192 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
193 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
194 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
195 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
196 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
197 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
198 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
199 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
200 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
201 possible and occur in an unpredictable way.
202
203
204
205 \subsection{Chaotic Iterations}
206 \label{sec:chaotic iterations}
207
208
209 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
210 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
211 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
212  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
213 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
214 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
215 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
216
217 \begin{definition}
218 \label{Def:chaotic iterations}
219 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
220 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
221 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
222 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
223 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
224 \begin{equation}
225 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
226 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
227 \begin{array}{ll}
228   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
229   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
230 \end{array}\right.
231 \end{equation}
232 \end{definition}
233
234 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
235 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
236 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
237 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
238 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
239 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
240 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
241 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
242
243
244 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
245 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
246
247 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
248 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function:
249 \begin{equation}
250 \begin{array}{lrll}
251 F_{f}: & \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
252 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
253 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+f(E)_{k}.\overline{\delta
254 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
255 \end{array}%
256 \end{equation}%
257 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
258 Consider the phase space:
259 \begin{equation}
260 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
261 \mathds{B}^\mathsf{N},
262 \end{equation}
263 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
264 \begin{equation}
265 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
266 \end{equation}
267 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
268 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
269 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
270 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
271 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
272 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
273 \begin{equation}
274 \left\{
275 \begin{array}{l}
276 X^0 \in \mathcal{X} \\
277 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
278 \end{array}%
279 \right.
280 \end{equation}%
281
282 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
283 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
284 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
285 chaotic. 
286 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
287 (\check{S},\check{E})\in
288 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
289 \begin{equation}
290 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
291 \end{equation}
292 \noindent where
293 \begin{equation}
294 \left\{
295 \begin{array}{lll}
296 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
297 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
298 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
299 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
300 \end{array}%
301 \right.
302 \end{equation}
303
304
305 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
306 \begin{itemize}
307 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
308 their distance should increase too.
309 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
310 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
311 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
312 while. Indeed, the two dynamical systems start with the same initial condition,
313 use the same update function, and as strategies are the same for a while, then
314 components that are updated are the same too.
315 \end{itemize}
316 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
317 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
318 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
319 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
320 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
321 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
322 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
323 The impact of this choice for a distance will be investigate at the end of the document.
324
325 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
326
327 \begin{proposition}
328 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
329 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
330 \end{proposition}
331
332 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
333 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
334 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
335
336 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
337 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
338 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
339 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
340 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
341 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
342 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
343 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
344 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
345 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
346
347 We have finally proven in \cite{bcgr11:ip} that,
348
349
350 \begin{theorem}
351 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
352 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
353 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
354 \end{theorem}
355
356 This result of chaos has lead us to study the possibility to build a
357 pseudo-random number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
358 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
359 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is build from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
360 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
361 during implementations (due to the discrete nature of $f$). It is as if
362 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
363 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance).
364
365 \section{Application to Pseudo-Randomness}
366 \label{sec:pseudo-random}
367 \subsection{A First Pseudo-Random Number Generator}
368
369 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
370 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
371 leading thus to a new PRNG that improves the statistical properties of each
372 generator taken alone. Furthermore, our generator 
373 possesses various chaos properties that none of the generators used as input
374 present.
375
376 \begin{algorithm}[h!]
377 %\begin{scriptsize}
378 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
379 ($n$ bits)}
380 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
381 $x\leftarrow x^0$\;
382 $k\leftarrow b + \textit{XORshift}(b)$\;
383 \For{$i=0,\dots,k$}
384 {
385 $s\leftarrow{\textit{XORshift}(n)}$\;
386 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
387 }
388 return $x$\;
389 %\end{scriptsize}
390 \caption{PRNG with chaotic functions}
391 \label{CI Algorithm}
392 \end{algorithm}
393
394 \begin{algorithm}[h!]
395 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
396 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
397 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
398 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
399 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
400 $y\leftarrow{z}$\;
401 return $y$\;
402 \medskip
403 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
404 \label{XORshift}
405 \end{algorithm}
406
407
408
409
410
411 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
412 It takes as input: a function $f$;
413 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations is at least $b$
414 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
415 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
416 \textit{XORshift}$(k)$ PRNGs \cite{Marsaglia2003} that returns integers
417 uniformly distributed
418 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
419 \textit{XORshift} is a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia,
420 which repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
421 with a bit shifted version of it. This PRNG, which has a period of
422 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. It is used
423 in our PRNG to compute the strategy length and the strategy elements.
424
425
426 We have proven in \cite{bcgr11:ip} that,
427 \begin{theorem}
428   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
429   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
430   matrix and $M$ a $n\times n$ matrix defined as in the previous lemma.
431   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
432   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
433   a law that tends to the uniform distribution 
434   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
435 \end{theorem} 
436
437 This former generator as successively passed various batteries of statistical tests, as the NIST tests~\cite{bcgr11:ip}.
438
439 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
440
441 Instead of updating only one cell at each iteration, we can try to choose a
442 subset of components and to update them together. Such an attempt leads
443 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithm 
444 \ref{CI Algorithm}. When the updating function is the vectorial negation,
445 this algorithm can be rewritten as follows:
446
447 \begin{equation}
448 \left\{
449 \begin{array}{l}
450 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
451 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
452 \end{array}
453 \right.
454 \label{equation Oplus}
455 \end{equation}
456 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
457 This rewritten can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
458 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
459 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
460 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
461 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
462 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
463
464 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus} is of 
465 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
466 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
467
468 \begin{equation}
469 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
470 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
471 \begin{array}{ll}
472   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
473   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
474 \end{array}\right.
475 \label{eq:generalIC}
476 \end{equation}
477 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
478 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
479 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
480 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
481 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} for 
482 the fact that, instead of updating only one term at each iteration,
483 we select a subset of components to change.
484
485
486 Obviously, replacing Algorithm~\ref{CI Algorithm} by 
487 Equation~\ref{equation Oplus}, possible when the iteration function is
488 the vectorial negation, leads to a speed improvement. However, proofs
489 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
490 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
491 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
492 use of more general chaotic iterations to generate pseudo-random numbers 
493 faster, does not deflate their topological chaos properties.
494
495 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
496 \label{deuxième def}
497 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
498 the general form:
499
500 \begin{equation}
501 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
502 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
503 \begin{array}{ll}
504   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
505   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
506 \end{array}\right.
507 \label{general CIs}
508 \end{equation}
509
510 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
511 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
512
513 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
514 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
515 is required in order to study the topological behavior of the system.
516
517 Let us introduce the following function:
518 \begin{equation}
519 \begin{array}{cccc}
520  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
521          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
522 \end{array} 
523 \end{equation}
524 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
525
526 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
527 \begin{equation}
528 \begin{array}{lrll}
529 F_{f}: & \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
530 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
531 & (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi
532 (j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
533 \end{array}%
534 \end{equation}%
535 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
536 is the negation of the Boolean $x$.
537 Consider the phase space:
538 \begin{equation}
539 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
540 \mathds{B}^\mathsf{N},
541 \end{equation}
542 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
543 \begin{equation}
544 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
545 \end{equation}
546 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
547 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
548 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
549 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
550 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
551 be described by the following discrete dynamical system:
552 \begin{equation}
553 \left\{
554 \begin{array}{l}
555 X^0 \in \mathcal{X} \\
556 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
557 \end{array}%
558 \right.
559 \end{equation}%
560
561 Another time, a shift function appears as a component of these general chaotic 
562 iterations. 
563
564 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
565 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
566 Let us introduce:
567 \begin{equation}
568 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
569 \label{nouveau d}
570 \end{equation}
571 \noindent where
572 \begin{equation}
573 \left\{
574 \begin{array}{lll}
575 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
576 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}\textrm{ is another time the Hamming distance}, \\
577 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
578 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
579 \end{array}%
580 \right.
581 \end{equation}
582 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
583 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
584
585
586 \begin{proposition}
587 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
588 \end{proposition}
589
590 \begin{proof}
591  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
592 too, thus $d$ will be a distance as sum of two distances.
593  \begin{itemize}
594 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
595 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
596 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
597  \item $d_s$ is symmetric 
598 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
599 of the symmetric difference. 
600 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
601 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
602 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
603 inequality is obtained.
604  \end{itemize}
605 \end{proof}
606
607
608 Before being able to study the topological behavior of the general 
609 chaotic iterations, we must firstly establish that:
610
611 \begin{proposition}
612  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
613 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
614 \end{proposition}
615
616
617 \begin{proof}
618 We use the sequential continuity.
619 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
620 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
621 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
622 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
623 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
624 sequences).\newline
625 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
626 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
627 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
628 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
629 cell will change its state:
630 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
631
632 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
633 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
634 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
635 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
636
637 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
638 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
639 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
640 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
641 \noindent We now prove that the distance between $\left(
642 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
643 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
644 \begin{itemize}
645 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that distance
646 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
647 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
648 \medskip
649 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
650 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
651 \begin{equation*}
652 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
653 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
654 \end{equation*}%
655 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
656 \end{itemize}
657 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
658 G_{f}(S^n,E^n)$ 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
659 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
660 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.\bigskip \newline
661 In conclusion,
662 $$
663 \forall \varepsilon >0,\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}%
664 ,\forall n\geqslant N_{0},
665  d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
666 \leqslant \varepsilon .
667 $$
668 $G_{f}$ is consequently continuous.
669 \end{proof}
670
671
672 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
673 iterations. We will prove that,
674
675 \begin{theorem}
676 \label{t:chaos des general}
677  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
678 the Devaney's property of chaos.
679 \end{theorem}
680
681 Let us firstly prove the following lemma.
682
683 \begin{lemma}[Strong transitivity]
684 \label{strongTrans}
685  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
686 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
687 \end{lemma}
688
689 \begin{proof}
690  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
691 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
692 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
693 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
694 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
695 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
696 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
697 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
698 \begin{itemize}
699  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
700  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
701 \end{itemize}
702 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
703 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
704 claimed in the lemma.
705 \end{proof}
706
707 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}...
708
709 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
710 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
711
712 Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
713 prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
714 there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
715 $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
716 $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
717
718 Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
719 configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
720 $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
721 and $t_2\in\mathds{N}$ such
722 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
723
724 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
725 of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: $$\tilde
726 S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
727 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
728 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
729 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
730 have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
731 \end{proof}
732
733
734
735 \section{Efficient PRNG based on Chaotic Iterations}
736 \label{sec:efficient prng}
737
738 In  order to  implement efficiently  a PRNG  based on  chaotic iterations  it is
739 possible to improve  previous works [ref]. One solution  consists in considering
740 that the  strategy used contains all the  bits for which the  negation is
741 achieved out. Then in order to apply  the negation on these bits we can simply
742 apply the  xor operator between  the current number  and the strategy. In
743 order to obtain the strategy we also use a classical PRNG.
744
745 Here  is an  example with  16-bits numbers  showing how  the bitwise  operations
746 are
747 applied.  Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are defined  in binary mode.
748 Then the following table shows the result of $x$ xor $S^i$.
749 $$
750 \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
751 \hline
752 x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
753 \hline
754 S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
755 \hline
756 x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
757 \hline
758
759 \hline
760  \end{array}
761 $$
762
763
764
765
766
767 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential chaotic iterations based
768 PRNG},label=algo:seqCIprng}
769 \begin{lstlisting}
770 unsigned int CIprng() {
771   static unsigned int x = 123123123;
772   unsigned long t1 = xorshift();
773   unsigned long t2 = xor128();
774   unsigned long t3 = xorwow();
775   x = x^(unsigned int)t1;
776   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
777   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
778   x = x^(unsigned int)t2;
779   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
780   x = x^(unsigned int)t3;
781   return x;
782 }
783 \end{lstlisting}
784
785
786
787
788
789 In listing~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential version of  our chaotic iterations
790 based PRNG is  presented.  The xor operator is  represented by \textasciicircum.
791 This  function uses  three classical  64-bits PRNG:  the  \texttt{xorshift}, the
792 \texttt{xor128}  and  the  \texttt{xorwow}.   In  the following,  we  call  them
793 xor-like PRNGSs.   These three PRNGs are  presented in~\cite{Marsaglia2003}.  As
794 each xor-like PRNG  used works with 64-bits and as our  PRNG works with 32-bits,
795 the use of \texttt{(unsigned int)} selects the 32 least significant bits whereas
796 \texttt{(unsigned int)(t3$>>$32)}  selects the 32 most significants  bits of the
797 variable \texttt{t}.   So to produce a  random number realizes  6 xor operations
798 with 6 32-bits  numbers produced by 3 64-bits PRNG.   This version successes the
799 BigCrush of the TestU01 battery~\cite{LEcuyerS07}.
800
801 \section{Efficient PRNGs based on chaotic iterations on GPU}
802 \label{sec:efficient prng gpu}
803
804 In  order to benefit  from computing  power of  GPU, a  program needs  to define
805 independent blocks of threads which  can be computed simultaneously. In general,
806 the larger the number of threads is,  the more local memory is used and the less
807 branching  instructions are  used (if,  while, ...),  the better  performance is
808 obtained  on  GPU.  So  with  algorithm  \ref{algo:seqCIprng}  presented in  the
809 previous section, it is possible to  build a similar program which computes PRNG
810 on   GPU.  In  the   CUDA~\cite{Nvid10}  environment,   threads  have   a  local
811 identificator, called \texttt{ThreadIdx} relative to the block containing them.
812
813
814 \subsection{Naive version for GPU}
815
816 From the CPU version, it is possible  to obtain a quite similar version for GPU.
817 The principe consists in assigning the computation of a PRNG as in sequential to
818 each thread  of the  GPU.  Of course,  it is  essential that the  three xor-like
819 PRNGs  used for  our computation  have different  parameters. So  we  chose them
820 randomly with  another PRNG. As the  initialisation is performed by  the CPU, we
821 have  chosen  to  use  the  ISAAC  PRNG~\cite{Jenkins96}  to  initalize  all  the
822 parameters for  the GPU version  of our PRNG.   The implementation of  the three
823 xor-like  PRNGs  is  straightforward  as  soon as  their  parameters  have  been
824 allocated in  the GPU memory.  Each xor-like PRNGs  used works with  an internal
825 number  $x$  which keeps  the  last  generated  random numbers.  Other  internal
826 variables  are   also  used   by  the  xor-like   PRNGs.  More   precisely,  the
827 implementation of the  xor128, the xorshift and the  xorwow respectively require
828 4, 5 and 6 unsigned long as internal variables.
829
830 \begin{algorithm}
831
832 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
833 PRNGs in global memory\;
834 NumThreads: Number of threads\;}
835 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
836 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
837   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
838   \For{i=1 to n} {
839     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIprng}\;
840     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
841   }
842   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
843 }
844
845 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU naive version}
846 \label{algo:gpu_kernel}
847 \end{algorithm}
848
849 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of  PRNG using
850 GPU.  According  to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
851 used simultenaously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
852 inside   a    kernel   is   limited,   i.e.    the    variable   \texttt{n}   in
853 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}. For example, if  $100,000$ threads are used and
854 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)}
855 then   the  memory   required   to  store   internals   variables  of   xor-like
856 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
857 and  random  number of  our  PRNG  is  equals to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
858 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, i.e. about $52$Mb.
859
860 All the  tests performed  to pass the  BigCrush of TestU01  succeeded. Different
861 number of threads, called \texttt{NumThreads} in our algorithm, have been tested
862 upto $10$ millions.
863
864 \begin{remark}
865 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  has  the  advantage to  manipulate  independent
866 PRNGs, so this version is easily usable on a cluster of computer. The only thing
867 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. For this, a simple solution consists in
868 using a master node for the initialization which computes the initial parameters
869 for all the differents nodes involves in the computation.
870 \end{remark}
871
872 \subsection{Improved version for GPU}
873
874 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
875 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
876 i.e., using less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
877 one xor-like PRNG by thread, saving  it into shared memory and using the results
878 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
879 thread uses the result of which other  one, we can use a permutation array which
880 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a  permutation has  been
881 performed.  In Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}, 2 permutations arrays are used.
882 The    variable   \texttt{offset}    is    computed   using    the   value    of
883 \texttt{permutation\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
884 which represent the indexes of the  other threads for which the results are used
885 by the  current thread. In  the algorithm, we  consider that a  64-bits xor-like
886 PRNG is used, that is why both 32-bits parts are used.
887
888 This version also succeeds to the {\it BigCrush} batteries of tests.
889
890 \begin{algorithm}
891
892 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
893 in global memory\;
894 NumThreads: Number of threads\;
895 tab1, tab2: Arrays containing permutations of size permutation\_size\;}
896
897 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
898 \If{threadId is concerned} {
899   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables including shared memory\;
900   offset = threadIdx\%permutation\_size\;
901   o1 = threadIdx-offset+tab1[offset]\;
902   o2 = threadIdx-offset+tab2[offset]\;
903   \For{i=1 to n} {
904     t=xor-like()\;
905     t=t$\oplus$shmem[o1]$\oplus$shmem[o2]\;
906     shared\_mem[threadId]=t\;
907     x = x $\oplus$ t\;
908
909     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
910   }
911   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
912 }
913
914 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
915 version}
916 \label{algo:gpu_kernel2}
917 \end{algorithm}
918
919 \subsection{Theoretical Evaluation of the Improved Version}
920
921 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in three operations having 
922 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
923 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, three iterations of the general chaotic
924 iterations are realized between two stored values of the PRNG.
925 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
926 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
927 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
928 The left term $x$ obviously belongs into $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
929 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that each right 
930 term, corresponding to terms of the strategies,  can possibly be equal to any
931 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
932
933 Such a result is obvious for the two first lines, as for the xor-like(), all the
934 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration.
935 It can be easily stated for the two last lines by an immediate mathematical
936 induction.
937
938 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
939 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
940 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
941
942 \section{Experiments}
943 \label{sec:experiments}
944
945 Different experiments  have been  performed in order  to measure  the generation
946 speed. We have used  a computer equiped with Tesla C1060 NVidia  GPU card and an
947 Intel  Xeon E5530 cadenced  at 2.40  GHz for  our experiments  and we  have used
948 another one  equipped with  a less performant  CPU and  a GeForce GTX  280. Both
949 cards have 240 cores.
950
951 In Figure~\ref{fig:time_gpu}  we compare the number of  random numbers generated
952 per second. The xor-like prng  is a xor64 described in~\cite{Marsaglia2003}.  In
953 order to obtain the optimal performance  we remove the storage of random numbers
954 in the GPU memory. This step is time consumming and slows down the random number
955 generation.  Moreover, if you are interested by applications that consome random
956 numbers  directly   when  they  are  generated,  their   storage  is  completely
957 useless. In this  figure we can see  that when the number of  threads is greater
958 than approximately 30,000 upto 5 millions the number of random numbers generated
959 per second  is almost constant.  With the  naive version, it is  between 2.5 and
960 3GSample/s.   With  the  optimized   version,  it  is  approximately  equals  to
961 20GSample/s. Finally  we can remark  that both GPU  cards are quite  similar. In
962 practice,  the Tesla C1060  has more  memory than  the GTX  280 and  this memory
963 should be of better quality.
964
965 \begin{figure}[htbp]
966 \begin{center}
967   \includegraphics[scale=.7]{curve_time_gpu.pdf}
968 \end{center}
969 \caption{Number of random numbers generated per second}
970 \label{fig:time_gpu}
971 \end{figure}
972
973
974 In  comparison,   Listing~\ref{algo:seqCIprng}  allows  us   to  generate  about
975 138MSample/s with only one core of the Xeon E5530.
976
977
978
979
980
981 \section{The relativity of disorder}
982 \label{sec:de la relativité du désordre}
983
984 In the next two sections, we investigate the impact of the choices that have
985 lead to the definitions of measures in Sections \ref{sec:chaotic iterations} and \ref{deuxième def}.
986
987 \subsection{Impact of the topology's finenesse}
988
989 Let us firstly introduce the following notations.
990
991 \begin{notation}
992 $\mathcal{X}_\tau$ will denote the topological space
993 $\left(\mathcal{X},\tau\right)$, whereas $\mathcal{V}_\tau (x)$ will be the set
994 of all the neighborhoods of $x$ when considering the topology $\tau$ (or simply
995 $\mathcal{V} (x)$, if there is no ambiguity).
996 \end{notation}
997
998
999
1000 \begin{theorem}
1001 \label{Th:chaos et finesse}
1002 Let $\mathcal{X}$ a set and $\tau, \tau'$ two topologies on $\mathcal{X}$ s.t.
1003 $\tau'$ is finer than $\tau$. Let $f:\mathcal{X} \to \mathcal{X}$, continuous
1004 both for $\tau$ and $\tau'$.
1005
1006 If $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is chaotic according to Devaney, then
1007 $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is chaotic too.
1008 \end{theorem}
1009
1010 \begin{proof}
1011 Let us firstly establish the transitivity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$.
1012
1013 Let $\omega_1, \omega_2$ two open sets of $\tau$. Then $\omega_1, \omega_2 \in
1014 \tau'$, becaus $\tau'$ is finer than $\tau$. As $f$ is $\tau'-$transitive, we
1015 can deduce that $\exists n \in \mathds{N}, \omega_1 \cap f^{(n)}(\omega_2) =
1016 \varnothing$. Consequently, $f$ is $\tau-$transitive.
1017
1018 Let us now consider the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$, \emph{i.e.}, for
1019 all $x \in \mathcal{X}$, and for all $\tau-$neighborhood $V$ of $x$, there is a
1020 periodic point for $f$ into $V$.
1021
1022 Let $x \in \mathcal{X}$ and $V \in \mathcal{V}_\tau (x)$ a $\tau-$neighborhood
1023 of $x$. By definition, $\exists \omega \in \tau, x \in \omega \subset V$.
1024
1025 But $\tau \subset \tau'$, so $\omega \in \tau'$, and then $V \in
1026 \mathcal{V}_{\tau'} (x)$. As $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is regular, there is a
1027 periodic point for $f$ into $V$, and the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is
1028 proven. 
1029 \end{proof}
1030
1031 \subsection{A given system can always be claimed as chaotic}
1032
1033 Let $f$ an iteration function on $\mathcal{X}$ having at least a fixed point.
1034 Then this function is chaotic (in a certain way):
1035
1036 \begin{theorem}
1037 Let $\mathcal{X}$ a nonempty set and $f: \mathcal{X} \to \X$ a function having
1038 at least a fixed point.
1039 Then $f$ is $\tau_0-$chaotic, where $\tau_0$ is the trivial (indiscrete)
1040 topology on $\X$.
1041 \end{theorem}
1042
1043
1044 \begin{proof}
1045 $f$ is transitive when $\forall \omega, \omega' \in \tau_0 \setminus
1046 \{\varnothing\}, \exists n \in \mathds{N}, f^{(n)}(\omega) \cap \omega' \neq
1047 \varnothing$.
1048 As $\tau_0 = \left\{ \varnothing, \X \right\}$, this is equivalent to look for
1049 an integer $n$ s.t. $f^{(n)}\left( \X \right) \cap \X \neq \varnothing$. For
1050 instance, $n=0$ is appropriate.
1051
1052 Let us now consider $x \in \X$ and $V \in \mathcal{V}_{\tau_0} (x)$. Then $V =
1053 \mathcal{X}$, so $V$ has at least a fixed point for $f$. Consequently $f$ is
1054 regular, and the result is established.
1055 \end{proof}
1056
1057
1058
1059
1060 \subsection{A given system can always be claimed as non-chaotic}
1061
1062 \begin{theorem}
1063 Let $\mathcal{X}$ be a set and $f: \mathcal{X} \to \X$.
1064 If $\X$ is infinite, then $\left( \X_{\tau_\infty}, f\right)$ is not chaotic
1065 (for the Devaney's formulation), where $\tau_\infty$ is the discrete topology.
1066 \end{theorem}
1067
1068 \begin{proof}
1069 Let us prove it by contradiction, assuming that $\left(\X_{\tau_\infty},
1070 f\right)$ is both transitive and regular.
1071
1072 Let $x \in \X$ and $\{x\}$ one of its neighborhood. This neighborhood must
1073 contain a periodic point for $f$, if we want that $\left(\X_{\tau_\infty},
1074 f\right)$ is regular. Then $x$ must be a periodic point of $f$.
1075
1076 Let $I_x = \left\{ f^{(n)}(x), n \in \mathds{N}\right\}$. This set is finite
1077 because  $x$ is periodic, and $\mathcal{X}$ is infinite, then $\exists y \in
1078 \mathcal{X}, y \notin I_x$.
1079
1080 As $\left(\X_{\tau_\infty}, f\right)$ must be transitive, for all open nonempty
1081 sets $A$ and $B$, an integer $n$ must satisfy $f^{(n)}(A) \cap B \neq
1082 \varnothing$. However $\{x\}$ and $\{y\}$ are open sets and $y \notin I_x
1083 \Rightarrow \forall n, f^{(n)}\left( \{x\} \right) \cap \{y\} = \varnothing$.
1084 \end{proof}
1085
1086
1087
1088
1089
1090
1091 \section{Chaos on the order topology}
1092 \label{sec: chaos order topology}
1093 \subsection{The phase space is an interval of the real line}
1094
1095 \subsubsection{Toward a topological semiconjugacy}
1096
1097 In what follows, our intention is to establish, by using a topological
1098 semiconjugacy, that chaotic iterations over $\mathcal{X}$ can be described as
1099 iterations on a real interval. To do so, we must firstly introduce some
1100 notations and terminologies. 
1101
1102 Let $\mathcal{S}_\mathsf{N}$ be the set of sequences belonging into $\llbracket
1103 1; \mathsf{N}\rrbracket$ and $\mathcal{X}_{\mathsf{N}} = \mathcal{S}_\mathsf{N}
1104 \times \B^\mathsf{N}$.
1105
1106
1107 \begin{definition}
1108 The function $\varphi: \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10} \rightarrow \big[
1109 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
1110 \begin{equation}
1111  \begin{array}{cccl}
1112 \varphi: & \mathcal{X}_{10} = \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}&
1113 \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
1114  & (S,E) = \left((S^0, S^1, \hdots ); (E_0, \hdots, E_9)\right) & \longmapsto &
1115 \varphi \left((S,E)\right)
1116 \end{array}
1117 \end{equation}
1118 where $\varphi\left((S,E)\right)$ is the real number:
1119 \begin{itemize}
1120 \item whose integral part $e$ is $\displaystyle{\sum_{k=0}^9 2^{9-k} E_k}$, that
1121 is, the binary digits of $e$ are $E_0 ~ E_1 ~ \hdots ~ E_9$.
1122 \item whose decimal part $s$ is equal to $s = 0,S^0~ S^1~ S^2~ \hdots =
1123 \sum_{k=1}^{+\infty} 10^{-k} S^{k-1}.$ 
1124 \end{itemize}
1125 \end{definition}
1126
1127
1128
1129 $\varphi$ realizes the association between a point of $\mathcal{X}_{10}$ and a
1130 real number into $\big[ 0, 2^{10} \big[$. We must now translate the chaotic
1131 iterations $\Go$ on this real interval. To do so, two intermediate functions
1132 over $\big[ 0, 2^{10} \big[$ must be introduced:
1133
1134
1135 \begin{definition}
1136 \label{def:e et s}
1137 Let $x \in \big[ 0, 2^{10} \big[$ and:
1138 \begin{itemize}
1139 \item $e_0, \hdots, e_9$ the binary digits of the integral part of $x$:
1140 $\displaystyle{\lfloor x \rfloor = \sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k}$.
1141 \item $(s^k)_{k\in \mathds{N}}$ the digits of $x$, where the chosen decimal
1142 decomposition of $x$ is the one that does not have an infinite number of 9: 
1143 $\displaystyle{x = \lfloor x \rfloor + \sum_{k=0}^{+\infty} s^k 10^{-k-1}}$.
1144 \end{itemize}
1145 $e$ and $s$ are thus defined as follows:
1146 \begin{equation}
1147 \begin{array}{cccl}
1148 e: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \mathds{B}^{10} \\
1149  & x & \longmapsto & (e_0, \hdots, e_9)
1150 \end{array}
1151 \end{equation}
1152 and
1153 \begin{equation}
1154  \begin{array}{cccc}
1155 s: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \llbracket 0, 9
1156 \rrbracket^{\mathds{N}} \\
1157  & x & \longmapsto & (s^k)_{k \in \mathds{N}}
1158 \end{array}
1159 \end{equation}
1160 \end{definition}
1161
1162 We are now able to define the function $g$, whose goal is to translate the
1163 chaotic iterations $\Go$ on an interval of $\mathds{R}$.
1164
1165 \begin{definition}
1166 $g:\big[ 0, 2^{10} \big[ \longrightarrow \big[ 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
1167 \begin{equation}
1168 \begin{array}{cccc}
1169 g: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
1170  & x & \longmapsto & g(x)
1171 \end{array}
1172 \end{equation}
1173 where g(x) is the real number of $\big[ 0, 2^{10} \big[$ defined bellow:
1174 \begin{itemize}
1175 \item its integral part has a binary decomposition equal to $e_0', \hdots,
1176 e_9'$, with:
1177  \begin{equation}
1178 e_i' = \left\{
1179 \begin{array}{ll}
1180 e(x)_i & \textrm{ if } i \neq s^0\\
1181 e(x)_i + 1 \textrm{ (mod 2)} & \textrm{ if } i = s^0\\
1182 \end{array}
1183 \right.
1184 \end{equation}
1185 \item whose decimal part is $s(x)^1, s(x)^2, \hdots$
1186 \end{itemize}
1187 \end{definition}
1188
1189 \bigskip
1190
1191
1192 In other words, if $x = \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k + 
1193 \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k} ~10^{-k-1}}$, then:
1194 \begin{equation}
1195 g(x) =
1196 \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} (e_k + \delta(k,s^0) \textrm{ (mod 2)}) + 
1197 \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k+1} 10^{-k-1}}. 
1198 \end{equation}
1199
1200
1201 \subsubsection{Defining a metric on $\big[ 0, 2^{10} \big[$}
1202
1203 Numerous metrics can be defined on the set $\big[ 0, 2^{10} \big[$, the most
1204 usual one being the Euclidian distance recalled bellow:
1205
1206 \begin{notation}
1207 \index{distance!euclidienne}
1208 $\Delta$ is the Euclidian distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$, that is,
1209 $\Delta(x,y) = |y-x|^2$.
1210 \end{notation}
1211
1212 \medskip
1213
1214 This Euclidian distance does not reproduce exactly the notion of proximity
1215 induced by our first distance $d$ on $\X$. Indeed $d$ is finer than $\Delta$.
1216 This is the reason why we have to introduce the following metric:
1217
1218
1219
1220 \begin{definition}
1221 Let $x,y \in \big[ 0, 2^{10} \big[$.
1222 $D$ denotes the function from $\big[ 0, 2^{10} \big[^2$ to $\mathds{R}^+$
1223 defined by: $D(x,y) = D_e\left(e(x),e(y)\right) + D_s\left(s(x),s(y)\right)$,
1224 where:
1225 \begin{center}
1226 $\displaystyle{D_e(E,\check{E}) = \sum_{k=0}^\mathsf{9} \delta (E_k,
1227 \check{E}_k)}$, ~~and~ $\displaystyle{D_s(S,\check{S}) = \sum_{k = 1}^\infty
1228 \dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^k}}$.
1229 \end{center}
1230 \end{definition}
1231
1232 \begin{proposition}
1233 $D$ is a distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$.
1234 \end{proposition}
1235
1236 \begin{proof}
1237 The three axioms defining a distance must be checked.
1238 \begin{itemize}
1239 \item $D \geqslant 0$, because everything is positive in its definition. If
1240 $D(x,y)=0$, then $D_e(x,y)=0$, so the integral parts of $x$ and $y$ are equal
1241 (they have the same binary decomposition). Additionally, $D_s(x,y) = 0$, then
1242 $\forall k \in \mathds{N}^*, s(x)^k = s(y)^k$. In other words, $x$ and $y$ have
1243 the same $k-$th decimal digit, $\forall k \in \mathds{N}^*$. And so $x=y$.
1244 \item $D(x,y)=D(y,x)$.
1245 \item Finally, the triangular inequality is obtained due to the fact that both
1246 $\delta$ and $\Delta(x,y)=|x-y|$ satisfy it.
1247 \end{itemize}
1248 \end{proof}
1249
1250
1251 The convergence of sequences according to $D$ is not the same than the usual
1252 convergence related to the Euclidian metric. For instance, if $x^n \to x$
1253 according to $D$, then necessarily the integral part of each $x^n$ is equal to
1254 the integral part of $x$ (at least after a given threshold), and the decimal
1255 part of $x^n$ corresponds to the one of $x$ ``as far as required''.
1256 To illustrate this fact, a comparison between $D$ and the Euclidian distance is
1257 given Figure \ref{fig:comparaison de distances}. These illustrations show that
1258 $D$ is richer and more refined than the Euclidian distance, and thus is more
1259 precise.
1260
1261
1262 \begin{figure}[t]
1263 \begin{center}
1264   \subfigure[Function $x \to dist(x;1,234) $ on the interval
1265 $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien.pdf}}\quad
1266   \subfigure[Function $x \to dist(x;3) $ on the interval
1267 $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien2.pdf}}
1268 \end{center}
1269 \caption{Comparison between $D$ (in blue) and the Euclidian distane (in green).}
1270 \label{fig:comparaison de distances}
1271 \end{figure}
1272
1273
1274
1275
1276 \subsubsection{The semiconjugacy}
1277
1278 It is now possible to define a topological semiconjugacy between $\mathcal{X}$
1279 and an interval of $\mathds{R}$:
1280
1281 \begin{theorem}
1282 Chaotic iterations on the phase space $\mathcal{X}$ are simple iterations on
1283 $\mathds{R}$, which is illustrated by the semiconjugacy of the diagram bellow:
1284 \begin{equation*}
1285 \begin{CD}
1286 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right) @>G_{f_0}>>
1287 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right)\\
1288     @V{\varphi}VV                    @VV{\varphi}V\\
1289 \left( ~\big[ 0, 2^{10} \big[, D~\right)  @>>g> \left(~\big[ 0, 2^{10} \big[,
1290 D~\right)
1291 \end{CD}
1292 \end{equation*}
1293 \end{theorem}
1294
1295 \begin{proof}
1296 $\varphi$ has been constructed in order to be continuous and onto.
1297 \end{proof}
1298
1299 In other words, $\mathcal{X}$ is approximately equal to $\big[ 0, 2^\mathsf{N}
1300 \big[$.
1301
1302
1303
1304
1305
1306
1307 \subsection{Study of the chaotic iterations described as a real function}
1308
1309
1310 \begin{figure}[t]
1311 \begin{center}
1312   \subfigure[ICs on the interval
1313 $(0,9;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs09a1.pdf}}\quad
1314   \subfigure[ICs on the interval
1315 $(0,7;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs07a95.pdf}}\\
1316   \subfigure[ICs on the interval
1317 $(0,5;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs05a1.pdf}}\quad
1318   \subfigure[ICs on the interval
1319 $(0;1)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs0a1.pdf}}
1320 \end{center}
1321 \caption{Representation of the chaotic iterations.}
1322 \label{fig:ICs}
1323 \end{figure}
1324
1325
1326
1327
1328 \begin{figure}[t]
1329 \begin{center}
1330   \subfigure[ICs on the interval
1331 $(510;514)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs510a514.pdf}}\quad
1332   \subfigure[ICs on the interval
1333 $(1000;1008)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs1000a1008.pdf}}
1334 \end{center}
1335 \caption{ICs on small intervals.}
1336 \label{fig:ICs2}
1337 \end{figure}
1338
1339 \begin{figure}[t]
1340 \begin{center}
1341   \subfigure[ICs on the interval
1342 $(0;16)$.]{\includegraphics[scale=.3]{ICs0a16.pdf}}\quad
1343   \subfigure[ICs on the interval 
1344 $(40;70)$.]{\includegraphics[scale=.45]{ICs40a70.pdf}}\quad
1345 \end{center}
1346 \caption{General aspect of the chaotic iterations.}
1347 \label{fig:ICs3}
1348 \end{figure}
1349
1350
1351 We have written a Python program to represent the chaotic iterations with the
1352 vectorial negation on the real line $\mathds{R}$. Various representations of
1353 these CIs are given in Figures \ref{fig:ICs}, \ref{fig:ICs2} and \ref{fig:ICs3}.
1354 It can be remarked that the function $g$ is a piecewise linear function: it is
1355 linear on each interval having the form $\left[ \dfrac{n}{10},
1356 \dfrac{n+1}{10}\right[$, $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$ and its
1357 slope is equal to 10. Let us justify these claims:
1358
1359 \begin{proposition}
1360 \label{Prop:derivabilite des ICs}
1361 Chaotic iterations $g$ defined on $\mathds{R}$ have derivatives of all orders on
1362 $\big[ 0, 2^{10} \big[$, except on the 10241 points in $I$ defined by $\left\{
1363 \dfrac{n}{10} ~\big/~ n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10\rrbracket \right\}$.
1364
1365 Furthermore, on each interval of the form $\left[ \dfrac{n}{10},
1366 \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$,
1367 $g$ is a linear function, having a slope equal to 10: $\forall x \notin I,
1368 g'(x)=10$.
1369 \end{proposition}
1370
1371
1372 \begin{proof}
1373 Let $I_n = \left[ \dfrac{n}{10}, \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket
1374 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$. All the points of $I_n$ have the same integral
1375 prat $e$ and the same decimal part $s^0$: on the set $I_n$,  functions $e(x)$
1376 and $x \mapsto s(x)^0$ of Definition \ref{def:e et s} only depend on $n$. So all
1377 the images $g(x)$ of these points $x$:
1378 \begin{itemize}
1379 \item Have the same integral part, which is $e$, except probably the bit number
1380 $s^0$. In other words, this integer has approximately the same binary
1381 decomposition than $e$, the sole exception being the digit $s^0$ (this number is
1382 then either $e+2^{10-s^0}$ or $e-2^{10-s^0}$, depending on the parity of $s^0$,
1383 \emph{i.e.}, it is equal to $e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}$).
1384 \item A shift to the left has been applied to the decimal part $y$, losing by
1385 doing so the common first digit $s^0$. In other words, $y$ has been mapped into
1386 $10\times y - s^0$.
1387 \end{itemize}
1388 To sum up, the action of $g$ on the points of $I$ is as follows: first, make a
1389 multiplication by 10, and second, add the same constant to each term, which is
1390 $\dfrac{1}{10}\left(e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}\right)-s^0$.
1391 \end{proof}
1392
1393 \begin{remark}
1394 Finally, chaotic iterations are elements of the large family of functions that
1395 are both chaotic and piecewise linear (like the tent map).
1396 \end{remark}
1397
1398
1399
1400 \subsection{Comparison of the two metrics on $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$}
1401
1402 The two propositions bellow allow to compare our two distances on $\big[ 0,
1403 2^\mathsf{N} \big[$:
1404
1405 \begin{proposition}
1406 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,\Delta~\right) \to \left(~\big[ 0,
1407 2^\mathsf{N} \big[, D~\right)$ is not continuous. 
1408 \end{proposition}
1409
1410 \begin{proof}
1411 The sequence $x^n = 1,999\hdots 999$ constituted by $n$ 9 as decimal part, is
1412 such that:
1413 \begin{itemize}
1414 \item $\Delta (x^n,2) \to 0.$
1415 \item But $D(x^n,2) \geqslant 1$, then $D(x^n,2)$ does not converge to 0.
1416 \end{itemize}
1417
1418 The sequential characterization of the continuity concludes the demonstration.
1419 \end{proof}
1420
1421
1422
1423 A contrario:
1424
1425 \begin{proposition}
1426 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,D~\right) \to \left(~\big[ 0,
1427 2^\mathsf{N} \big[, \Delta ~\right)$ is a continuous fonction. 
1428 \end{proposition}
1429
1430 \begin{proof}
1431 If $D(x^n,x) \to 0$, then $D_e(x^n,x) = 0$ at least for $n$ larger than a given
1432 threshold, because $D_e$ only returns integers. So, after this threshold, the
1433 integral parts of all the $x^n$ are equal to the integral part of $x$. 
1434
1435 Additionally, $D_s(x^n, x) \to 0$, then $\forall k \in \mathds{N}^*, \exists N_k
1436 \in \mathds{N}, n \geqslant N_k \Rightarrow D_s(x^n,x) \leqslant 10^{-k}$. This
1437 means that for all $k$, an index $N_k$ can be found such that, $\forall n
1438 \geqslant N_k$, all the $x^n$ have the same $k$ firsts digits, which are the
1439 digits of $x$. We can deduce the convergence $\Delta(x^n,x) \to 0$, and thus the
1440 result.
1441 \end{proof}
1442
1443 The conclusion of these propositions is that the proposed metric is more precise
1444 than the Euclidian distance, that is:
1445
1446 \begin{corollary}
1447 $D$ is finer than the Euclidian distance $\Delta$.
1448 \end{corollary}
1449
1450 This corollary can be reformulated as follows:
1451
1452 \begin{itemize}
1453 \item The topology produced by $\Delta$ is a subset of the topology produced by
1454 $D$.
1455 \item $D$ has more open sets than $\Delta$.
1456 \item It is harder to converge for the topology $\tau_D$ inherited by $D$, than
1457 to converge with the one inherited by $\Delta$, which is denoted here by
1458 $\tau_\Delta$.
1459 \end{itemize}
1460
1461
1462 \subsection{Chaos of the chaotic iterations on $\mathds{R}$}
1463 \label{chpt:Chaos des itérations chaotiques sur R}
1464
1465
1466
1467 \subsubsection{Chaos according to Devaney}
1468
1469 We have recalled previously that the chaotic iterations $\left(\Go,
1470 \mathcal{X}_d\right)$ are chaotic according to the formulation of Devaney. We
1471 can deduce that they are chaotic on $\mathds{R}$ too, when considering the order
1472 topology, because:
1473 \begin{itemize}
1474 \item $\left(\Go, \mathcal{X}_d\right)$ and $\left(g, \big[ 0, 2^{10}
1475 \big[_D\right)$ are semiconjugate by $\varphi$,
1476 \item Then $\left(g, \big[ 0, 2^{10} \big[_D\right)$ is a system chaotic
1477 according to Devaney, because the semiconjugacy preserve this character.
1478 \item But the topology generated by $D$ is finer than the topology generated by
1479 the Euclidian distance $\Delta$ -- which is the order topology.
1480 \item According to Theorem \ref{Th:chaos et finesse}, we can deduce that the
1481 chaotic iterations $g$ are indeed chaotic, as defined by Devaney, for the order
1482 topology on $\mathds{R}$.
1483 \end{itemize}
1484
1485 This result can be formulated as follows.
1486
1487 \begin{theorem}
1488 \label{th:IC et topologie de l'ordre}
1489 The chaotic iterations $g$ on $\mathds{R}$ are chaotic according to the
1490 Devaney's formulation, when $\mathds{R}$ has his usual topology, which is the
1491 order topology.
1492 \end{theorem}
1493
1494 Indeed this result is weaker than the theorem establishing the chaos for the
1495 finer topology $d$. However the Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre}
1496 still remains important. Indeed, we have studied in our previous works a set
1497 different from the usual set of study ($\mathcal{X}$ instead of $\mathds{R}$),
1498 in order to be as close as possible from the computer: the properties of
1499 disorder proved theoretically will then be preserved when computing. However, we
1500 could wonder whether this change does not lead to a disorder of a lower quality.
1501 In other words, have we replaced a situation of a good disorder lost when
1502 computing, to another situation of a disorder preserved but of bad quality.
1503 Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre} prove exactly the contrary.
1504  
1505
1506
1507
1508
1509
1510
1511
1512 \section{Conclusion}
1513 \bibliographystyle{plain}
1514 \bibliography{mabase}
1515 \end{document}