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