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[rairo15.git] / Equivalence.tex
1 %%%%%%%% Sample LaTeX input for Complex Systems %%%%%%%%%%% 
2 %
3 % This is a LaTeX input file  
4 % Text following % on a particular line is treated as a comment, and 
5 % ignored by LaTeX.  
6 % You do not need to type any text that follows a % 
7
8 \documentclass{article}
9
10 \usepackage{epsf}
11 \usepackage{complex-systems}
12 \usepackage{amsmath}
13 \usepackage{amsfonts}
14 \usepackage{amssymb}
15 \usepackage{algorithm}
16 \usepackage{algorithmic}
17 \usepackage[utf8]{inputenc}
18 \usepackage{color}
19 \usepackage{framed}
20
21 % complex-systems.sty is the special macro package for Complex Systems.
22 % epsf.sty is the preferred graphics import method
23
24 % complex-systems.sty defines the following defaults:
25 % \newtheorem{theorem}{Theorem}
26 % \newtheorem{lemma}{Lemma}
27 % \newtheorem{corollary}{Corollary}
28 % \newtheorem{example}{Example}
29 % \newtheorem{proposition}{Proposition}
30
31 %%% Personal definitions
32 \newcommand{\Alg}[1]{Algorithm~\ref{#1}}
33 \newcommand{\Sec}[1]{Section~\ref{#1}}
34 \newcommand{\Equ}[1]{Equ.(\ref{#1})}
35 \newcommand{\Prop}[1]{Prop.~\ref{#1}}
36 \newcommand{\Th}[1]{Theorem~\ref{#1}}
37 \newcommand{\Fig}[1]{Fig.~\ref{#1}}
38 \newcommand{\Def}[1]{Def.~\ref{#1}}
39
40 \newcommand{\astep}{\stackrel{a.s}{\mapsto}}
41 \newcommand{\alead}{\stackrel{a.i}{\leadsto}}
42 \newcommand{\aconv}{\stackrel{a.cv}{\Longrightarrow}}
43 \newcommand{\notaconv}{\stackrel{a.cv}{\Longrightarrow}\hspace{-5mm}/\hspace{3.2mm}}
44 \newcommand{\boolprod}{\stackrel{\sim}{\prod}}
45 \newcommand{\cycle}{Cycle}
46 \newcommand{\pcycle}{p\_Cyc}
47 \newcommand{\sub}{S}
48
49 \def\N{\mathbb{N}}
50 \def\R{\mathbb{R}}
51
52 \definecolor{shadecolor}{rgb}{0.95,0.95,0.95}
53 \newenvironment{Algo}{\begin{center}\begin{minipage}[h]{0.95\columnwidth}\begin{shaded}\begin{tabbing}%
54   \hspace{3mm}\=\hspace{3mm}\=\hspace{3mm}\=\hspace{3mm}\=\hspace{3mm}\=\hspace{3mm}\=\hspace{3mm}\= \kill} %
55  { \end{tabbing}\vspace{-1em}\end{shaded}\end{minipage}\end{center}\vspace{-1em}}
56
57 %%%
58 %%% MAIN DOCUMENT
59 %%%
60 \begin{document}
61
62
63 % The format for a general title is slightly complicated; 
64 % here first is a comment giving a simple example: %
65 % \title{Sample Paper for Complex Systems} 
66 % \author{\authname{First Author}\\[2pt]
67 % \authadd{University Department, University Name, Address,}\\ 
68 % \authadd{City, State ZIP/Zone, Country}\\ 
69 % \authadd{and}\\
70 % \authadd{Group, Company, Address, City, State ZIP/Zone, Country}\\ 
71 % \and 
72 % \authname{Second Author}\\ 
73 % \authname{Third Author}\\ 
74 % \authname{Fourth Author}\\[2pt]
75 % \authadd{Group, Laboratory, Address, City, State ZIP/Zone, Country} 
76 % }
77 % \markboth{F. Author, S. Author, T. Author, and F. Author}
78 % {Sample Paper for Complex Systems}
79 % \maketitle 
80
81 % Here is a more complete case:
82
83 \title{Transformation of Asynchronous System with Delays to Asynchronous System
84   without Delays} 
85 % Use \\ to indicate line breaks in titles longer than about 
86 % 55 characters. 
87 % Lines throughout the title section should be broken so that 
88 % successive lines are progressively shorter. 
89 % Use \thanks for footnotes to the title. Put acknowledgments at the 
90 % end of the paper. 
91 %
92 % \thanks{The title serves as a headline for the paper: many readers 
93 % use it to decide whether to look at the paper. Avoid excessively 
94 % general, technical, or cutesy titles. Questions are acceptable as 
95 % titles. Capitalize the first letters of important words only. 
96 % Funding and personal acknowledgments go at the end of the paper. 
97 % Use footnotes to the title only for statements such as ``This paper 
98 % was based on a talk given at the conference on$\ldots$'' or ``Part 1 
99 % in this series of papers appeared in$\ldots$''}}
100
101 \author{\authname{Sylvain Contassot-Vivier% 
102 \thanks{Electronic mail address: contasss@loria.fr}}
103 \\[2pt] 
104 % Use \\[2pt] to end the line and add space between author and affiliation 
105 \authadd{Loria UMR 7503, Université Lorraine}\\ 
106 \authadd{Campus Scientifique - BP 239}\\
107 \authadd{54506 Vandoeuvre-lès-Nancy, France}
108 %\thanks{Give complete affiliation and mailing address, including 
109 %country. Capitalize important words and proper names only. (Use 
110 %standard two-letter abbreviations for state names.) For foreign 
111 %addresses, give as much as possible in English. }\\ 
112 %\authadd{and}\\ 
113 %\authadd{Group, Company, Address, City, State ZIP/Zone, Country}\\ 
114 %\and
115 % precede the second set of authors with \and.
116 %\authname{Second Author} \\ 
117 %\authname{Third Author}\\ 
118 %\authname{Fourth Author}\\[2pt]
119 % Each author name goes on a separate line. 
120 %\authadd{Group, Laboratory, Address, City, State ZIP/Zone, Country} 
121 % Put no ``.'' at the end of any address. 
122 }
123
124 \maketitle    
125 % End title section
126
127 % The following specifies the running headings 
128 \markboth{S. Contassot-Vivier}{Equivalence between asynchronous systems} 
129
130 % Each running heading should be less than about 50 characters long. 
131 % If necessary, give a shortened version of the title. Do not use 
132 % abbreviations. 
133 %
134 % If they will fit, include complete author names; otherwise use 
135 % initials only. If abbreviated names do not fit, truncate the author 
136 % list and end with ``and others''.
137
138 \begin{abstract} 
139   This  paper presents  a  transformation process  of  any asynchronous  complex
140   system with  delays to an  equivalent asynchronous system without  delays. The
141   interest of such equivalence lies in the suppression of the history dependency
142   of the system in  its evolution. This has an important impact  on the study of
143   the dynamic of  the system.  The equivalence is  illustrated on representative
144   examples and  the gain is pointed  out by a comparison  between algorithms for
145   attraction basin determination.
146 \end{abstract}
147
148 % The text of the paper follows. It is usually easiest to put 
149 % everything in the same file. The file may however need to be 
150 % split for some computer mail systems. 
151 % Automatic section numbering in the LaTeX source is encouraged, 
152 % but is not essential.
153
154 \section{Introduction} 
155 \label{intro}
156
157 The different models of complex systems  are essential in the study of many real
158 life  systems,  whatever  they  are  natural or  man-made.   % As  a  particularly
159 % interesting example,  parallel iterative algorithms  play a central role  in the
160 % domain of scientific computation and simulation. Indeed, such algorithms are the
161 % key to high accuracy and  large scale simulations of complex phenomena.
162 In  this paper,  we  focus  on the  discrete-time  discrete-state systems.   The
163 discrete nature  of the  states is not  a limitation  of the model  according to
164 potential  applications in computer  science as  current computers  actually use
165 discrete  number representations.  However,  the study  of their  behavior stays
166 difficult, especially due to the fast combinatorial explosion in possible states
167 of such  systems. Moreover,  different models exist  that can take  into account
168 some specific  behaviors such as asynchrony  between the elements  of the system
169 and  also  communication delays  between  the  elements.  Such models  are  very
170 interesting because  they are among  the most general  ones. However, it  is yet
171 harder to study them, especially  the ones including communication delays due to
172 the dependence of the history of the system in its evolution.
173
174 In this paper,  we propose an equivalence between  asynchronous systems with and
175 without  communication delays.   The  interest  of such  an  equivalence is  the
176 possibility  to reduce  the complexity  of the  behavior study  of  systems with
177 delays.  In fact, the  history of the system is no more  required to explore its
178 possible evolutions  and this represents  a great simplification.   Moreover, it
179 allows the use of the same  theoretical results and tools as for systems without
180 delays.
181
182 The next  section presents the  standard formulation of complex  systems, recall
183 the main  asynchronous modes that are  usually studied and  details the specific
184 model we focus on.  In  \Sec{sec:transfo}, the theoretical result of equivalence
185 between asynchronism  with delays and asynchronism without  delays is presented.
186 Then,  some  representative examples  are  given  in  \Sec{sec:ex}.  Finally,  a
187 comparison of attraction  basin determination between the two  formulations of a
188 given system is performed in \Sec{sec:comp}.
189
190 \section{Asynchronous complex systems}
191 \label{sec:base}
192
193 \subsection{Notations}
194 \label{sec:notations}
195
196 Classically, a complex  system is composed of $n$  elements.  Each element $x_i$
197 takes its value in the set $E_i$ and  the global value of the system is then the
198 collection of  the states of all the  elements $x=(x_1,...x_n)$ in the  set $E =
199 \prod_{i=1}^nE_i$.   The  dynamics of  the  system  is  given by  the  evolution
200 functions $f_i$ respectively associated to the $x_i$. Here again, the collection
201 of the  individual functions forms the  global evolution function  of the system
202 $f=(f_1,f_2,...,f_n)$.   Each $f_i$  may  be  general and  can  be expressed  as
203 algorithms  taking as  input the  values  of the  components in  the system  and
204 yielding one  value in $E_i$.   This feature is  very important as it  implies a
205 larger generality than specific systems  such as cellular automata. Finally, the
206 system evolves during  discrete time $t$ (also called  iterations) and the state
207 at time $t$ is denoted by $x^{t}=(x_1^t,...,x_n^t)$.
208
209 The synchronous dynamics of such a system is given by \Alg{algo:sync}.
210 \begin{algorithm}[h]
211   \caption{Synchronous system}
212   \label{algo:sync}
213   \begin{Algo}
214     Given an initial state $x^{0}=(x_{1}^{0},...,x_{n}^{0})$\\
215     \textbf{for} $t=0,1,...$\\
216     \>\textbf{for} $i=1,...,n$\\
217     \>\>$x_{i}^{t+1} = f_i(x^{t}) = f_i(x_1^t,x_2^t, ...,x_n^t)$\\
218     \>\textbf{endfor}\\
219     \textbf{endfor}
220   \end{Algo}
221 \end{algorithm}
222
223 \subsection{Asynchronous mode}
224 \label{sec:opmodes}
225
226 Classically, different models of asynchronism  are used depending on the way the
227 communications      are       managed      and      the       updatings      are
228 performed~\cite{Rob86,BT89,HM93}.   In   this  study,  we   consider  the  fully
229 asynchronous mode with delays according to \Alg{algo:async}.
230
231 \begin{algorithm}[h]
232   \caption{Asynchronous system}
233   \label{algo:async}
234   \begin{Algo}
235     Given an initial state $x^{0}=(x_{1}^{0},...,x_{n}^{0})$\\
236     \textbf{for} $t=0,1,...$\\
237     \>\textbf{for} $i=1,...,n$\\
238     \>\>\textbf{if} $i\in J(t)$ \textbf{then}\\
239     \>\>\>$x_{i}^{t+1} = f_i(x_1^{t-d_1^i(t)},x_2^{t-d_2^i(t)}, ...,x_n^{t-d_n^i(t)})$\\
240     \>\>\textbf{else}\\
241     \>\>\>$x_{i}^{t+1} = x_i^t$\\
242     \>\>\textbf{endif}\\
243     \>\textbf{endfor}\\
244     \textbf{endfor}
245   \end{Algo}
246 \end{algorithm}
247
248 In  this algorithm, $J(t)$  is the  subset of  elements of  the system  that are
249 updated at time $t$ and $d_j^i(t)$ is  the delay of element $j$ according to $i$
250 at  time $t$. So,  $d_j^i(t)$ represents  the number  of iterations  between the
251 production of  the value of $x_j$ and  its reception on element  $i$.  When this
252 value is 0, then there is no delay and element $i$ uses the value of element $j$
253 at the previous iteration.  Although  $d_j^i(t)$ is not bounded, it is generally
254 assumed  that  the  versions of  values  received  on  each element  follow  the
255 evolution       of       the      system,       that       is      to       say:
256 $\lim_{t\rightarrow\infty}t-d_{j}^{i}(t)  =\infty$.   Moreover,  the  \emph{fair
257   sampling} condition  is also  supposed.  It assumes  that all the  element are
258 regularly updated:  $\forall i\in\left\{ 1,...,n\right\}  ,\left| \left\{ t,i\in
259     J(t)\right\} \right| =\infty$.
260
261 \section{Transformation Process }
262 \label{sec:transfo}
263
264 \section{Representative Examples}
265 \label{sec:ex}
266
267 \section{Comparison of Attraction Basin Determination}
268 \label{sec:comp}
269
270 \section*{Acknowledgments}
271
272 \bibliographystyle{plain}
273 \bibliography{biblio}
274 %\begin{thebibliography}{99}
275 % The number of 9s indicates how wide the reference 
276 % numbers must hang for all references to be aligned properly.
277
278 % \bibitem{a-review}
279 % % ``a-review'' is just a sample tag: use a tag that describes the 
280 % % paper; or perhaps just use numerical tags.
281 % First Author and Second Author, ``A Review Article,'' \textit{Full Name
282 % of Journal}, \textbf{volume} (date) page--page.
283 % % Use \textit{...} for italics, \textbf{...} for boldface.
284 % % Do not explicitly use the word ``volume''
285 % % The full year (e.g., 1991) should be used for the date.
286 % % Use -- to get an appropiate dash between page numbers.
287
288 %\end{thebibliography}
289
290 \end{document}
291
292
293
294