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

Private GIT Repository
c504e98c5964867f7c6a8869150e57ea31081ea3
[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 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 is for 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}[Devaney's formulation of chaos~\cite{Devaney}]
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 $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}.$
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  $S\in  \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$  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, presented 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 $\sigma
185 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
186 \mathds{N}}\in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
187 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \llbracket
188 1;\mathsf{N}\rrbracket$. Then the chaotic iterations proposed in
189 Definition \ref{Def: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 To study this claim, a new distance between two points $X = (S,E), Y =
204 (\check{S},\check{E})\in
205 \mathcal{X}$ has been introduced in \cite{guyeux10} as follows:
206 \begin{equation}
207 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
208 \end{equation}
209 \noindent where
210 \begin{equation}
211 \left\{
212 \begin{array}{lll}
213 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
214 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}, \\
215 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
216 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^{k}}}.%
217 \end{array}%
218 \right.
219 \end{equation}
220
221
222 This new distance has been introduced to satisfy the following requirements.
223 \begin{itemize}
224 \item When the number of different cells between two systems is increasing, then
225 their distance should increase too.
226 \item In addition, if two systems present the same cells and their respective
227 strategies start with the same terms, then the distance between these two points
228 must be small because the evolution of the two systems will be the same for a
229 while. Indeed, the two dynamical systems start with the same initial condition,
230 use the same update function, and as strategies are the same for a while, then
231 components that are updated are the same too.
232 \end{itemize}
233 The distance presented above follows these recommendations. Indeed, if the floor
234 value $\lfloor d(X,Y)\rfloor $ is equal to $n$, then the systems $E, \check{E}$
235 differ in $n$ cells ($d_e$ is indeed the Hamming distance). In addition, $d(X,Y) - \lfloor d(X,Y) \rfloor $ is a
236 measure of the differences between strategies $S$ and $\check{S}$. More
237 precisely, this floating part is less than $10^{-k}$ if and only if the first
238 $k$ terms of the two strategies are equal. Moreover, if the $k^{th}$ digit is
239 nonzero, then the $k^{th}$ terms of the two strategies are different.
240 The impact of this choice for a distance will be investigate at the end of the document.
241
242 Finally, it has been established in \cite{guyeux10} that,
243
244 \begin{proposition}
245 Let $f$ be a map from $\mathds{B}^\mathsf{N}$ 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 $f(x_1,\hdots, x_\mathsf{N}) =  (\overline{x_1},\hdots, \overline{x_\mathsf{N}})$ \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 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ 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 $\mathds{B}^\mathsf{N}$; for all $x\in\mathds{B}^\mathsf{N}$ and 
257 $i\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket$,
258 the graph $\Gamma(f)$ contains an arc from $x$ to $F_f(i,x)$. 
259 The relation between $\Gamma(f)$ and $G_f$ is clear: there exists a
260 path from $x$ to $x'$ in $\Gamma(f)$ if and only if there exists a
261 strategy $s$ such that the parallel iteration of $G_f$ from the
262 initial point $(s,x)$ reaches the point $x'$.
263
264 We have finally proven in \cite{bcgr11:ip} that,
265
266
267 \begin{theorem}
268 \label{Th:Caractérisation   des   IC   chaotiques}  
269 Let $f:\mathds{B}^\mathsf{N}\to\mathds{B}^\mathsf{N}$. $G_f$ is chaotic  (according to  Devaney) 
270 if and only if $\Gamma(f)$ is strongly connected.
271 \end{theorem}
272
273 This result of chaos has lead us to study the possibility to build a
274 pseudo-random number generator (PRNG) based on the chaotic iterations. 
275 As $G_f$, defined on the domain   $\llbracket 1 ;  \mathsf{N} \rrbracket^{\mathds{N}} 
276 \times \mathds{B}^\mathsf{N}$, is build from Boolean networks $f : \mathds{B}^\mathsf{N}
277 \rightarrow \mathds{B}^\mathsf{N}$, we can preserve the theoretical properties on $G_f$
278 during implementations (due to the discrete nature of $f$). It is as if
279 $\mathds{B}^\mathsf{N}$ represents the memory of the computer whereas $\llbracket 1 ;  \mathsf{N}
280 \rrbracket^{\mathds{N}}$ is its input stream (the seeds, for instance).
281
282 \section{Application to Pseudo-Randomness}
283
284 \subsection{A First Pseudo-Random Number Generator}
285
286 We have proposed in~\cite{bgw09:ip} a new family of generators that receives 
287 two PRNGs as inputs. These two generators are mixed with chaotic iterations, 
288 leading thus to a new PRNG that improves the statistical properties of each
289 generator taken alone. Furthermore, our generator 
290 possesses various chaos properties that none of the generators used as input
291 present.
292
293 \begin{algorithm}[h!]
294 %\begin{scriptsize}
295 \KwIn{a function $f$, an iteration number $b$, an initial configuration $x^0$
296 ($n$ bits)}
297 \KwOut{a configuration $x$ ($n$ bits)}
298 $x\leftarrow x^0$\;
299 $k\leftarrow b + \textit{XORshift}(b)$\;
300 \For{$i=0,\dots,k$}
301 {
302 $s\leftarrow{\textit{XORshift}(n)}$\;
303 $x\leftarrow{F_f(s,x)}$\;
304 }
305 return $x$\;
306 %\end{scriptsize}
307 \caption{PRNG with chaotic functions}
308 \label{CI Algorithm}
309 \end{algorithm}
310
311 \begin{algorithm}[h!]
312 \KwIn{the internal configuration $z$ (a 32-bit word)}
313 \KwOut{$y$ (a 32-bit word)}
314 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll13)}}$\;
315 $z\leftarrow{z\oplus{(z\gg17)}}$\;
316 $z\leftarrow{z\oplus{(z\ll5)}}$\;
317 $y\leftarrow{z}$\;
318 return $y$\;
319 \medskip
320 \caption{An arbitrary round of \textit{XORshift} algorithm}
321 \label{XORshift}
322 \end{algorithm}
323
324
325
326
327
328 This generator is synthesized in Algorithm~\ref{CI Algorithm}.
329 It takes as input: a function $f$;
330 an integer $b$, ensuring that the number of executed iterations is at least $b$
331 and at most $2b+1$; and an initial configuration $x^0$.
332 It returns the new generated configuration $x$.  Internally, it embeds two
333 \textit{XORshift}$(k)$ PRNGs \cite{Marsaglia2003} that returns integers
334 uniformly distributed
335 into $\llbracket 1 ; k \rrbracket$.
336 \textit{XORshift} is a category of very fast PRNGs designed by George Marsaglia,
337 which repeatedly uses the transform of exclusive or (XOR, $\oplus$) on a number
338 with a bit shifted version of it. This PRNG, which has a period of
339 $2^{32}-1=4.29\times10^9$, is summed up in Algorithm~\ref{XORshift}. It is used
340 in our PRNG to compute the strategy length and the strategy elements.
341
342
343 We have proven in \cite{bcgr11:ip} that,
344 \begin{theorem}
345   Let $f: \mathds{B}^{n} \rightarrow \mathds{B}^{n}$, $\Gamma(f)$ its
346   iteration graph, $\check{M}$ its adjacency
347   matrix and $M$ a $n\times n$ matrix defined as in the previous lemma.
348   If $\Gamma(f)$ is strongly connected, then 
349   the output of the PRNG detailed in Algorithm~\ref{CI Algorithm} follows 
350   a law that tends to the uniform distribution 
351   if and only if $M$ is a double stochastic matrix.
352 \end{theorem} 
353
354 This former generator as successively passed various batteries of statistical tests, as the NIST tests~\cite{bcgr11:ip}.
355
356 \subsection{Improving the Speed of the Former Generator}
357
358 Instead of updating only one cell at each iteration, we can try to choose a
359 subset of components and to update them together. Such an attempt leads
360 to a kind of merger of the two sequences used in Algorithm 
361 \ref{CI Algorithm}. When the updating function is the vectorial negation,
362 this algorithm can be rewritten as follows:
363
364 \begin{equation}
365 \left\{
366 \begin{array}{l}
367 x^0 \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket, S \in \llbracket 0, 2^\mathsf{N}-1 \rrbracket^\mathds{N} \\
368 \forall n \in \mathds{N}^*, x^n = x^{n-1} \oplus S^n,
369 \end{array}
370 \right.
371 \label{equation Oplus}
372 \end{equation}
373 where $\oplus$ is for the bitwise exclusive or between two integers. 
374 This rewritten can be understood as follows. The $n-$th term $S^n$ of the
375 sequence $S$, which is an integer of $\mathsf{N}$ binary digits, presents
376 the list of cells to update in the state $x^n$ of the system (represented
377 as an integer having $\mathsf{N}$ bits too). More precisely, the $k-$th 
378 component of this state (a binary digit) changes if and only if the $k-$th 
379 digit in the binary decomposition of $S^n$ is 1.
380
381 The single basic component presented in Eq.~\ref{equation Oplus} is of 
382 ordinary use as a good elementary brick in various PRNGs. It corresponds
383 to the following discrete dynamical system in chaotic iterations:
384
385 \begin{equation}
386 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
387 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
388 \begin{array}{ll}
389   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
390   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
391 \end{array}\right.
392 \end{equation}
393 where $f$ is the vectorial negation and $\forall n \in \mathds{N}$, 
394 $\mathcal{S}^n \subset \llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$ is such that
395 $k \in \mathcal{S}^n$ if and only if the $k-$th digit in the binary
396 decomposition of $S^n$ is 1. Such chaotic iterations are more general
397 than the ones presented in Definition \ref{Def:chaotic iterations} for 
398 the fact that, instead of updating only one term at each iteration,
399 we select a subset of components to change.
400
401
402 Obviously, replacing Algorithm~\ref{CI Algorithm} by 
403 Equation~\ref{equation Oplus}, possible when the iteration function is
404 the vectorial negation, leads to a speed improvement. However, proofs
405 of chaos obtained in~\cite{bg10:ij} have been established
406 only for chaotic iterations of the form presented in Definition 
407 \ref{Def:chaotic iterations}. The question is now to determine whether the
408 use of more general chaotic iterations to generate pseudo-random numbers 
409 faster, does not deflate their topological chaos properties.
410
411 \subsection{Proofs of Chaos of the General Formulation of the Chaotic Iterations}
412
413 Let us consider the discrete dynamical systems in chaotic iterations having 
414 the general form:
415
416 \begin{equation}
417 \forall    n\in     \mathds{N}^{\ast     },    \forall     i\in
418 \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket ,x_i^n=\left\{
419 \begin{array}{ll}
420   x_i^{n-1} &  \text{ if  } i \notin \mathcal{S}^n \\
421   \left(f(x^{n-1})\right)_{S^n} & \text{ if }i \in \mathcal{S}^n.
422 \end{array}\right.
423 \label{general CIs}
424 \end{equation}
425
426 In other words, at the $n^{th}$ iteration, only the cells whose id is
427 contained into the set $S^{n}$ are iterated.
428
429 Let us now rewrite these general chaotic iterations as usual discrete dynamical
430 system of the form $X^{n+1}=f(X^n)$ on an ad hoc metric space. Such a formulation
431 is required in order to study the topological behavior of the system.
432
433 Let us introduce the following function:
434 \begin{equation}
435 \begin{array}{cccc}
436  \chi: & \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket \times \mathcal{P}\left(\llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket\right) & \longrightarrow & \mathds{B}\\
437          & (i,X) & \longmapsto  & \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textrm{if }i \notin X, \\ 1 & \textrm{if }i \in X,  \end{array}\right.
438 \end{array} 
439 \end{equation}
440 where $\mathcal{P}\left(X\right)$ is for the powerset of the set $X$, that is, $Y \in \mathcal{P}\left(X\right) \Longleftrightarrow Y \subset X$.
441
442 Given a function $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, define the function:
443 \begin{equation}
444 \begin{array}{lrll}
445 F_{f}: & \mathcal{P}\left(\llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket \right) \times \mathds{B}^{\mathsf{N}} &
446 \longrightarrow & \mathds{B}^{\mathsf{N}} \\
447 & (P,E) & \longmapsto & \left( E_{j}.\chi (j,P)+f(E)_{j}.\overline{\chi
448 (j,P)}\right) _{j\in \llbracket1;\mathsf{N}\rrbracket},%
449 \end{array}%
450 \end{equation}%
451 where + and . are the Boolean addition and product operations, and $\overline{x}$ 
452 is the negation of the Boolean $x$.
453 Consider the phase space:
454 \begin{equation}
455 \mathcal{X} = \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N} \times
456 \mathds{B}^\mathsf{N},
457 \end{equation}
458 \noindent and the map defined on $\mathcal{X}$:
459 \begin{equation}
460 G_f\left(S,E\right) = \left(\sigma(S), F_f(i(S),E)\right), \label{Gf}
461 \end{equation}
462 \noindent where $\sigma$ is the \emph{shift} function defined by $\sigma
463 (S^{n})_{n\in \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow (S^{n+1})_{n\in
464 \mathds{N}}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}$ and $i$ is the \emph{initial function} 
465 $i:(S^{n})_{n\in \mathds{N}} \in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)^\mathds{N}\longrightarrow S^{0}\in \mathcal{P}\left(\llbracket 1 ; \mathsf{N} \rrbracket\right)$. 
466 Then the general chaotic iterations defined in Equation \ref{general CIs} can 
467 be described by the following discrete dynamical system:
468 \begin{equation}
469 \left\{
470 \begin{array}{l}
471 X^0 \in \mathcal{X} \\
472 X^{k+1}=G_{f}(X^k).%
473 \end{array}%
474 \right.
475 \end{equation}%
476
477 Another time, a shift function appears as a component of these general chaotic 
478 iterations. 
479
480 To study the Devaney's chaos property, a distance between two points 
481 $X = (S,E), Y = (\check{S},\check{E})$ of $\mathcal{X}$ must be defined.
482 Let us introduce:
483 \begin{equation}
484 d(X,Y)=d_{e}(E,\check{E})+d_{s}(S,\check{S}),
485 \label{nouveau d}
486 \end{equation}
487 \noindent where
488 \begin{equation}
489 \left\{
490 \begin{array}{lll}
491 \displaystyle{d_{e}(E,\check{E})} & = & \displaystyle{\sum_{k=1}^{\mathsf{N}%
492 }\delta (E_{k},\check{E}_{k})}\textrm{ is another time the Hamming distance}, \\
493 \displaystyle{d_{s}(S,\check{S})} & = & \displaystyle{\dfrac{9}{\mathsf{N}}%
494 \sum_{k=1}^{\infty }\dfrac{|S^k\Delta {S}^k|}{10^{k}}}.%
495 \end{array}%
496 \right.
497 \end{equation}
498 where $|X|$ is the cardinality of a set $X$ and $A\Delta B$ is for the symmetric difference, defined for sets A, B as
499 $A\,\Delta\,B = (A \setminus B) \cup (B \setminus A)$.
500
501
502 \begin{proposition}
503 The function $d$ defined in Eq.~\ref{nouveau d} is a metric on $\mathcal{X}$.
504 \end{proposition}
505
506 \begin{proof}
507  $d_e$ is the Hamming distance. We will prove that $d_s$ is a distance
508 too, thus $d$ will be a distance as sum of two distances.
509  \begin{itemize}
510 \item Obviously, $d_s(S,\check{S})\geqslant 0$, and if $S=\check{S}$, then 
511 $d_s(S,\check{S})=0$. Conversely, if $d_s(S,\check{S})=0$, then 
512 $\forall k \in \mathds{N}, |S^k\Delta {S}^k|=0$, and so $\forall k, S^k=\check{S}^k$.
513  \item $d_s$ is symmetric 
514 ($d_s(S,\check{S})=d_s(\check{S},S)$) due to the commutative property
515 of the symmetric difference. 
516 \item Finally, $|S \Delta S''| = |(S \Delta \varnothing) \Delta S''|= |S \Delta (S'\Delta S') \Delta S''|= |(S \Delta S') \Delta (S' \Delta S'')|\leqslant |S \Delta S'| + |S' \Delta S''|$, 
517 and so for all subsets $S,S',$ and $S''$ of $\llbracket 1, \mathsf{N} \rrbracket$, 
518 we have $d_s(S,S'') \leqslant d_e(S,S')+d_s(S',S'')$, and the triangle
519 inequality is obtained.
520  \end{itemize}
521 \end{proof}
522
523
524 Before being able to study the topological behavior of the general 
525 chaotic iterations, we must firstly establish that:
526
527 \begin{proposition}
528  For all $f:\mathds{B}^\mathsf{N} \longrightarrow \mathds{B}^\mathsf{N} $, the function $G_f$ is continuous on 
529 $\left( \mathcal{X},d\right)$.
530 \end{proposition}
531
532
533 \begin{proof}
534 We use the sequential continuity.
535 Let $(S^n,E^n)_{n\in \mathds{N}}$ be a sequence of the phase space $%
536 \mathcal{X}$, which converges to $(S,E)$. We will prove that $\left(
537 G_{f}(S^n,E^n)\right) _{n\in \mathds{N}}$ converges to $\left(
538 G_{f}(S,E)\right) $. Let us remark that for all $n$, $S^n$ is a strategy,
539 thus, we consider a sequence of strategies (\emph{i.e.}, a sequence of
540 sequences).\newline
541 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
542 to 0. But $d_{e}(E^n,E)$ is an integer, so $\exists n_{0}\in \mathds{N},$ $%
543 d_{e}(E^n,E)=0$ for any $n\geqslant n_{0}$.\newline
544 In other words, there exists a threshold $n_{0}\in \mathds{N}$ after which no
545 cell will change its state:
546 $\exists n_{0}\in \mathds{N},n\geqslant n_{0}\Rightarrow E^n = E.$
547
548 In addition, $d_{s}(S^n,S)\longrightarrow 0,$ so $\exists n_{1}\in %
549 \mathds{N},d_{s}(S^n,S)<10^{-1}$ for all indexes greater than or equal to $%
550 n_{1}$. This means that for $n\geqslant n_{1}$, all the $S^n$ have the same
551 first term, which is $S^0$: $\forall n\geqslant n_{1},S_0^n=S_0.$
552
553 Thus, after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term, states of $E^n$ and $E$ are
554 identical and strategies $S^n$ and $S$ start with the same first term.\newline
555 Consequently, states of $G_{f}(S^n,E^n)$ and $G_{f}(S,E)$ are equal,
556 so, after the $max(n_0, n_1)^{th}$ term, the distance $d$ between these two points is strictly less than 1.\newline
557 \noindent We now prove that the distance between $\left(
558 G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is convergent to
559 0. Let $\varepsilon >0$. \medskip
560 \begin{itemize}
561 \item If $\varepsilon \geqslant 1$, we see that distance
562 between $\left( G_{f}(S^n,E^n)\right) $ and $\left( G_{f}(S,E)\right) $ is
563 strictly less than 1 after the $max(n_{0},n_{1})^{th}$ term (same state).
564 \medskip
565 \item If $\varepsilon <1$, then $\exists k\in \mathds{N},10^{-k}\geqslant
566 \varepsilon > 10^{-(k+1)}$. But $d_{s}(S^n,S)$ converges to 0, so
567 \begin{equation*}
568 \exists n_{2}\in \mathds{N},\forall n\geqslant
569 n_{2},d_{s}(S^n,S)<10^{-(k+2)},
570 \end{equation*}%
571 thus after $n_{2}$, the $k+2$ first terms of $S^n$ and $S$ are equal.
572 \end{itemize}
573 \noindent As a consequence, the $k+1$ first entries of the strategies of $%
574 G_{f}(S^n,E^n)$ 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
575 the distance between $(S^n,E^n)$ and $(S,E)$ is strictly less than $%
576 10^{-(k+1)}\leqslant \varepsilon $.\bigskip \newline
577 In conclusion,
578 $$
579 \forall \varepsilon >0,\exists N_{0}=max(n_{0},n_{1},n_{2})\in \mathds{N}%
580 ,\forall n\geqslant N_{0},
581  d\left( G_{f}(S^n,E^n);G_{f}(S,E)\right)
582 \leqslant \varepsilon .
583 $$
584 $G_{f}$ is consequently continuous.
585 \end{proof}
586
587
588 It is now possible to study the topological behavior of the general chaotic
589 iterations. We will prove that,
590
591 \begin{theorem}
592 \label{t:chaos des general}
593  The general chaotic iterations defined on Equation~\ref{general CIs} satisfy
594 the Devaney's property of chaos.
595 \end{theorem}
596
597 Let us firstly prove the following lemma.
598
599 \begin{lemma}[Strong transitivity]
600 \label{strongTrans}
601  For all couples $X,Y \in \mathcal{X}$ and any neighborhood $V$ of $X$, we can 
602 find $n \in \mathds{N}^*$ and $X' \in V$ such that $G^n(X')=Y$.
603 \end{lemma}
604
605 \begin{proof}
606  Let $X=(S,E)$, $\varepsilon>0$, and $k_0 = \lfloor log_{10}(\varepsilon)+1 \rfloor$. 
607 Any point $X'=(S',E')$ such that $E'=E$ and $\forall k \leqslant k_0, S'^k=S^k$, 
608 are in the open ball $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$. Let us define 
609 $\check{X} = \left(\check{S},\check{E}\right)$, where $\check{X}= G^{k_0}(X)$.
610 We denote by $s\subset \llbracket 1; \mathsf{N} \rrbracket$ the set of coordinates
611 that are different between $\check{E}$ and the state of $Y$. Thus each point $X'$ of
612 the form $(S',E')$ where $E'=E$ and $S'$ starts with 
613 $(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,\hdots)$, verifies the following properties:
614 \begin{itemize}
615  \item $X'$ is in $\mathcal{B}\left(X,\varepsilon\right)$,
616  \item the state of $G_f^{k_0+1}(X')$ is the state of $Y$.
617 \end{itemize}
618 Finally the point $\left(\left(S^0, S^1, \hdots, S^{k_0},s,s^0, s^1, \hdots\right); E\right)$, 
619 where $(s^0,s^1, \hdots)$ is the strategy of $Y$, satisfies the properties
620 claimed in the lemma.
621 \end{proof}
622
623 We can now prove the Theorem~\ref{t:chaos des general}...
624
625 \begin{proof}[Theorem~\ref{t:chaos des general}]
626 Firstly, strong transitivity implies transitivity.
627
628 Let $(S,E) \in\mathcal{X}$ and $\varepsilon >0$. To
629 prove that $G_f$ is regular, it is sufficient to prove that
630 there exists a strategy $\tilde S$ such that the distance between
631 $(\tilde S,E)$ and $(S,E)$ is less than $\varepsilon$, and such that
632 $(\tilde S,E)$ is a periodic point.
633
634 Let $t_1=\lfloor-\log_{10}(\varepsilon)\rfloor$, and let $E'$ be the
635 configuration that we obtain from $(S,E)$ after $t_1$ iterations of
636 $G_f$. As $G_f$ is strongly transitive, there exists a strategy $S'$ 
637 and $t_2\in\mathds{N}$ such
638 that $E$ is reached from $(S',E')$ after $t_2$ iterations of $G_f$.
639
640 Consider the strategy $\tilde S$ that alternates the first $t_1$ terms
641 of $S$ and the first $t_2$ terms of $S'$: $$\tilde
642 S=(S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots,S_{t_1-1},S'_0,\dots,S'_{t_2-1},S_0,\dots).$$ It
643 is clear that $(\tilde S,E)$ is obtained from $(\tilde S,E)$ after
644 $t_1+t_2$ iterations of $G_f$. So $(\tilde S,E)$ is a periodic
645 point. Since $\tilde S_t=S_t$ for $t<t_1$, by the choice of $t_1$, we
646 have $d((S,E),(\tilde S,E))<\epsilon$.
647 \end{proof}
648
649
650
651 \section{Efficient PRNG based on Chaotic Iterations}
652
653 In  order to  implement efficiently  a PRNG  based on  chaotic iterations  it is
654 possible to improve  previous works [ref]. One solution  consists in considering
655 that the  strategy used contains all the  bits for which the  negation is
656 achieved out. Then in order to apply  the negation on these bits we can simply
657 apply the  xor operator between  the current number  and the strategy. In
658 order to obtain the strategy we also use a classical PRNG.
659
660 Here  is an  example with  16-bits numbers  showing how  the bitwise  operations
661 are
662 applied.  Suppose  that $x$ and the  strategy $S^i$ are defined  in binary mode.
663 Then the following table shows the result of $x$ xor $S^i$.
664 $$
665 \begin{array}{|cc|cccccccccccccccc|}
666 \hline
667 x      &=&1&0&1&1&1&0&1&0&1&0&0&1&0&0&1&0\\
668 \hline
669 S^i      &=&0&1&1&0&0&1&1&0&1&1&1&0&0&1&1&1\\
670 \hline
671 x \oplus S^i&=&1&1&0&1&1&1&0&0&0&1&1&1&0&1&0&1\\
672 \hline
673
674 \hline
675  \end{array}
676 $$
677
678 %% \begin{figure}[htbp]
679 %% \begin{center}
680 %% \fbox{
681 %% \begin{minipage}{14cm}
682 %% unsigned int CIprng() \{\\
683 %%   static unsigned int x = 123123123;\\
684 %%   unsigned long t1 = xorshift();\\
685 %%   unsigned long t2 = xor128();\\
686 %%   unsigned long t3 = xorwow();\\
687 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t1;\\
688 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t2$>>$32);\\
689 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t3$>>$32);\\
690 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t2;\\
691 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)(t1$>>$32);\\
692 %%   x = x\textasciicircum (unsigned int)t3;\\
693 %%   return x;\\
694 %% \}
695 %% \end{minipage}
696 %% }
697 %% \end{center}
698 %% \caption{sequential Chaotic Iteration PRNG}
699 %% \label{algo:seqCIprng}
700 %% \end{figure}
701
702
703
704 \lstset{language=C,caption={C code of the sequential chaotic iterations based
705 PRNG},label=algo:seqCIprng}
706 \begin{lstlisting}
707 unsigned int CIprng() {
708   static unsigned int x = 123123123;
709   unsigned long t1 = xorshift();
710   unsigned long t2 = xor128();
711   unsigned long t3 = xorwow();
712   x = x^(unsigned int)t1;
713   x = x^(unsigned int)(t2>>32);
714   x = x^(unsigned int)(t3>>32);
715   x = x^(unsigned int)t2;
716   x = x^(unsigned int)(t1>>32);
717   x = x^(unsigned int)t3;
718   return x;
719 }
720 \end{lstlisting}
721
722
723
724
725
726 In listing~\ref{algo:seqCIprng}  a sequential version of  our chaotic iterations
727 based   PRNG    is   presented.   The    xor   operator   is    represented   by
728 \textasciicircum.  This   function  uses  three  classical   64-bits  PRNG:  the
729 \texttt{xorshift},  the   \texttt{xor128}  and  the   \texttt{xorwow}.   In  the
730 following,  we call  them  xor-like  PRNGSs.  These  three  PRNGs are  presented
731 in~\cite{Marsaglia2003}.  As each  xor-like PRNG used works with  64-bits and as
732 our PRNG works  with 32-bits, the use of \texttt{(unsigned  int)} selects the 32
733 least significant bits whereas  \texttt{(unsigned int)(t3$>>$32)} selects the 32
734 most  significants bits  of the  variable \texttt{t}.   So to  produce  a random
735 number realizes  6 xor operations with  6 32-bits numbers produced  by 3 64-bits
736 PRNG.  This version successes the  BigCrush of the TestU01 battery [P.  L’ecuyer
737   and R. Simard. Testu01].
738
739 \section{Efficient prng based on chaotic iterations on GPU}
740
741 In  order to benefit  from computing  power of  GPU, a  program needs  to define
742 independent blocks of threads which  can be computed simultaneously. In general,
743 the larger the number of threads is,  the more local memory is used and the less
744 branching  instructions are  used (if,  while, ...),  the better  performance is
745 obtained  on  GPU.  So  with  algorithm  \ref{algo:seqCIprng}  presented in  the
746 previous section, it is possible to  build a similar program which computes PRNG
747 on  GPU. In  the CUDA  [ref] environment,  threads have  a  local identificator,
748 called \texttt{ThreadIdx} relative to the block containing them.
749
750
751 \subsection{Naive version for GPU}
752
753 From the CPU version, it is possible  to obtain a quite similar version for GPU.
754 The principe consists in assigning the computation of a PRNG as in sequential to
755 each thread  of the  GPU.  Of course,  it is  essential that the  three xor-like
756 PRNGs  used for  our computation  have different  parameters. So  we  chose them
757 randomly with  another PRNG. As the  initialisation is performed by  the CPU, we
758 have chosen to use the ISAAC PRNG  [ref] to initalize all the parameters for the
759 GPU version  of our  PRNG.  The  implementation of the  three xor-like  PRNGs is
760 straightforward  as soon  as their  parameters have  been allocated  in  the GPU
761 memory. Each xor-like  PRNGs used works with an internal  number $x$ which keeps
762 the last generated random numbers. Other internal variables are also used by the
763 xor-like PRNGs. More  precisely, the implementation of the  xor128, the xorshift
764 and  the xorwow  respectively  require 4,  5  and 6  unsigned  long as  internal
765 variables.
766
767 \begin{algorithm}
768
769 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of the 3 xor-like
770 PRNGs in global memory\;
771 NumThreads: Number of threads\;}
772 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
773 \If{threadIdx is concerned by the computation} {
774   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadIdx] in local variables\;
775   \For{i=1 to n} {
776     compute a new PRNG as in Listing\ref{algo:seqCIprng}\;
777     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadIdx+i]\;
778   }
779   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadIdx]\;
780 }
781
782 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU naive version}
783 \label{algo:gpu_kernel}
784 \end{algorithm}
785
786 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  presents a naive  implementation of  PRNG using
787 GPU.  According  to the available  memory in the  GPU and the number  of threads
788 used simultenaously,  the number  of random numbers  that a thread  can generate
789 inside   a    kernel   is   limited,   i.e.    the    variable   \texttt{n}   in
790 algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}. For example, if  $100,000$ threads are used and
791 if $n=100$\footnote{in fact, we need to add the initial seed (a 32-bits number)}
792 then   the  memory   required   to  store   internals   variables  of   xor-like
793 PRNGs\footnote{we multiply this number by $2$ in order to count 32-bits numbers}
794 and  random  number of  our  PRNG  is  equals to  $100,000\times  ((4+5+6)\times
795 2+(1+100))=1,310,000$ 32-bits numbers, i.e. about $52$Mb.
796
797 All the  tests performed  to pass the  BigCrush of TestU01  succeeded. Different
798 number of threads, called \texttt{NumThreads} in our algorithm, have been tested
799 upto $10$ millions.
800
801 \begin{remark}
802 Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel}  has  the  advantage to  manipulate  independent
803 PRNGs, so this version is easily usable on a cluster of computer. The only thing
804 to ensure is to use a single ISAAC PRNG. For this, a simple solution consists in
805 using a master node for the initialization which computes the initial parameters
806 for all the differents nodes involves in the computation.
807 \end{remark}
808
809 \subsection{Improved version for GPU}
810
811 As GPU cards using CUDA have shared memory between threads of the same block, it
812 is possible  to use this  feature in order  to simplify the  previous algorithm,
813 i.e. using less  than 3 xor-like PRNGs. The solution  consists in computing only
814 one xor-like PRNG by thread, saving  it into shared memory and using the results
815 of some  other threads in the  same block of  threads. In order to  define which
816 thread uses the result of which other  one, we can use a permutation array which
817 contains  the indexes  of  all threads  and  for which  a  permutation has  been
818 performed.  In Algorithm~\ref{algo:gpu_kernel2}, 2 permutations arrays are used.
819 The    variable   \texttt{offset}    is    computed   using    the   value    of
820 \texttt{permutation\_size}.   Then we  can compute  \texttt{o1}  and \texttt{o2}
821 which represent the indexes of the  other threads for which the results are used
822 by the  current thread. In  the algorithm, we  consider that a  64-bits xor-like
823 PRNG is used, that is why both 32-bits parts are used.
824
825 This version also succeed to the BigCrush batteries of tests.
826
827 \begin{algorithm}
828
829 \KwIn{InternalVarXorLikeArray: array with internal variables of 1 xor-like PRNGs
830 in global memory\;
831 NumThreads: Number of threads\;
832 tab1, tab2: Arrays containing permutations of size permutation\_size\;}
833
834 \KwOut{NewNb: array containing random numbers in global memory}
835 \If{threadId is concerned} {
836   retrieve data from InternalVarXorLikeArray[threadId] in local variables\;
837   offset = threadIdx\%permutation\_size\;
838   o1 = threadIdx-offset+tab1[offset]\;
839   o2 = threadIdx-offset+tab2[offset]\;
840   \For{i=1 to n} {
841     t=xor-like()\;
842     shared\_mem[threadId]=(unsigned int)t\;
843     x = x $\oplus$ (unsigned int) t\;
844     x = x $\oplus$ (unsigned int) (t>>32)\;
845     x = x $\oplus$ shared[o1]\;
846     x = x $\oplus$ shared[o2]\;
847
848     store the new PRNG in NewNb[NumThreads*threadId+i]\;
849   }
850   store internal variables in InternalVarXorLikeArray[threadId]\;
851 }
852
853 \caption{main kernel for the chaotic iterations based PRNG GPU efficient
854 version}
855 \label{algo:gpu_kernel2}
856 \end{algorithm}
857
858
859
860 \section{Experiments}
861
862 Differents experiments have been performed in order to measure the generation
863 speed.
864 \begin{figure}[t]
865 \begin{center}
866   \includegraphics[scale=.7]{curve_time_gpu.pdf}
867 \end{center}
868 \caption{Number of random numbers generated per second}
869 \label{fig:time_naive_gpu}
870 \end{figure}
871
872
873 First of all we have compared the time to generate X random numbers with both
874 the CPU version and the GPU version. 
875
876 Faire une courbe du nombre de random en fonction du nombre de threads,
877 éventuellement en fonction du nombres de threads par bloc.
878
879
880
881 \section{The relativity of disorder}
882 \label{sec:de la relativité du désordre}
883
884 \subsection{Impact of the topology's finenesse}
885
886 Let us firstly introduce the following notations.
887
888 \begin{notation}
889 $\mathcal{X}_\tau$ will denote the topological space
890 $\left(\mathcal{X},\tau\right)$, whereas $\mathcal{V}_\tau (x)$ will be the set
891 of all the neighborhoods of $x$ when considering the topology $\tau$ (or simply
892 $\mathcal{V} (x)$, if there is no ambiguity).
893 \end{notation}
894
895
896
897 \begin{theorem}
898 \label{Th:chaos et finesse}
899 Let $\mathcal{X}$ a set and $\tau, \tau'$ two topologies on $\mathcal{X}$ s.t.
900 $\tau'$ is finer than $\tau$. Let $f:\mathcal{X} \to \mathcal{X}$, continuous
901 both for $\tau$ and $\tau'$.
902
903 If $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is chaotic according to Devaney, then
904 $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is chaotic too.
905 \end{theorem}
906
907 \begin{proof}
908 Let us firstly establish the transitivity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$.
909
910 Let $\omega_1, \omega_2$ two open sets of $\tau$. Then $\omega_1, \omega_2 \in
911 \tau'$, becaus $\tau'$ is finer than $\tau$. As $f$ is $\tau'-$transitive, we
912 can deduce that $\exists n \in \mathds{N}, \omega_1 \cap f^{(n)}(\omega_2) =
913 \varnothing$. Consequently, $f$ is $\tau-$transitive.
914
915 Let us now consider the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$, \emph{i.e.}, for
916 all $x \in \mathcal{X}$, and for all $\tau-$neighborhood $V$ of $x$, there is a
917 periodic point for $f$ into $V$.
918
919 Let $x \in \mathcal{X}$ and $V \in \mathcal{V}_\tau (x)$ a $\tau-$neighborhood
920 of $x$. By definition, $\exists \omega \in \tau, x \in \omega \subset V$.
921
922 But $\tau \subset \tau'$, so $\omega \in \tau'$, and then $V \in
923 \mathcal{V}_{\tau'} (x)$. As $(\mathcal{X}_{\tau'},f)$ is regular, there is a
924 periodic point for $f$ into $V$, and the regularity of $(\mathcal{X}_\tau,f)$ is
925 proven. 
926 \end{proof}
927
928 \subsection{A given system can always be claimed as chaotic}
929
930 Let $f$ an iteration function on $\mathcal{X}$ having at least a fixed point.
931 Then this function is chaotic (in a certain way):
932
933 \begin{theorem}
934 Let $\mathcal{X}$ a nonempty set and $f: \mathcal{X} \to \X$ a function having
935 at least a fixed point.
936 Then $f$ is $\tau_0-$chaotic, where $\tau_0$ is the trivial (indiscrete)
937 topology on $\X$.
938 \end{theorem}
939
940
941 \begin{proof}
942 $f$ is transitive when $\forall \omega, \omega' \in \tau_0 \setminus
943 \{\varnothing\}, \exists n \in \mathds{N}, f^{(n)}(\omega) \cap \omega' \neq
944 \varnothing$.
945 As $\tau_0 = \left\{ \varnothing, \X \right\}$, this is equivalent to look for
946 an integer $n$ s.t. $f^{(n)}\left( \X \right) \cap \X \neq \varnothing$. For
947 instance, $n=0$ is appropriate.
948
949 Let us now consider $x \in \X$ and $V \in \mathcal{V}_{\tau_0} (x)$. Then $V =
950 \mathcal{X}$, so $V$ has at least a fixed point for $f$. Consequently $f$ is
951 regular, and the result is established.
952 \end{proof}
953
954
955
956
957 \subsection{A given system can always be claimed as non-chaotic}
958
959 \begin{theorem}
960 Let $\mathcal{X}$ be a set and $f: \mathcal{X} \to \X$.
961 If $\X$ is infinite, then $\left( \X_{\tau_\infty}, f\right)$ is not chaotic
962 (for the Devaney's formulation), where $\tau_\infty$ is the discrete topology.
963 \end{theorem}
964
965 \begin{proof}
966 Let us prove it by contradiction, assuming that $\left(\X_{\tau_\infty},
967 f\right)$ is both transitive and regular.
968
969 Let $x \in \X$ and $\{x\}$ one of its neighborhood. This neighborhood must
970 contain a periodic point for $f$, if we want that $\left(\X_{\tau_\infty},
971 f\right)$ is regular. Then $x$ must be a periodic point of $f$.
972
973 Let $I_x = \left\{ f^{(n)}(x), n \in \mathds{N}\right\}$. This set is finite
974 because  $x$ is periodic, and $\mathcal{X}$ is infinite, then $\exists y \in
975 \mathcal{X}, y \notin I_x$.
976
977 As $\left(\X_{\tau_\infty}, f\right)$ must be transitive, for all open nonempty
978 sets $A$ and $B$, an integer $n$ must satisfy $f^{(n)}(A) \cap B \neq
979 \varnothing$. However $\{x\}$ and $\{y\}$ are open sets and $y \notin I_x
980 \Rightarrow \forall n, f^{(n)}\left( \{x\} \right) \cap \{y\} = \varnothing$.
981 \end{proof}
982
983
984
985
986
987
988 \section{Chaos on the order topology}
989
990 \subsection{The phase space is an interval of the real line}
991
992 \subsubsection{Toward a topological semiconjugacy}
993
994 In what follows, our intention is to establish, by using a topological
995 semiconjugacy, that chaotic iterations over $\mathcal{X}$ can be described as
996 iterations on a real interval. To do so, we must firstly introduce some
997 notations and terminologies. 
998
999 Let $\mathcal{S}_\mathsf{N}$ be the set of sequences belonging into $\llbracket
1000 1; \mathsf{N}\rrbracket$ and $\mathcal{X}_{\mathsf{N}} = \mathcal{S}_\mathsf{N}
1001 \times \B^\mathsf{N}$.
1002
1003
1004 \begin{definition}
1005 The function $\varphi: \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10} \rightarrow \big[
1006 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
1007 \begin{equation}
1008  \begin{array}{cccl}
1009 \varphi: & \mathcal{X}_{10} = \mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}&
1010 \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
1011  & (S,E) = \left((S^0, S^1, \hdots ); (E_0, \hdots, E_9)\right) & \longmapsto &
1012 \varphi \left((S,E)\right)
1013 \end{array}
1014 \end{equation}
1015 where $\varphi\left((S,E)\right)$ is the real number:
1016 \begin{itemize}
1017 \item whose integral part $e$ is $\displaystyle{\sum_{k=0}^9 2^{9-k} E_k}$, that
1018 is, the binary digits of $e$ are $E_0 ~ E_1 ~ \hdots ~ E_9$.
1019 \item whose decimal part $s$ is equal to $s = 0,S^0~ S^1~ S^2~ \hdots =
1020 \sum_{k=1}^{+\infty} 10^{-k} S^{k-1}.$ 
1021 \end{itemize}
1022 \end{definition}
1023
1024
1025
1026 $\varphi$ realizes the association between a point of $\mathcal{X}_{10}$ and a
1027 real number into $\big[ 0, 2^{10} \big[$. We must now translate the chaotic
1028 iterations $\Go$ on this real interval. To do so, two intermediate functions
1029 over $\big[ 0, 2^{10} \big[$ must be introduced:
1030
1031
1032 \begin{definition}
1033 \label{def:e et s}
1034 Let $x \in \big[ 0, 2^{10} \big[$ and:
1035 \begin{itemize}
1036 \item $e_0, \hdots, e_9$ the binary digits of the integral part of $x$:
1037 $\displaystyle{\lfloor x \rfloor = \sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k}$.
1038 \item $(s^k)_{k\in \mathds{N}}$ the digits of $x$, where the chosen decimal
1039 decomposition of $x$ is the one that does not have an infinite number of 9: 
1040 $\displaystyle{x = \lfloor x \rfloor + \sum_{k=0}^{+\infty} s^k 10^{-k-1}}$.
1041 \end{itemize}
1042 $e$ and $s$ are thus defined as follows:
1043 \begin{equation}
1044 \begin{array}{cccl}
1045 e: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \mathds{B}^{10} \\
1046  & x & \longmapsto & (e_0, \hdots, e_9)
1047 \end{array}
1048 \end{equation}
1049 and
1050 \begin{equation}
1051  \begin{array}{cccc}
1052 s: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \llbracket 0, 9
1053 \rrbracket^{\mathds{N}} \\
1054  & x & \longmapsto & (s^k)_{k \in \mathds{N}}
1055 \end{array}
1056 \end{equation}
1057 \end{definition}
1058
1059 We are now able to define the function $g$, whose goal is to translate the
1060 chaotic iterations $\Go$ on an interval of $\mathds{R}$.
1061
1062 \begin{definition}
1063 $g:\big[ 0, 2^{10} \big[ \longrightarrow \big[ 0, 2^{10} \big[$ is defined by:
1064 \begin{equation}
1065 \begin{array}{cccc}
1066 g: & \big[ 0, 2^{10} \big[ & \longrightarrow & \big[ 0, 2^{10} \big[ \\
1067  & x & \longmapsto & g(x)
1068 \end{array}
1069 \end{equation}
1070 where g(x) is the real number of $\big[ 0, 2^{10} \big[$ defined bellow:
1071 \begin{itemize}
1072 \item its integral part has a binary decomposition equal to $e_0', \hdots,
1073 e_9'$, with:
1074  \begin{equation}
1075 e_i' = \left\{
1076 \begin{array}{ll}
1077 e(x)_i & \textrm{ if } i \neq s^0\\
1078 e(x)_i + 1 \textrm{ (mod 2)} & \textrm{ if } i = s^0\\
1079 \end{array}
1080 \right.
1081 \end{equation}
1082 \item whose decimal part is $s(x)^1, s(x)^2, \hdots$
1083 \end{itemize}
1084 \end{definition}
1085
1086 \bigskip
1087
1088
1089 In other words, if $x = \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} e_k + 
1090 \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k} ~10^{-k-1}}$, then:
1091 \begin{equation}
1092 g(x) =
1093 \displaystyle{\sum_{k=0}^{9} 2^{9-k} (e_k + \delta(k,s^0) \textrm{ (mod 2)}) + 
1094 \sum_{k=0}^{+\infty} s^{k+1} 10^{-k-1}}. 
1095 \end{equation}
1096
1097
1098 \subsubsection{Defining a metric on $\big[ 0, 2^{10} \big[$}
1099
1100 Numerous metrics can be defined on the set $\big[ 0, 2^{10} \big[$, the most
1101 usual one being the Euclidian distance recalled bellow:
1102
1103 \begin{notation}
1104 \index{distance!euclidienne}
1105 $\Delta$ is the Euclidian distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$, that is,
1106 $\Delta(x,y) = |y-x|^2$.
1107 \end{notation}
1108
1109 \medskip
1110
1111 This Euclidian distance does not reproduce exactly the notion of proximity
1112 induced by our first distance $d$ on $\X$. Indeed $d$ is finer than $\Delta$.
1113 This is the reason why we have to introduce the following metric:
1114
1115
1116
1117 \begin{definition}
1118 Let $x,y \in \big[ 0, 2^{10} \big[$.
1119 $D$ denotes the function from $\big[ 0, 2^{10} \big[^2$ to $\mathds{R}^+$
1120 defined by: $D(x,y) = D_e\left(e(x),e(y)\right) + D_s\left(s(x),s(y)\right)$,
1121 where:
1122 \begin{center}
1123 $\displaystyle{D_e(E,\check{E}) = \sum_{k=0}^\mathsf{9} \delta (E_k,
1124 \check{E}_k)}$, ~~and~ $\displaystyle{D_s(S,\check{S}) = \sum_{k = 1}^\infty
1125 \dfrac{|S^k-\check{S}^k|}{10^k}}$.
1126 \end{center}
1127 \end{definition}
1128
1129 \begin{proposition}
1130 $D$ is a distance on $\big[ 0, 2^{10} \big[$.
1131 \end{proposition}
1132
1133 \begin{proof}
1134 The three axioms defining a distance must be checked.
1135 \begin{itemize}
1136 \item $D \geqslant 0$, because everything is positive in its definition. If
1137 $D(x,y)=0$, then $D_e(x,y)=0$, so the integral parts of $x$ and $y$ are equal
1138 (they have the same binary decomposition). Additionally, $D_s(x,y) = 0$, then
1139 $\forall k \in \mathds{N}^*, s(x)^k = s(y)^k$. In other words, $x$ and $y$ have
1140 the same $k-$th decimal digit, $\forall k \in \mathds{N}^*$. And so $x=y$.
1141 \item $D(x,y)=D(y,x)$.
1142 \item Finally, the triangular inequality is obtained due to the fact that both
1143 $\delta$ and $\Delta(x,y)=|x-y|$ satisfy it.
1144 \end{itemize}
1145 \end{proof}
1146
1147
1148 The convergence of sequences according to $D$ is not the same than the usual
1149 convergence related to the Euclidian metric. For instance, if $x^n \to x$
1150 according to $D$, then necessarily the integral part of each $x^n$ is equal to
1151 the integral part of $x$ (at least after a given threshold), and the decimal
1152 part of $x^n$ corresponds to the one of $x$ ``as far as required''.
1153 To illustrate this fact, a comparison between $D$ and the Euclidian distance is
1154 given Figure \ref{fig:comparaison de distances}. These illustrations show that
1155 $D$ is richer and more refined than the Euclidian distance, and thus is more
1156 precise.
1157
1158
1159 \begin{figure}[t]
1160 \begin{center}
1161   \subfigure[Function $x \to dist(x;1,234) $ on the interval
1162 $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien.pdf}}\quad
1163   \subfigure[Function $x \to dist(x;3) $ on the interval
1164 $(0;5)$.]{\includegraphics[scale=.35]{DvsEuclidien2.pdf}}
1165 \end{center}
1166 \caption{Comparison between $D$ (in blue) and the Euclidian distane (in green).}
1167 \label{fig:comparaison de distances}
1168 \end{figure}
1169
1170
1171
1172
1173 \subsubsection{The semiconjugacy}
1174
1175 It is now possible to define a topological semiconjugacy between $\mathcal{X}$
1176 and an interval of $\mathds{R}$:
1177
1178 \begin{theorem}
1179 Chaotic iterations on the phase space $\mathcal{X}$ are simple iterations on
1180 $\mathds{R}$, which is illustrated by the semiconjugacy of the diagram bellow:
1181 \begin{equation*}
1182 \begin{CD}
1183 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right) @>G_{f_0}>>
1184 \left(~\mathcal{S}_{10} \times\mathds{B}^{10}, d~\right)\\
1185     @V{\varphi}VV                    @VV{\varphi}V\\
1186 \left( ~\big[ 0, 2^{10} \big[, D~\right)  @>>g> \left(~\big[ 0, 2^{10} \big[,
1187 D~\right)
1188 \end{CD}
1189 \end{equation*}
1190 \end{theorem}
1191
1192 \begin{proof}
1193 $\varphi$ has been constructed in order to be continuous and onto.
1194 \end{proof}
1195
1196 In other words, $\mathcal{X}$ is approximately equal to $\big[ 0, 2^\mathsf{N}
1197 \big[$.
1198
1199
1200
1201
1202
1203
1204 \subsection{Study of the chaotic iterations described as a real function}
1205
1206
1207 \begin{figure}[t]
1208 \begin{center}
1209   \subfigure[ICs on the interval
1210 $(0,9;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs09a1.pdf}}\quad
1211   \subfigure[ICs on the interval
1212 $(0,7;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs07a95.pdf}}\\
1213   \subfigure[ICs on the interval
1214 $(0,5;1)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs05a1.pdf}}\quad
1215   \subfigure[ICs on the interval
1216 $(0;1)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs0a1.pdf}}
1217 \end{center}
1218 \caption{Representation of the chaotic iterations.}
1219 \label{fig:ICs}
1220 \end{figure}
1221
1222
1223
1224
1225 \begin{figure}[t]
1226 \begin{center}
1227   \subfigure[ICs on the interval
1228 $(510;514)$.]{\includegraphics[scale=.35]{ICs510a514.pdf}}\quad
1229   \subfigure[ICs on the interval
1230 $(1000;1008)$]{\includegraphics[scale=.35]{ICs1000a1008.pdf}}
1231 \end{center}
1232 \caption{ICs on small intervals.}
1233 \label{fig:ICs2}
1234 \end{figure}
1235
1236 \begin{figure}[t]
1237 \begin{center}
1238   \subfigure[ICs on the interval
1239 $(0;16)$.]{\includegraphics[scale=.3]{ICs0a16.pdf}}\quad
1240   \subfigure[ICs on the interval 
1241 $(40;70)$.]{\includegraphics[scale=.45]{ICs40a70.pdf}}\quad
1242 \end{center}
1243 \caption{General aspect of the chaotic iterations.}
1244 \label{fig:ICs3}
1245 \end{figure}
1246
1247
1248 We have written a Python program to represent the chaotic iterations with the
1249 vectorial negation on the real line $\mathds{R}$. Various representations of
1250 these CIs are given in Figures \ref{fig:ICs}, \ref{fig:ICs2} and \ref{fig:ICs3}.
1251 It can be remarked that the function $g$ is a piecewise linear function: it is
1252 linear on each interval having the form $\left[ \dfrac{n}{10},
1253 \dfrac{n+1}{10}\right[$, $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$ and its
1254 slope is equal to 10. Let us justify these claims:
1255
1256 \begin{proposition}
1257 \label{Prop:derivabilite des ICs}
1258 Chaotic iterations $g$ defined on $\mathds{R}$ have derivatives of all orders on
1259 $\big[ 0, 2^{10} \big[$, except on the 10241 points in $I$ defined by $\left\{
1260 \dfrac{n}{10} ~\big/~ n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10\rrbracket \right\}$.
1261
1262 Furthermore, on each interval of the form $\left[ \dfrac{n}{10},
1263 \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$,
1264 $g$ is a linear function, having a slope equal to 10: $\forall x \notin I,
1265 g'(x)=10$.
1266 \end{proposition}
1267
1268
1269 \begin{proof}
1270 Let $I_n = \left[ \dfrac{n}{10}, \dfrac{n+1}{10}\right[$, with $n \in \llbracket
1271 0;2^{10}\times 10 \rrbracket$. All the points of $I_n$ have the same integral
1272 prat $e$ and the same decimal part $s^0$: on the set $I_n$,  functions $e(x)$
1273 and $x \mapsto s(x)^0$ of Definition \ref{def:e et s} only depend on $n$. So all
1274 the images $g(x)$ of these points $x$:
1275 \begin{itemize}
1276 \item Have the same integral part, which is $e$, except probably the bit number
1277 $s^0$. In other words, this integer has approximately the same binary
1278 decomposition than $e$, the sole exception being the digit $s^0$ (this number is
1279 then either $e+2^{10-s^0}$ or $e-2^{10-s^0}$, depending on the parity of $s^0$,
1280 \emph{i.e.}, it is equal to $e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}$).
1281 \item A shift to the left has been applied to the decimal part $y$, losing by
1282 doing so the common first digit $s^0$. In other words, $y$ has been mapped into
1283 $10\times y - s^0$.
1284 \end{itemize}
1285 To sum up, the action of $g$ on the points of $I$ is as follows: first, make a
1286 multiplication by 10, and second, add the same constant to each term, which is
1287 $\dfrac{1}{10}\left(e+(-1)^{s^0}\times 2^{10-s^0}\right)-s^0$.
1288 \end{proof}
1289
1290 \begin{remark}
1291 Finally, chaotic iterations are elements of the large family of functions that
1292 are both chaotic and piecewise linear (like the tent map).
1293 \end{remark}
1294
1295
1296
1297 \subsection{Comparison of the two metrics on $\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[$}
1298
1299 The two propositions bellow allow to compare our two distances on $\big[ 0,
1300 2^\mathsf{N} \big[$:
1301
1302 \begin{proposition}
1303 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,\Delta~\right) \to \left(~\big[ 0,
1304 2^\mathsf{N} \big[, D~\right)$ is not continuous. 
1305 \end{proposition}
1306
1307 \begin{proof}
1308 The sequence $x^n = 1,999\hdots 999$ constituted by $n$ 9 as decimal part, is
1309 such that:
1310 \begin{itemize}
1311 \item $\Delta (x^n,2) \to 0.$
1312 \item But $D(x^n,2) \geqslant 1$, then $D(x^n,2)$ does not converge to 0.
1313 \end{itemize}
1314
1315 The sequential characterization of the continuity concludes the demonstration.
1316 \end{proof}
1317
1318
1319
1320 A contrario:
1321
1322 \begin{proposition}
1323 Id: $\left(~\big[ 0, 2^\mathsf{N} \big[,D~\right) \to \left(~\big[ 0,
1324 2^\mathsf{N} \big[, \Delta ~\right)$ is a continuous fonction. 
1325 \end{proposition}
1326
1327 \begin{proof}
1328 If $D(x^n,x) \to 0$, then $D_e(x^n,x) = 0$ at least for $n$ larger than a given
1329 threshold, because $D_e$ only returns integers. So, after this threshold, the
1330 integral parts of all the $x^n$ are equal to the integral part of $x$. 
1331
1332 Additionally, $D_s(x^n, x) \to 0$, then $\forall k \in \mathds{N}^*, \exists N_k
1333 \in \mathds{N}, n \geqslant N_k \Rightarrow D_s(x^n,x) \leqslant 10^{-k}$. This
1334 means that for all $k$, an index $N_k$ can be found such that, $\forall n
1335 \geqslant N_k$, all the $x^n$ have the same $k$ firsts digits, which are the
1336 digits of $x$. We can deduce the convergence $\Delta(x^n,x) \to 0$, and thus the
1337 result.
1338 \end{proof}
1339
1340 The conclusion of these propositions is that the proposed metric is more precise
1341 than the Euclidian distance, that is:
1342
1343 \begin{corollary}
1344 $D$ is finer than the Euclidian distance $\Delta$.
1345 \end{corollary}
1346
1347 This corollary can be reformulated as follows:
1348
1349 \begin{itemize}
1350 \item The topology produced by $\Delta$ is a subset of the topology produced by
1351 $D$.
1352 \item $D$ has more open sets than $\Delta$.
1353 \item It is harder to converge for the topology $\tau_D$ inherited by $D$, than
1354 to converge with the one inherited by $\Delta$, which is denoted here by
1355 $\tau_\Delta$.
1356 \end{itemize}
1357
1358
1359 \subsection{Chaos of the chaotic iterations on $\mathds{R}$}
1360 \label{chpt:Chaos des itérations chaotiques sur R}
1361
1362
1363
1364 \subsubsection{Chaos according to Devaney}
1365
1366 We have recalled previously that the chaotic iterations $\left(\Go,
1367 \mathcal{X}_d\right)$ are chaotic according to the formulation of Devaney. We
1368 can deduce that they are chaotic on $\mathds{R}$ too, when considering the order
1369 topology, because:
1370 \begin{itemize}
1371 \item $\left(\Go, \mathcal{X}_d\right)$ and $\left(g, \big[ 0, 2^{10}
1372 \big[_D\right)$ are semiconjugate by $\varphi$,
1373 \item Then $\left(g, \big[ 0, 2^{10} \big[_D\right)$ is a system chaotic
1374 according to Devaney, because the semiconjugacy preserve this character.
1375 \item But the topology generated by $D$ is finer than the topology generated by
1376 the Euclidian distance $\Delta$ -- which is the order topology.
1377 \item According to Theorem \ref{Th:chaos et finesse}, we can deduce that the
1378 chaotic iterations $g$ are indeed chaotic, as defined by Devaney, for the order
1379 topology on $\mathds{R}$.
1380 \end{itemize}
1381
1382 This result can be formulated as follows.
1383
1384 \begin{theorem}
1385 \label{th:IC et topologie de l'ordre}
1386 The chaotic iterations $g$ on $\mathds{R}$ are chaotic according to the
1387 Devaney's formulation, when $\mathds{R}$ has his usual topology, which is the
1388 order topology.
1389 \end{theorem}
1390
1391 Indeed this result is weaker than the theorem establishing the chaos for the
1392 finer topology $d$. However the Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre}
1393 still remains important. Indeed, we have studied in our previous works a set
1394 different from the usual set of study ($\mathcal{X}$ instead of $\mathds{R}$),
1395 in order to be as close as possible from the computer: the properties of
1396 disorder proved theoretically will then be preserved when computing. However, we
1397 could wonder whether this change does not lead to a disorder of a lower quality.
1398 In other words, have we replaced a situation of a good disorder lost when
1399 computing, to another situation of a disorder preserved but of bad quality.
1400 Theorem \ref{th:IC et topologie de l'ordre} prove exactly the contrary.
1401  
1402
1403
1404
1405
1406
1407
1408
1409 \section{Conclusion}
1410 \bibliographystyle{plain}
1411 \bibliography{mabase}
1412 \end{document}