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

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