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

Private GIT Repository
6409fafa865bd29202d42edea0f0b31266fdf8ea
[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 Bumbers based on Chaotic Iterations
38 on GPU}
39 \begin{document}
40
41 \author{Jacques M. Bahi, Rapha\"{e}l Couturier, and Christophe
42 Guyeux\thanks{Authors in alphabetic order}}
43
44 \maketitle
45
46 \begin{abstract}
47
48 \end{abstract}
49
50 \section{Introduction}
51
52 Random  numbers are  used in  many scientific  applications and  simulations. On
53 finite state  machines, like  computers, it is  not possible to  generate random
54 numbers but only pseudo-random numbers. In practice, a good pseudo-random number
55 generator (PRNG) needs  to verify some features to be used  by scientists. It is
56 important  to  be  able  to  generate  pseudo-random  numbers  efficiently,  the
57 generation  needs to  be reproducible  and a  PRNG needs  to satisfy  many usual
58 statistical properties. Finally, from our point a view, it is essential to prove
59 that a  PRNG is chaotic.  Devaney~\cite{Devaney} proposed a  common mathematical
60 formulation of chaotic dynamical systems.
61
62 In a  previous work~\cite{bgw09:ip}  we have proposed  a new familly  of chaotic
63 PRNG  based on  chaotic iterations  (IC).   In this  paper we  propose a  faster
64 version which is also proven to be chaotic with the Devaney formulation.
65
66 Although graphics  processing units (GPU)  was initially designed  to accelerate
67 the manipulation  of image, they are  nowadays commonly used  in many scientific
68 applications. Therefore,  it is important  to be able to  generate pseudo-random
69 numbers in  a GPU when a  scientific application runs in  a GPU. That  is why we
70 also provie an efficient PRNG for GPU respecting based on IC.
71
72
73
74
75 Interet des itérations chaotiques pour générer des nombre alea\\
76 Interet de générer des nombres alea sur GPU
77
78
79 \section{Related works}
80
81 In this section we review some GPU based PRNGs.
82 \alert{RC, un petit state-of-the-art sur les PRNGs sur GPU ?}
83
84 \section{Basic Recalls}
85 \label{section:BASIC RECALLS}
86 This section is devoted to basic definitions and terminologies in the fields of
87 topological chaos and chaotic iterations.
88 \subsection{Devaney's Chaotic Dynamical Systems}
89
90 In the sequel $S^{n}$ denotes the $n^{th}$ term of a sequence $S$ and $V_{i}$
91 denotes the $i^{th}$ component of a vector $V$. $f^{k}=f\circ ...\circ f$
92 is for the $k^{th}$ composition of a function $f$. Finally, the following
93 notation is used: $\llbracket1;N\rrbracket=\{1,2,\hdots,N\}$.
94
95
96 Consider a topological space $(\mathcal{X},\tau)$ and a continuous function $f :
97 \mathcal{X} \rightarrow \mathcal{X}$.
98
99 \begin{definition}
100 $f$ is said to be \emph{topologically transitive} if, for any pair of open sets
101 $U,V \subset \mathcal{X}$, there exists $k>0$ such that $f^k(U) \cap V \neq
102 \varnothing$.
103 \end{definition}
104
105 \begin{definition}
106 An element $x$ is a \emph{periodic point} for $f$ of period $n\in \mathds{N}^*$
107 if $f^{n}(x)=x$.% The set of periodic points of $f$ is denoted $Per(f).$
108 \end{definition}
109
110 \begin{definition}
111 $f$ is said to be \emph{regular} on $(\mathcal{X}, \tau)$ if the set of periodic
112 points for $f$ is dense in $\mathcal{X}$: for any point $x$ in $\mathcal{X}$,
113 any neighborhood of $x$ contains at least one periodic point (without
114 necessarily the same period).
115 \end{definition}
116
117
118 \begin{definition}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
119 $f$ is said to be \emph{chaotic} on $(\mathcal{X},\tau)$ if $f$ is regular and
120 topologically transitive.
121 \end{definition}
122
123 The chaos property is strongly linked to the notion of ``sensitivity'', defined
124 on a metric space $(\mathcal{X},d)$ by:
125
126 \begin{definition}
127 \label{sensitivity} $f$ has \emph{sensitive dependence on initial conditions}
128 if there exists $\delta >0$ such that, for any $x\in \mathcal{X}$ and any
129 neighborhood $V$ of $x$, there exist $y\in V$ and $n > 0$ such that
130 $d\left(f^{n}(x), f^{n}(y)\right) >\delta $.
131
132 $\delta$ is called the \emph{constant of sensitivity} of $f$.
133 \end{definition}
134
135 Indeed, Banks \emph{et al.} have proven in~\cite{Banks92} that when $f$ is
136 chaotic and $(\mathcal{X}, d)$ is a metric space, then $f$ has the property of
137 sensitive dependence on initial conditions (this property was formerly an
138 element of the definition of chaos). To sum up, quoting Devaney
139 in~\cite{Devaney}, a chaotic dynamical system ``is unpredictable because of the
140 sensitive dependence on initial conditions. It cannot be broken down or
141 simplified into two subsystems which do not interact because of topological
142 transitivity. And in the midst of this random behavior, we nevertheless have an
143 element of regularity''. Fundamentally different behaviors are consequently
144 possible and occur in an unpredictable way.
145
146
147
148 \subsection{Chaotic Iterations}
149 \label{sec:chaotic iterations}
150
151
152 Let us consider  a \emph{system} with a finite  number $\mathsf{N} \in
153 \mathds{N}^*$ of elements  (or \emph{cells}), so that each  cell has a
154 Boolean  \emph{state}. Having $\mathsf{N}$ Boolean values for these
155  cells  leads to the definition of a particular \emph{state  of the
156 system}. A sequence which  elements belong to $\llbracket 1;\mathsf{N}
157 \rrbracket $ is called a \emph{strategy}. The set of all strategies is
158 denoted by $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
159
160 \begin{definition}
161 \label{Def:chaotic iterations}
162 The      set       $\mathds{B}$      denoting      $\{0,1\}$,      let
163 $f:\mathds{B}^{\mathsf{N}}\longrightarrow  \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ be
164 a  function  and  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  be  a  ``strategy''.  The  so-called
165 \emph{chaotic      iterations}     are     defined      by     $x^0\in
166 \mathds{B}^{\mathsf{N}}$ and
167 \begin{equation}
168 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
169 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
170 \begin{array}{ll}
171   x_i^{n-1} &  \text{ if  }S^n\neq i \\
172   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }S^n=i.
173 \end{array}\right.
174 \end{equation}
175 \end{definition}
176
177 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the $S^{n}-$th cell is
178 \textquotedblleft  iterated\textquotedblright .  Note  that in  a more
179 general  formulation,  $S^n$  can   be  a  subset  of  components  and
180 $\left(f(x^{n-1})\right)_{S^{n}}$      can     be      replaced     by
181 $\left(f(x^{k})\right)_{S^{n}}$, where  $k<n$, describing for example,
182 delays  transmission~\cite{Robert1986,guyeux10}.  Finally,  let us  remark that
183 the term  ``chaotic'', in  the name of  these iterations,  has \emph{a
184 priori} no link with the mathematical theory of chaos, presented above.
185
186
187 Let us now recall how to define a suitable metric space where chaotic iterations
188 are continuous. For further explanations, see, e.g., \cite{guyeux10}.
189
190 Let $\delta $ be the \emph{discrete Boolean metric}, $\delta
191 (x,y)=0\Leftrightarrow x=y.$ Given a function $f$, define the function:
192 \begin{equation}
193 \begin{array}{lrll}
194 F_{f}: & \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket\times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
195 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
196 & (k,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\delta (k,j)+f(E)_{k}.\overline{\delta
197 (k,j)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
198 \end{array}%
199 \end{equation}%
200 \noindent where + and . are the Boolean addition and product operations.
201 Consider the phase space:
202 \begin{equation}
203 \mathcal{X} = \llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N} \times
204 \mathds{B}^\mathsf{N},
205 \end{equation}
206 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
207 \begin{equation}
208 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
209 \end{equation}
210 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
211 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
212 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
213 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
214 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
215 Definition \ref{Def:chaotic iterations} can be described by the following iterations:
216 \begin{equation}
217 \left\{
218 \begin{array}{l}
219 X^0 \in \mathcal{X} \\
220 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
221 \end{array}%
222 \right.
223 \end{equation}%
224
225 With this formulation, a shift function appears as a component of chaotic
226 iterations. The shift function is a famous example of a chaotic
227 map~\cite{Devaney} but its presence is not sufficient enough to claim $G_f$ as
228 chaotic. 
229 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
230 (\check{S},\check{E})\in
231 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
232 \begin{equation}
233 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
234 \end{equation}
235 \noindent where
236 \begin{equation}
237 \left\{
238 \begin{array}{lll}
239 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
240 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
241 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
242 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
243 \end{array}%
244 \right.
245 \end{equation}
246
247
248 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
249 \begin{itemize}
250 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
251 their distance should increase too.
252 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
253 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
254 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
255 while. Indeed, the two dynamical systems start with the same initial condition,
256 use the same update function, and as strategies are the same for a while, then
257 components that are updated are the same too.
258 \end{itemize}
259 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
260 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
261 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
262 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
263 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
264 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
265 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
266 The impact of this choice for a distance will be investigate at the end of the document.
267
268 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
269
270 \begin{proposition}
271 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. Then $G_{f}$ is continuous in
272 the metric space $(\mathcal{X},d)$.
273 \end{proposition}
274
275 The chaotic property of $G_f$ has been firstly established for the vectorial
276 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
277 introduced the notion of asynchronous iteration graph recalled bellow.
278
279 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ to itself. The
280 {\emph{asynchronous iteration graph}} associated with $f$ is the
281 directed graph $\Gamma(f)$ defined by: the set of vertices is
282 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
283 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
284 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
285 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
286 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
287 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
288 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
289
290 We have finally proven in \cite{bcgr11:ip} that,
291
292
293 \begin{theorem}
294 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
295 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
296 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
297 \end{theorem}
298
299 This result of chaos has lead us to study the possibility to build a
300 pseudo-random number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
301 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
302 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is build from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
303 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
304 during implementations (due to the discrete nature of $f$). It is as if
305 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
306 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance).
307
308 \section{Application to Pseudo-Randomness}
309
310 \subsection{A First Pseudo-Random Number Generator}
311
312 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
313 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
314 leading thus to a new PRNG that improves the statistical properties of each
315 generator taken alone. Furthermore, our generator 
316 possesses various chaos properties that none of the generators used as input
317 present.
318
319 \begin{algorithm}[h!]
320 %\begin{scriptsize}
321 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
322 ($n$ bits)}
323 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
324 $x\leftarrow x^0$\;
325 $k\leftarrow b + \textit{XORshift}(b)$\;
326 \For{$i=0,\dots,k$}
327 {
328 $s\leftarrow{\textit{XORshift}(n)}$\;
329 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
330 }
331 return $x$\;
332 %\end{scriptsize}
333 \caption{PRNG with chaotic functions}
334 \label{CI Algorithm}
335 \end{algorithm}
336
337 \begin{algorithm}[h!]
338 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
339 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
340 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
341 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
342 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
343 $y\leftarrow{z}$\;
344 return $y$\;
345 \medskip
346 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
347 \label{XORshift}
348 \end{algorithm}
349
350
351
352
353
354 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
355 It takes as input: a function $f$;
356 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations is at least $b$
357 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
358 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
359 \textit{XORshift}$(k)$ PRNGs \cite{Marsaglia2003} that returns integers
360 uniformly distributed
361 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
362 \textit{XORshift} is a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia,
363 which repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
364 with a bit shifted version of it. This PRNG, which has a period of
365 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. It is used
366 in our PRNG to compute the strategy length and the strategy elements.
367
368
369 We have proven in \cite{bcgr11:ip} that,
370 \begin{theorem}
371   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
372   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
373   matrix and $M$ a $n\times n$ matrix defined as in the previous lemma.
374   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
375   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
376   a law that tends to the uniform distribution 
377   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
378 \end{theorem} 
379
380 This former generator as successively passed various batteries of statistical tests, as the NIST tests~\cite{bcgr11:ip}.
381
382 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
383
384 Instead of updating only one cell at each iteration, we can try to choose a
385 subset of components and to update them together. Such an attempt leads
386 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithm 
387 \ref{CI Algorithm}. When the updating function is the vectorial negation,
388 this algorithm can be rewritten as follows:
389
390 \begin{equation}
391 \left\{
392 \begin{array}{l}
393 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
394 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
395 \end{array}
396 \right.
397 \label{equation Oplus}
398 \end{equation}
399 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
400 This rewritten can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
401 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
402 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
403 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
404 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
405 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
406
407 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus} is of 
408 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
409 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
410
411 \begin{equation}
412 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
413 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
414 \begin{array}{ll}
415   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
416   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
417 \end{array}\right.
418 \label{eq:generalIC}
419 \end{equation}
420 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
421 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
422 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
423 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
424 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} for 
425 the fact that, instead of updating only one term at each iteration,
426 we select a subset of components to change.
427
428
429 Obviously, replacing Algorithm~\ref{CI Algorithm} by 
430 Equation~\ref{equation Oplus}, possible when the iteration function is
431 the vectorial negation, leads to a speed improvement. However, proofs
432 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
433 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
434 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
435 use of more general chaotic iterations to generate pseudo-random numbers 
436 faster, does not deflate their topological chaos properties.
437
438 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
439 \label{deuxième def}
440 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
441 the general form:
442
443 \begin{equation}
444 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
445 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
446 \begin{array}{ll}
447   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
448   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
449 \end{array}\right.
450 \label{general CIs}
451 \end{equation}
452
453 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
454 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
455
456 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
457 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
458 is required in order to study the topological behavior of the system.
459
460 Let us introduce the following function:
461 \begin{equation}
462 \begin{array}{cccc}
463  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
464          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
465 \end{array} 
466 \end{equation}
467 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
468
469 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
470 \begin{equation}
471 \begin{array}{lrll}
472 F_{f}: & \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
473 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
474 & (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi
475 (j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
476 \end{array}%
477 \end{equation}%
478 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
479 is the negation of the Boolean $x$.
480 Consider the phase space:
481 \begin{equation}
482 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
483 \mathds{B}^\mathsf{N},
484 \end{equation}
485 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
486 \begin{equation}
487 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
488 \end{equation}
489 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
490 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
491 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
492 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
493 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
494 be described by the following discrete dynamical system:
495 \begin{equation}
496 \left\{
497 \begin{array}{l}
498 X^0 \in \mathcal{X} \\
499 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
500 \end{array}%
501 \right.
502 \end{equation}%
503
504 Another time, a shift function appears as a component of these general chaotic 
505 iterations. 
506
507 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
508 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
509 Let us introduce:
510 \begin{equation}
511 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
512 \label{nouveau d}
513 \end{equation}
514 \noindent where
515 \begin{equation}
516 \left\{
517 \begin{array}{lll}
518 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
519 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}\textrm{ is another time the Hamming distance}, \\
520 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
521 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
522 \end{array}%
523 \right.
524 \end{equation}
525 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
526 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
527
528
529 \begin{proposition}
530 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
531 \end{proposition}
532
533 \begin{proof}
534  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
535 too, thus $d$ will be a distance as sum of two distances.
536  \begin{itemize}
537 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
538 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
539 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
540  \item $d_s$ is symmetric 
541 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
542 of the symmetric difference. 
543 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
544 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
545 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
546 inequality is obtained.
547  \end{itemize}
548 \end{proof}
549
550
551 Before being able to study the topological behavior of the general 
552 chaotic iterations, we must firstly establish that:
553
554 \begin{proposition}
555  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
556 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
557 \end{proposition}
558
559
560 \begin{proof}
561 We use the sequential continuity.
562 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
563 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
564 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
565 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
566 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
567 sequences).\newline
568 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
569 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
570 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
571 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
572 cell will change its state:
573 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
574
575 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
576 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
577 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
578 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
579
580 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
581 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
582 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
583 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
584 \noindent We now prove that the distance between $\left(
585 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
586 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
587 \begin{itemize}
588 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that distance
589 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
590 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
591 \medskip
592 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
593 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
594 \begin{equation*}
595 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
596 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
597 \end{equation*}%
598 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
599 \end{itemize}
600 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
601 G_{f}(S^n,E^n)$ 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
602 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
603 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.\bigskip \newline
604 In conclusion,
605 $$
606 \forall \varepsilon >0,\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}%
607 ,\forall n\geqslant N_{0},
608  d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
609 \leqslant \varepsilon .
610 $$
611 $G_{f}$ is consequently continuous.
612 \end{proof}
613
614
615 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
616 iterations. We will prove that,
617
618 \begin{theorem}
619 \label{t:chaos des general}
620  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
621 the Devaney's property of chaos.
622 \end{theorem}
623
624 Let us firstly prove the following lemma.
625
626 \begin{lemma}[Strong transitivity]
627 \label{strongTrans}
628  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
629 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
630 \end{lemma}
631
632 \begin{proof}
633  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
634 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
635 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
636 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
637 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
638 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
639 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
640 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
641 \begin{itemize}
642  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
643  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
644 \end{itemize}
645 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
646 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
647 claimed in the lemma.
648 \end{proof}
649
650 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}...
651
652 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
653 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
654
655 Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
656 prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
657 there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
658 $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
659 $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
660
661 Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
662 configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
663 $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
664 and $t_2\in\mathds{N}$ such
665 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
666
667 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
668 of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: $$\tilde
669 S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
670 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
671 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
672 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
673 have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
674 \end{proof}
675
676
677
678 \section{Efficient PRNG based on Chaotic Iterations}
679
680 In  order to  implement efficiently  a PRNG  based on  chaotic iterations  it is
681 possible to improve  previous works [ref]. One solution  consists in considering
682 that the  strategy used contains all the  bits for which the  negation is
683 achieved out. Then in order to apply  the negation on these bits we can simply
684 apply the  xor operator between  the current number  and the strategy. In
685 order to obtain the strategy we also use a classical PRNG.
686
687 Here  is an  example with  16-bits numbers  showing how  the bitwise  operations
688 are
689 applied.  Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are defined  in binary mode.
690 Then the following table shows the result of $x$ xor $S^i$.
691 $$
692 \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
693 \hline
694 x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
695 \hline
696 S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
697 \hline
698 x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
699 \hline
700
701 \hline
702  \end{array}
703 $$
704
705 %% \begin{figure}[htbp]
706 %% \begin{center}
707 %% \fbox{
708 %% \begin{minipage}{14cm}
709 %% unsigned int CIprng() \{\\
710 %%   static unsigned int x = 123123123;\\
711 %%   unsigned long t1 = xorshift();\\
712 %%   unsigned long t2 = xor128();\\
713 %%   unsigned long t3 = xorwow();\\
714 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t1;\\
715 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t2$>>$32);\\
716 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t3$>>$32);\\
717 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t2;\\
718 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t1$>>$32);\\
719 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t3;\\
720 %%   return x;\\
721 %% \}
722 %% \end{minipage}
723 %% }
724 %% \end{center}
725 %% \caption{sequential Chaotic Iteration PRNG}
726 %% \label{algo:seqCIprng}
727 %% \end{figure}
728
729
730
731 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential chaotic iterations based
732 PRNG},label=algo:seqCIprng}
733 \begin{lstlisting}
734 unsigned int CIprng() {
735   static unsigned int x = 123123123;
736   unsigned long t1 = xorshift();
737   unsigned long t2 = xor128();
738   unsigned long t3 = xorwow();
739   x = x^(unsigned int)t1;
740   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
741   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
742   x = x^(unsigned int)t2;
743   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
744   x = x^(unsigned int)t3;
745   return x;
746 }
747 \end{lstlisting}
748
749
750
751
752
753 In listing~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential version of  our chaotic iterations
754 based   PRNG    is   presented.   The    xor   operator   is    represented   by
755 \textasciicircum.  This   function  uses  three  classical   64-bits  PRNG:  the
756 \texttt{xorshift},  the   \texttt{xor128}  and  the   \texttt{xorwow}.   In  the
757 following,  we call  them  xor-like  PRNGSs.  These  three  PRNGs are  presented
758 in~\cite{Marsaglia2003}.  As each  xor-like PRNG used works with  64-bits and as
759 our PRNG works  with 32-bits, the use of \texttt{(unsigned  int)} selects the 32
760 least significant bits whereas  \texttt{(unsigned int)(t3$>>$32)} selects the 32
761 most  significants bits  of the  variable \texttt{t}.   So to  produce  a random
762 number realizes  6 xor operations with  6 32-bits numbers produced  by 3 64-bits
763 PRNG.  This version successes the  BigCrush of the TestU01 battery [P.  L’ecuyer
764   and R. Simard. Testu01].
765
766 \section{Efficient prng based on chaotic iterations on GPU}
767
768 In  order to benefit  from computing  power of  GPU, a  program needs  to define
769 independent blocks of threads which  can be computed simultaneously. In general,
770 the larger the number of threads is,  the more local memory is used and the less
771 branching  instructions are  used (if,  while, ...),  the better  performance is
772 obtained  on  GPU.  So  with  algorithm  \ref{algo:seqCIprng}  presented in  the
773 previous section, it is possible to  build a similar program which computes PRNG
774 on  GPU. In  the CUDA  [ref] environment,  threads have  a  local identificator,
775 called \texttt{ThreadIdx} relative to the block containing them.
776
777
778 \subsection{Naive version for GPU}
779
780 From the CPU version, it is possible  to obtain a quite similar version for GPU.
781 The principe consists in assigning the computation of a PRNG as in sequential to
782 each thread  of the  GPU.  Of course,  it is  essential that the  three xor-like
783 PRNGs  used for  our computation  have different  parameters. So  we  chose them
784 randomly with  another PRNG. As the  initialisation is performed by  the CPU, we
785 have chosen to use the ISAAC PRNG  [ref] to initalize all the parameters for the
786 GPU version  of our  PRNG.  The  implementation of the  three xor-like  PRNGs is
787 straightforward  as soon  as their  parameters have  been allocated  in  the GPU
788 memory. Each xor-like  PRNGs used works with an internal  number $x$ which keeps
789 the last generated random numbers. Other internal variables are also used by the
790 xor-like PRNGs. More  precisely, the implementation of the  xor128, the xorshift
791 and  the xorwow  respectively  require 4,  5  and 6  unsigned  long as  internal
792 variables.
793
794 \begin{algorithm}
795
796 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
797 PRNGs in global memory\;
798 NumThreads: Number of threads\;}
799 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
800 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
801   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
802   \For{i=1 to n} {
803     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIprng}\;
804     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
805   }
806   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
807 }
808
809 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU naive version}
810 \label{algo:gpu_kernel}
811 \end{algorithm}
812
813 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of  PRNG using
814 GPU.  According  to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
815 used simultenaously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
816 inside   a    kernel   is   limited,   i.e.    the    variable   \texttt{n}   in
817 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}. For example, if  $100,000$ threads are used and
818 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)}
819 then   the  memory   required   to  store   internals   variables  of   xor-like
820 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
821 and  random  number of  our  PRNG  is  equals to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
822 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, i.e. about $52$Mb.
823
824 All the  tests performed  to pass the  BigCrush of TestU01  succeeded. Different
825 number of threads, called \texttt{NumThreads} in our algorithm, have been tested
826 upto $10$ millions.
827
828 \begin{remark}
829 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  has  the  advantage to  manipulate  independent
830 PRNGs, so this version is easily usable on a cluster of computer. The only thing
831 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. For this, a simple solution consists in
832 using a master node for the initialization which computes the initial parameters
833 for all the differents nodes involves in the computation.
834 \end{remark}
835
836 \subsection{Improved version for GPU}
837
838 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
839 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
840 i.e., using less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
841 one xor-like PRNG by thread, saving  it into shared memory and using the results
842 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
843 thread uses the result of which other  one, we can use a permutation array which
844 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a  permutation has  been
845 performed.  In Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}, 2 permutations arrays are used.
846 The    variable   \texttt{offset}    is    computed   using    the   value    of
847 \texttt{permutation\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
848 which represent the indexes of the  other threads for which the results are used
849 by the  current thread. In  the algorithm, we  consider that a  64-bits xor-like
850 PRNG is used, that is why both 32-bits parts are used.
851
852 This version also succeed to the BigCrush batteries of tests.
853
854 \begin{algorithm}
855
856 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
857 in global memory\;
858 NumThreads: Number of threads\;
859 tab1, tab2: Arrays containing permutations of size permutation\_size\;}
860
861 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
862 \If{threadId is concerned} {
863   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables\;
864   offset = threadIdx\%permutation\_size\;
865   o1 = threadIdx-offset+tab1[offset]\;
866   o2 = threadIdx-offset+tab2[offset]\;
867   \For{i=1 to n} {
868     t=xor-like()\;
869     shared\_mem[threadId]=(unsigned int)t\;
870     x = x $\oplus$ (unsigned int) t\;
871     x = x $\oplus$ (unsigned int) (t>>32)\;
872     x = x $\oplus$ shared[o1]\;
873     x = x $\oplus$ shared[o2]\;
874
875     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
876   }
877   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
878 }
879
880 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
881 version}
882 \label{algo:gpu_kernel2}
883 \end{algorithm}
884
885 \subsection{Theoretical Evaluation of the Improved Version}
886
887 A run of Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} consists in four operations having 
888 the form of Equation~\ref{equation Oplus}, which is equivalent to the iterative
889 system of Eq.~\ref{eq:generalIC}. That is, four iterations of the general chaotic
890 iterations are realized between two stored values of the PRNG.
891 To be certain that we are in the framework of Theorem~\ref{t:chaos des general},
892 we must guarantee that this dynamical system iterates on the space 
893 $\mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\times\mathds{B}^\mathsf{N}$.
894 The left term $x$ obviously belongs into $\mathds{B}^ \mathsf{N}$.
895 To prevent from any flaws of chaotic properties, we must check that each right 
896 term, corresponding to terms of the strategies,  can possibly be equal to any
897 integer of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$. 
898
899 Such a result is obvious for the two first lines, as for the xor-like(), all the
900 integers belonging into its interval of definition can occur at each iteration.
901 It can be easily stated for the two last lines by an immediate mathematical
902 induction.
903
904 Thus Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2} is a concrete realization of the general
905 chaotic iterations presented previously, and for this reason, it satisfies the 
906 Devaney's formulation of a chaotic behavior.
907
908 \section{Experiments}
909
910 Different experiments have been performed in order to measure the generation
911 speed.
912 \begin{figure}[t]
913 \begin{center}
914   \includegraphics[scale=.7]{curve_time_gpu.pdf}
915 \end{center}
916 \caption{Number of random numbers generated per second}
917 \label{fig:time_naive_gpu}
918 \end{figure}
919
920
921 First of all we have compared the time to generate X random numbers with both
922 the CPU version and the GPU version. 
923
924 Faire une courbe du nombre de random en fonction du nombre de threads,
925 éventuellement en fonction du nombres de threads par bloc.
926
927
928
929 \section{The relativity of disorder}
930 \label{sec:de la relativité du désordre}
931
932 In the next two sections, we investigate the impact of the choices that have
933 lead to the definitions of measures in Sections \ref{sec:chaotic iterations} and \ref{deuxième def}.
934
935 \subsection{Impact of the topology's finenesse}
936
937 Let us firstly introduce the following notations.
938
939 \begin{notation}
940 $\mathcal{X}_\tau$ will denote the topological space
941 $\left(\mathcal{X},\tau\right)$, whereas $\mathcal{V}_\tau (x)$ will be the set
942 of all the neighborhoods of $x$ when considering the topology $\tau$ (or simply
943 $\mathcal{V} (x)$, if there is no ambiguity).
944 \end{notation}
945
946
947
948 \begin{theorem}
949 \label{Th:chaos et finesse}
950 Let $\mathcal{X}$ a set and $\tau, \tau'$ two topologies on $\mathcal{X}$ s.t.
951 $\tau'$ is finer than $\tau$. Let $f:\mathcal{X} \to \mathcal{X}$, continuous
952 both for $\tau$ and $\tau'$.
953
954 If $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is chaotic according to Devaney, then
955 $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is chaotic too.
956 \end{theorem}
957
958 \begin{proof}
959 Let us firstly establish the transitivity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$.
960
961 Let $\omega_1, \omega_2$ two open sets of $\tau$. Then $\omega_1, \omega_2 \in
962 \tau'$, becaus $\tau'$ is finer than $\tau$. As $f$ is $\tau'-$transitive, we
963 can deduce that $\exists n \in \mathds{N}, \omega_1 \cap f^{(n)}(\omega_2) =
964 \varnothing$. Consequently, $f$ is $\tau-$transitive.
965
966 Let us now consider the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$, \emph{i.e.}, for
967 all $x \in \mathcal{X}$, and for all $\tau-$neighborhood $V$ of $x$, there is a
968 periodic point for $f$ into $V$.
969
970 Let $x \in \mathcal{X}$ and $V \in \mathcal{V}_\tau (x)$ a $\tau-$neighborhood
971 of $x$. By definition, $\exists \omega \in \tau, x \in \omega \subset V$.
972
973 But $\tau \subset \tau'$, so $\omega \in \tau'$, and then $V \in
974 \mathcal{V}_{\tau'} (x)$. As $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is regular, there is a
975 periodic point for $f$ into $V$, and the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is
976 proven. 
977 \end{proof}
978
979 \subsection{A given system can always be claimed as chaotic}
980
981 Let $f$ an iteration function on $\mathcal{X}$ having at least a fixed point.
982 Then this function is chaotic (in a certain way):
983
984 \begin{theorem}
985 Let $\mathcal{X}$ a nonempty set and $f: \mathcal{X} \to \X$ a function having
986 at least a fixed point.
987 Then $f$ is $\tau_0-$chaotic, where $\tau_0$ is the trivial (indiscrete)
988 topology on $\X$.
989 \end{theorem}
990
991
992 \begin{proof}
993 $f$ is transitive when $\forall \omega, \omega' \in \tau_0 \setminus
994 \{\varnothing\}, \exists n \in \mathds{N}, f^{(n)}(\omega) \cap \omega' \neq
995 \varnothing$.
996 As $\tau_0 = \left\{ \varnothing, \X \right\}$, this is equivalent to look for
997 an integer $n$ s.t. $f^{(n)}\left( \X \right) \cap \X \neq \varnothing$. For
998 instance, $n=0$ is appropriate.
999
1000 Let us now consider $x \in \X$ and $V \in \mathcal{V}_{\tau_0} (x)$. Then $V =
1001 \mathcal{X}$, so $V$ has at least a fixed point for $f$. Consequently $f$ is
1002 regular, and the result is established.
1003 \end{proof}
1004
1005
1006
1007
1008 \subsection{A given system can always be claimed as non-chaotic}
1009
1010 \begin{theorem}
1011 Let $\mathcal{X}$ be a set and $f: \mathcal{X} \to \X$.
1012 If $\X$ is infinite, then $\left( \X_{\tau_\infty}, f\right)$ is not chaotic
1013 (for the Devaney's formulation), where $\tau_\infty$ is the discrete topology.
1014 \end{theorem}
1015
1016 \begin{proof}
1017 Let us prove it by contradiction, assuming that $\left(\X_{\tau_\infty},
1018 f\right)$ is both transitive and regular.
1019
1020 Let $x \in \X$ and $\{x\}$ one of its neighborhood. This neighborhood must
1021 contain a periodic point for $f$, if we want that $\left(\X_{\tau_\infty},
1022 f\right)$ is regular. Then $x$ must be a periodic point of $f$.
1023
1024 Let $I_x = \left\{ f^{(n)}(x), n \in \mathds{N}\right\}$. This set is finite
1025 because  $x$ is periodic, and $\mathcal{X}$ is infinite, then $\exists y \in
1026 \mathcal{X}, y \notin I_x$.
1027
1028 As $\left(\X_{\tau_\infty}, f\right)$ must be transitive, for all open nonempty
1029 sets $A$ and $B$, an integer $n$ must satisfy $f^{(n)}(A) \cap B \neq
1030 \varnothing$. However $\{x\}$ and $\{y\}$ are open sets and $y \notin I_x
1031 \Rightarrow \forall n, f^{(n)}\left( \{x\} \right) \cap \{y\} = \varnothing$.
1032 \end{proof}
1033
1034
1035
1036
1037
1038
1039 \section{Chaos on the order topology}
1040
1041 \subsection{The phase space is an interval of the real line}
1042
1043 \subsubsection{Toward a topological semiconjugacy}
1044
1045 In what follows, our intention is to establish, by using a topological
1046 semiconjugacy, that chaotic iterations over $\mathcal{X}$ can be described as
1047 iterations on a real interval. To do so, we must firstly introduce some
1048 notations and terminologies. 
1049
1050 Let $\mathcal{S}_\mathsf{N}$ be the set of sequences belonging into $\llbracket
1051 1; \mathsf{N}\rrbracket$ and $\mathcal{X}_{\mathsf{N}} = \mathcal{S}_\mathsf{N}
1052 \times \B^\mathsf{N}$.
1053
1054
1055 \begin{definition}
1056 The function $\varphi: \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10} \rightarrow \big[
1057 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
1058 \begin{equation}
1059  \begin{array}{cccl}
1060 \varphi: & \mathcal{X}_{10} = \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}&
1061 \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
1062  & (S,E) = \left((S^0, S^1, \hdots ); (E_0, \hdots, E_9)\right) & \longmapsto &
1063 \varphi \left((S,E)\right)
1064 \end{array}
1065 \end{equation}
1066 where $\varphi\left((S,E)\right)$ is the real number:
1067 \begin{itemize}
1068 \item whose integral part $e$ is $\displaystyle{\sum_{k=0}^9 2^{9-k} E_k}$, that
1069 is, the binary digits of $e$ are $E_0 ~ E_1 ~ \hdots ~ E_9$.
1070 \item whose decimal part $s$ is equal to $s = 0,S^0~ S^1~ S^2~ \hdots =
1071 \sum_{k=1}^{+\infty} 10^{-k} S^{k-1}.$ 
1072 \end{itemize}
1073 \end{definition}
1074
1075
1076
1077 $\varphi$ realizes the association between a point of $\mathcal{X}_{10}$ and a
1078 real number into $\big[ 0, 2^{10} \big[$. We must now translate the chaotic
1079 iterations $\Go$ on this real interval. To do so, two intermediate functions
1080 over $\big[ 0, 2^{10} \big[$ must be introduced:
1081
1082
1083 \begin{definition}
1084 \label{def:e et s}
1085 Let $x \in \big[ 0, 2^{10} \big[$ and:
1086 \begin{itemize}
1087 \item $e_0, \hdots, e_9$ the binary digits of the integral part of $x$:
1088 $\displaystyle{\lfloor x \rfloor = \sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k}$.
1089 \item $(s^k)_{k\in \mathds{N}}$ the digits of $x$, where the chosen decimal
1090 decomposition of $x$ is the one that does not have an infinite number of 9: 
1091 $\displaystyle{x = \lfloor x \rfloor + \sum_{k=0}^{+\infty} s^k 10^{-k-1}}$.
1092 \end{itemize}
1093 $e$ and $s$ are thus defined as follows:
1094 \begin{equation}
1095 \begin{array}{cccl}
1096 e: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \mathds{B}^{10} \\
1097  & x & \longmapsto & (e_0, \hdots, e_9)
1098 \end{array}
1099 \end{equation}
1100 and
1101 \begin{equation}
1102  \begin{array}{cccc}
1103 s: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \llbracket 0, 9
1104 \rrbracket^{\mathds{N}} \\
1105  & x & \longmapsto & (s^k)_{k \in \mathds{N}}
1106 \end{array}
1107 \end{equation}
1108 \end{definition}
1109
1110 We are now able to define the function $g$, whose goal is to translate the
1111 chaotic iterations $\Go$ on an interval of $\mathds{R}$.
1112
1113 \begin{definition}
1114 $g:\big[ 0, 2^{10} \big[ \longrightarrow \big[ 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
1115 \begin{equation}
1116 \begin{array}{cccc}
1117 g: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
1118  & x & \longmapsto & g(x)
1119 \end{array}
1120 \end{equation}
1121 where g(x) is the real number of $\big[ 0, 2^{10} \big[$ defined bellow:
1122 \begin{itemize}
1123 \item its integral part has a binary decomposition equal to $e_0', \hdots,
1124 e_9'$, with:
1125  \begin{equation}
1126 e_i' = \left\{
1127 \begin{array}{ll}
1128 e(x)_i & \textrm{ if } i \neq s^0\\
1129 e(x)_i + 1 \textrm{ (mod 2)} & \textrm{ if } i = s^0\\
1130 \end{array}
1131 \right.
1132 \end{equation}
1133 \item whose decimal part is $s(x)^1, s(x)^2, \hdots$
1134 \end{itemize}
1135 \end{definition}
1136
1137 \bigskip
1138
1139
1140 In other words, if $x = \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k + 
1141 \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k} ~10^{-k-1}}$, then:
1142 \begin{equation}
1143 g(x) =
1144 \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} (e_k + \delta(k,s^0) \textrm{ (mod 2)}) + 
1145 \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k+1} 10^{-k-1}}. 
1146 \end{equation}
1147
1148
1149 \subsubsection{Defining a metric on $\big[ 0, 2^{10} \big[$}
1150
1151 Numerous metrics can be defined on the set $\big[ 0, 2^{10} \big[$, the most
1152 usual one being the Euclidian distance recalled bellow:
1153
1154 \begin{notation}
1155 \index{distance!euclidienne}
1156 $\Delta$ is the Euclidian distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$, that is,
1157 $\Delta(x,y) = |y-x|^2$.
1158 \end{notation}
1159
1160 \medskip
1161
1162 This Euclidian distance does not reproduce exactly the notion of proximity
1163 induced by our first distance $d$ on $\X$. Indeed $d$ is finer than $\Delta$.
1164 This is the reason why we have to introduce the following metric:
1165
1166
1167
1168 \begin{definition}
1169 Let $x,y \in \big[ 0, 2^{10} \big[$.
1170 $D$ denotes the function from $\big[ 0, 2^{10} \big[^2$ to $\mathds{R}^+$
1171 defined by: $D(x,y) = D_e\left(e(x),e(y)\right) + D_s\left(s(x),s(y)\right)$,
1172 where:
1173 \begin{center}
1174 $\displaystyle{D_e(E,\check{E}) = \sum_{k=0}^\mathsf{9} \delta (E_k,
1175 \check{E}_k)}$, ~~and~ $\displaystyle{D_s(S,\check{S}) = \sum_{k = 1}^\infty
1176 \dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^k}}$.
1177 \end{center}
1178 \end{definition}
1179
1180 \begin{proposition}
1181 $D$ is a distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$.
1182 \end{proposition}
1183
1184 \begin{proof}
1185 The three axioms defining a distance must be checked.
1186 \begin{itemize}
1187 \item $D \geqslant 0$, because everything is positive in its definition. If
1188 $D(x,y)=0$, then $D_e(x,y)=0$, so the integral parts of $x$ and $y$ are equal
1189 (they have the same binary decomposition). Additionally, $D_s(x,y) = 0$, then
1190 $\forall k \in \mathds{N}^*, s(x)^k = s(y)^k$. In other words, $x$ and $y$ have
1191 the same $k-$th decimal digit, $\forall k \in \mathds{N}^*$. And so $x=y$.
1192 \item $D(x,y)=D(y,x)$.
1193 \item Finally, the triangular inequality is obtained due to the fact that both
1194 $\delta$ and $\Delta(x,y)=|x-y|$ satisfy it.
1195 \end{itemize}
1196 \end{proof}
1197
1198
1199 The convergence of sequences according to $D$ is not the same than the usual
1200 convergence related to the Euclidian metric. For instance, if $x^n \to x$
1201 according to $D$, then necessarily the integral part of each $x^n$ is equal to
1202 the integral part of $x$ (at least after a given threshold), and the decimal
1203 part of $x^n$ corresponds to the one of $x$ ``as far as required''.
1204 To illustrate this fact, a comparison between $D$ and the Euclidian distance is
1205 given Figure \ref{fig:comparaison de distances}. These illustrations show that
1206 $D$ is richer and more refined than the Euclidian distance, and thus is more
1207 precise.
1208
1209
1210 \begin{figure}[t]
1211 \begin{center}
1212   \subfigure[Function $x \to dist(x;1,234) $ on the interval
1213 $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien.pdf}}\quad
1214   \subfigure[Function $x \to dist(x;3) $ on the interval
1215 $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien2.pdf}}
1216 \end{center}
1217 \caption{Comparison between $D$ (in blue) and the Euclidian distane (in green).}
1218 \label{fig:comparaison de distances}
1219 \end{figure}
1220
1221
1222
1223
1224 \subsubsection{The semiconjugacy}
1225
1226 It is now possible to define a topological semiconjugacy between $\mathcal{X}$
1227 and an interval of $\mathds{R}$:
1228
1229 \begin{theorem}
1230 Chaotic iterations on the phase space $\mathcal{X}$ are simple iterations on
1231 $\mathds{R}$, which is illustrated by the semiconjugacy of the diagram bellow:
1232 \begin{equation*}
1233 \begin{CD}
1234 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right) @>G_{f_0}>>
1235 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right)\\
1236     @V{\varphi}VV                    @VV{\varphi}V\\
1237 \left( ~\big[ 0, 2^{10} \big[, D~\right)  @>>g> \left(~\big[ 0, 2^{10} \big[,
1238 D~\right)
1239 \end{CD}
1240 \end{equation*}
1241 \end{theorem}
1242
1243 \begin{proof}
1244 $\varphi$ has been constructed in order to be continuous and onto.
1245 \end{proof}
1246
1247 In other words, $\mathcal{X}$ is approximately equal to $\big[ 0, 2^\mathsf{N}
1248 \big[$.
1249
1250
1251
1252
1253
1254
1255 \subsection{Study of the chaotic iterations described as a real function}
1256
1257
1258 \begin{figure}[t]
1259 \begin{center}
1260   \subfigure[ICs on the interval
1261 $(0,9;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs09a1.pdf}}\quad
1262   \subfigure[ICs on the interval
1263 $(0,7;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs07a95.pdf}}\\
1264   \subfigure[ICs on the interval
1265 $(0,5;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs05a1.pdf}}\quad
1266   \subfigure[ICs on the interval
1267 $(0;1)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs0a1.pdf}}
1268 \end{center}
1269 \caption{Representation of the chaotic iterations.}
1270 \label{fig:ICs}
1271 \end{figure}
1272
1273
1274
1275
1276 \begin{figure}[t]
1277 \begin{center}
1278   \subfigure[ICs on the interval
1279 $(510;514)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs510a514.pdf}}\quad
1280   \subfigure[ICs on the interval
1281 $(1000;1008)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs1000a1008.pdf}}
1282 \end{center}
1283 \caption{ICs on small intervals.}
1284 \label{fig:ICs2}
1285 \end{figure}
1286
1287 \begin{figure}[t]
1288 \begin{center}
1289   \subfigure[ICs on the interval
1290 $(0;16)$.]{\includegraphics[scale=.3]{ICs0a16.pdf}}\quad
1291   \subfigure[ICs on the interval 
1292 $(40;70)$.]{\includegraphics[scale=.45]{ICs40a70.pdf}}\quad
1293 \end{center}
1294 \caption{General aspect of the chaotic iterations.}
1295 \label{fig:ICs3}
1296 \end{figure}
1297
1298
1299 We have written a Python program to represent the chaotic iterations with the
1300 vectorial negation on the real line $\mathds{R}$. Various representations of
1301 these CIs are given in Figures \ref{fig:ICs}, \ref{fig:ICs2} and \ref{fig:ICs3}.
1302 It can be remarked that the function $g$ is a piecewise linear function: it is
1303 linear on each interval having the form $\left[ \dfrac{n}{10},
1304 \dfrac{n+1}{10}\right[$, $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$ and its
1305 slope is equal to 10. Let us justify these claims:
1306
1307 \begin{proposition}
1308 \label{Prop:derivabilite des ICs}
1309 Chaotic iterations $g$ defined on $\mathds{R}$ have derivatives of all orders on
1310 $\big[ 0, 2^{10} \big[$, except on the 10241 points in $I$ defined by $\left\{
1311 \dfrac{n}{10} ~\big/~ n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10\rrbracket \right\}$.
1312
1313 Furthermore, on each interval of the form $\left[ \dfrac{n}{10},
1314 \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$,
1315 $g$ is a linear function, having a slope equal to 10: $\forall x \notin I,
1316 g'(x)=10$.
1317 \end{proposition}
1318
1319
1320 \begin{proof}
1321 Let $I_n = \left[ \dfrac{n}{10}, \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket
1322 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$. All the points of $I_n$ have the same integral
1323 prat $e$ and the same decimal part $s^0$: on the set $I_n$,  functions $e(x)$
1324 and $x \mapsto s(x)^0$ of Definition \ref{def:e et s} only depend on $n$. So all
1325 the images $g(x)$ of these points $x$:
1326 \begin{itemize}
1327 \item Have the same integral part, which is $e$, except probably the bit number
1328 $s^0$. In other words, this integer has approximately the same binary
1329 decomposition than $e$, the sole exception being the digit $s^0$ (this number is
1330 then either $e+2^{10-s^0}$ or $e-2^{10-s^0}$, depending on the parity of $s^0$,
1331 \emph{i.e.}, it is equal to $e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}$).
1332 \item A shift to the left has been applied to the decimal part $y$, losing by
1333 doing so the common first digit $s^0$. In other words, $y$ has been mapped into
1334 $10\times y - s^0$.
1335 \end{itemize}
1336 To sum up, the action of $g$ on the points of $I$ is as follows: first, make a
1337 multiplication by 10, and second, add the same constant to each term, which is
1338 $\dfrac{1}{10}\left(e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}\right)-s^0$.
1339 \end{proof}
1340
1341 \begin{remark}
1342 Finally, chaotic iterations are elements of the large family of functions that
1343 are both chaotic and piecewise linear (like the tent map).
1344 \end{remark}
1345
1346
1347
1348 \subsection{Comparison of the two metrics on $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$}
1349
1350 The two propositions bellow allow to compare our two distances on $\big[ 0,
1351 2^\mathsf{N} \big[$:
1352
1353 \begin{proposition}
1354 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,\Delta~\right) \to \left(~\big[ 0,
1355 2^\mathsf{N} \big[, D~\right)$ is not continuous. 
1356 \end{proposition}
1357
1358 \begin{proof}
1359 The sequence $x^n = 1,999\hdots 999$ constituted by $n$ 9 as decimal part, is
1360 such that:
1361 \begin{itemize}
1362 \item $\Delta (x^n,2) \to 0.$
1363 \item But $D(x^n,2) \geqslant 1$, then $D(x^n,2)$ does not converge to 0.
1364 \end{itemize}
1365
1366 The sequential characterization of the continuity concludes the demonstration.
1367 \end{proof}
1368
1369
1370
1371 A contrario:
1372
1373 \begin{proposition}
1374 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,D~\right) \to \left(~\big[ 0,
1375 2^\mathsf{N} \big[, \Delta ~\right)$ is a continuous fonction. 
1376 \end{proposition}
1377
1378 \begin{proof}
1379 If $D(x^n,x) \to 0$, then $D_e(x^n,x) = 0$ at least for $n$ larger than a given
1380 threshold, because $D_e$ only returns integers. So, after this threshold, the
1381 integral parts of all the $x^n$ are equal to the integral part of $x$. 
1382
1383 Additionally, $D_s(x^n, x) \to 0$, then $\forall k \in \mathds{N}^*, \exists N_k
1384 \in \mathds{N}, n \geqslant N_k \Rightarrow D_s(x^n,x) \leqslant 10^{-k}$. This
1385 means that for all $k$, an index $N_k$ can be found such that, $\forall n
1386 \geqslant N_k$, all the $x^n$ have the same $k$ firsts digits, which are the
1387 digits of $x$. We can deduce the convergence $\Delta(x^n,x) \to 0$, and thus the
1388 result.
1389 \end{proof}
1390
1391 The conclusion of these propositions is that the proposed metric is more precise
1392 than the Euclidian distance, that is:
1393
1394 \begin{corollary}
1395 $D$ is finer than the Euclidian distance $\Delta$.
1396 \end{corollary}
1397
1398 This corollary can be reformulated as follows:
1399
1400 \begin{itemize}
1401 \item The topology produced by $\Delta$ is a subset of the topology produced by
1402 $D$.
1403 \item $D$ has more open sets than $\Delta$.
1404 \item It is harder to converge for the topology $\tau_D$ inherited by $D$, than
1405 to converge with the one inherited by $\Delta$, which is denoted here by
1406 $\tau_\Delta$.
1407 \end{itemize}
1408
1409
1410 \subsection{Chaos of the chaotic iterations on $\mathds{R}$}
1411 \label{chpt:Chaos des itérations chaotiques sur R}
1412
1413
1414
1415 \subsubsection{Chaos according to Devaney}
1416
1417 We have recalled previously that the chaotic iterations $\left(\Go,
1418 \mathcal{X}_d\right)$ are chaotic according to the formulation of Devaney. We
1419 can deduce that they are chaotic on $\mathds{R}$ too, when considering the order
1420 topology, because:
1421 \begin{itemize}
1422 \item $\left(\Go, \mathcal{X}_d\right)$ and $\left(g, \big[ 0, 2^{10}
1423 \big[_D\right)$ are semiconjugate by $\varphi$,
1424 \item Then $\left(g, \big[ 0, 2^{10} \big[_D\right)$ is a system chaotic
1425 according to Devaney, because the semiconjugacy preserve this character.
1426 \item But the topology generated by $D$ is finer than the topology generated by
1427 the Euclidian distance $\Delta$ -- which is the order topology.
1428 \item According to Theorem \ref{Th:chaos et finesse}, we can deduce that the
1429 chaotic iterations $g$ are indeed chaotic, as defined by Devaney, for the order
1430 topology on $\mathds{R}$.
1431 \end{itemize}
1432
1433 This result can be formulated as follows.
1434
1435 \begin{theorem}
1436 \label{th:IC et topologie de l'ordre}
1437 The chaotic iterations $g$ on $\mathds{R}$ are chaotic according to the
1438 Devaney's formulation, when $\mathds{R}$ has his usual topology, which is the
1439 order topology.
1440 \end{theorem}
1441
1442 Indeed this result is weaker than the theorem establishing the chaos for the
1443 finer topology $d$. However the Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre}
1444 still remains important. Indeed, we have studied in our previous works a set
1445 different from the usual set of study ($\mathcal{X}$ instead of $\mathds{R}$),
1446 in order to be as close as possible from the computer: the properties of
1447 disorder proved theoretically will then be preserved when computing. However, we
1448 could wonder whether this change does not lead to a disorder of a lower quality.
1449 In other words, have we replaced a situation of a good disorder lost when
1450 computing, to another situation of a disorder preserved but of bad quality.
1451 Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre} prove exactly the contrary.
1452  
1453
1454
1455
1456
1457
1458
1459
1460 \section{Conclusion}
1461 \bibliographystyle{plain}
1462 \bibliography{mabase}
1463 \end{document}