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#### Sequent calculus proof systems for inductive definitions

Brotherston, James January 2006 (has links)
Inductive definitions are the most natural means by which to represent many families of structures occurring in mathematics and computer science, and their corresponding induction / recursion principles provide the fundamental proof techniques by which to reason about such families. This thesis studies formal proof systems for inductive definitions, as needed, e.g., for inductive proof support in automated theorem proving tools. The systems are formulated as sequent calculi for classical first-order logic extended with a framework for (mutual) inductive definitions. The default approach to reasoning with inductive definitions is to formulate the induction principles of the inductively defined relations as suitable inference rules or axioms, which are incorporated into the reasoning framework of choice. Our first system LKID adopts this direct approach to inductive proof, with the induction rules formulated as rules for introducing atomic formulas involving inductively defined predicates on the left of sequents. We show this system to be sound and cut-free complete with respect to a natural class of Henkin models. As a corollary, we obtain cut-admissibility for LKID. The well-known method of infinite descent `a la Fermat, which exploits the fact that there are no infinite descending chains of elements of well-ordered sets, provides an alternative approach to reasoning with inductively defined relations. Our second proof system LKIDw formalises this approach. In this system, the left-introduction rules for formulas involving inductively defined predicates are not induction rules but simple case distinction rules, and an infinitary, global soundness condition on proof trees — formulated in terms of “traces” on infinite paths in the tree — is required to ensure soundness. This condition essentially ensures that, for every infinite branch in the proof, there is an inductive definition that is unfolded infinitely often along the branch. By an infinite descent argument based upon the well-foundedness of inductive definitions, the infinite branches of the proof can thus be disregarded, whence the remaining portion of proof is well-founded and hence sound. We show this system to be cutfree complete with respect to standard models, and again infer the admissibility of cut. The infinitary system LKIDw is unsuitable for formal reasoning. However, it has a natural restriction to proofs given by regular trees, i.e. to those proofs representable by finite graphs. This restricted “cyclic” proof system, CLKIDw, is suitable for formal reasoning since proofs have finite representations and the soundness condition on proofs is thus decidable. We show how the formulation of our systems LKIDw and CLKIDw can be generalised to obtain soundness conditions for a general class of infinite proof systems and their corresponding cyclic restrictions. We provide machinery for manipulating and analysing the structure of proofs in these essentially arbitrary cyclic systems, based primarily on viewing them as generating regular infinite trees, and we show that any proof can be converted into an equivalent proof with a restricted cycle structure. For proofs in this “cycle normal form”, a finitary, localised soundness condition exists that is strictly stronger than the general, infinitary soundness condition, but provides more explicit information about the proof. Finally, returning to the specific setting of our systems for inductive definitions, we show that any LKID proof can be transformed into a CLKIDw proof (that, in fact, satisfies the finitary soundness condition). We conjecture that the two systems are in fact equivalent, i.e. that proof by induction is equivalent to regular proof by infinite descent.
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#### Interaction entre algèbre linéaire et analyse en formalisation des mathématiques / Interaction between linear algebra and analysis in formal mathematics

Cano, Guillaume 04 April 2014 (has links)
Dans cette thèse nous présentons la formalisation de trois résultats principaux que sont la forme normale de Jordan d’une matrice, le théorème de Bolzano-Weierstraß et le théorème de Perron-Frobenius. Pour la formalisation de la forme normale de Jordan nous introduisons différents concepts d’algèbre linéaire tel que les matrices diagonales par blocs, les matrices compagnes, les facteurs invariants, ... Ensuite nous définissons et développons une théorie sur les espaces topologiques et métriques pour la formalisation du théorème de Bolzano-Weierstraß. La formalisation du théorème de Perron-Frobenius n’est pas terminée. La preuve de ce théorème utilise des résultats d’algèbre linéaire, mais aussi de topologie. Nous montrerons comment les précédents résultats seront réutilisés. / In this thesis we present the formalization of three principal results that are the Jordan normal form of a matrix, the Bolzano-Weierstraß theorem, and the Perron-Frobenius theorem. To formalize the Jordan normal form, we introduce many concepts of linear algebra like block diagonal matrices, companion matrices, invariant factors, ... The formalization of Bolzano-Weierstraß theorem needs to develop some theory about topological space and metric space. The Perron-Frobenius theorem is not completly formalized. The proof of this theorem uses both algebraic and topological results. We will show how we reuse the previous results.
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#### Algèbres de Kleene, réécriture modulo AC et circuits en coq / Kleene algebra, Rewriting modulo AC and Circuits in Coq.

Braibant, Thomas 17 February 2012 (has links)
Cette thèse décrit trois travaux de formalisation en Coq. Le premier chapitre s'intéresse à l'implémentation d'une procédure de décision efficace pour les algèbres de Kleene, pour lesquelles le modèle des langages réguliers est initial : il est possible de décider la théorie équationelle des algèbres de Kleene via la construction et la comparaison d'automates finis. Le second chapitre est consacré à la définition de tactiques pour la réécriture modulo associativité et commutativité en utilisant deux composants : une procédure de décision réflexive pour l'égalité modulo AC, ainsi qu'un greffon OCaml implémentant le filtrage modulo AC. Le dernier chapitre esquisse une formalisation des circuits digitaux via un plongement profond utilisant les types dépendants de Coq ; on s'intéresse ensuite à prouver la correction totale de circuits paramétriques. / This thesis describe three formalisations in Coq. The first chapter is devoted to the implementation of an efficient decision procedure for Kleene algebras : as regular languages form the initial model of Kleene algebras, we can resort to finite automata algorithms to solve equations in an arbitrary Kleene algebra. The second chapter present a set of tools for rewriting modulo associativity and commutativity built using two components: a reflexive decision procedure for equality modulo AC and an OCaml plug-in for pattern matching modulo AC. The third chapter defines a deep-embedding of hardware circuits using dependent types that is used to model and prove the functional correctness of parametrised circuits.
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#### Formal models and verification of memory management in a hypervisor / Modèles formels et vérification de la gestion de la mémoire dans un hyperviseur

Bolignano, Pauline 24 May 2017 (has links)
Un hyperviseur est un logiciel qui virtualise les ressources d'une machine physique pour permettre à plusieurs systèmes d'exploitation invités de s'exécuter simultanément dessus. L'hyperviseur étant le gestionnaire des ressources, un bug peut être critique pour les systèmes invités. Dans cette thèse nous nous intéressons aux propriétés d'isolation de la mémoire d'un hyperviseur de type 1, qui virtualise la mémoire en utilisant des Shadow Page Tables. Plus précisément, nous présentons un modèle concret et un modèle abstrait de l'hyperviseur, et nous prouvons formellement que les systèmes d'exploitation invités ne peuvent pas altérer ou accéder aux données privées des autres s'ils n'en ont pas la permission. Nous utilisons le langage et l'assistant de preuve développés par Prove & Run pour ce faire. Le modèle concret comporte beaucoup d'optimisations, qui rendent les structures de données et les algorithmes complexes, il est donc difficile de raisonner dessus. C'est pourquoi nous construisons un modèle abstrait dans lequel il est plus facile de raisonner. Nous prouvons les propriétés sur le modèle abstrait, et nous prouvons formellement sa correspondance avec le modèle concret, de telle manière que les preuves sur le modèle abstrait s'appliquent au modèle concret. La preuve correspondance n'est valable que pour des états concrets qui respectent certaines propriétés, nous prouvons que ces propriétés sont des invariants du système concret. La preuve s'articule donc en trois phases : la preuve d'invariants au niveau concret, la preuve de correspondance entre les modèles abstraits et concret, et la preuve des propriétés de sécurité au niveau abstrait. / A hypervisor is a software which virtualizes hardware resources, allowing several guest operating systems to run simultaneously on the same machine. Since the hypervisor manages the access to resources, a bug can be critical for the guest Oses. In this thesis, we focus on memory isolation properties of a type 1 hypervisor, which virtualizes memory using Shadow Page Tables. More precisely, we present a low-level and a high-level model of the hypervisor, and we formally prove that guest OSes cannot access or tamper with private data of other guests, unless they have the authorization to do so. We use the language and the proof assistant developed by Prove & Run. There are many optimizations in the low-level model, which makes the data structures and algorithms complexes. It is therefore difficult to reason on such a model. To circumvent this issue, we design an abstract model in which it is easier to reason. We prove properties on the abstract model, and we prove its correspondence with the low-level model, in such a way that properties proved on the abstract model also hold for the low-level model. The correspondence proof is valid only for low-level states which respect some properties. We prove that these properties are invariants of the low-level system. The proof can be divided into three parts : the proof of invariants preservation on the low-level, the proof of correspondence between abstract and low-level models, and proof of the security properties on the abstract level.
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#### Méthodes et outils pour la spécification et la preuve de propriétés difficiles de programmes séquentiels / Methods and tools for specification and proof of difficult properties of sequential programs

Clochard, Martin 30 March 2018 (has links)
Cette thèse se positionne dans le domaine de la vérification déductive de programmes, qui consiste à transformer une propriété à vérifier sur un programme en un énoncé logique, pour ensuite démontrer cet énoncé. La vérification effective d'un programme peut poser de nombreuses difficultés pratiques. En fait, les concepts mis en jeu derrière le programme peuvent suffire à faire obstacle à la vérification. En effet, certains programmes peuvent être assez courts et n'utiliser que des constructions simples, et pourtant s'avérer très difficiles à vérifier. Cela nous amène à la question suivante: dans le contexte d'un environnement de vérification déductive de programmes basé sur les démonstrateurs automatiques, quelles méthodes appliquer pour réduire l'effort nécessaire à la fois pour spécifier des comportements attendus complexes, ainsi que pour démontrer qu'un programme respecte ces comportements attendus? Pour mener notre étude, nous nous sommes placés dans le cadre de l'environnement de vérification déductive de programmes Why3. La vérification de programmes en Why3 est basée sur la génération de conditions de vérification, et l'usage de démonstrateurs externes pour les prouver, que ces démonstrateurs soient automatiques ou interactifs. Nous avons développé plusieurs méthodes, certaines générales et d'autres spécifiques à des classes de programmes, pour réduire l'effort manuel. Nos contributions sont les suivantes. Tout d'abord, nous ajoutons des fonctionnalités à Why3 pour assister le processus de vérification, notamment un mécanisme léger de preuve déclarative basé sur la notion d'indicateurs de coupures. Ensuite, nous présentons une méthode de vérification d'absence de débordement arithmétique pour une classe d'utilisation des entiers difficile à traiter par les méthodes standards. Enfin, nous nous intéressons au développement d'une bibliothèque générique pour la spécification et la preuve de programmes générateurs de code. / This thesis is set in the domain of deductive verification of programs, which consists of transforming a property to be verified about a program into a logical statement, and then proving this statement. Effective verification of a program can pose many practical difficulties. In fact, the concepts behind the program may be sufficient to impede verification. Indeed, some programs can be quite short and use only simple constructions, and yet prove very difficult to verify. This leads us to the following question: in the context of a deductive program verification environment based on automatic provers, what methods can be applied to reduce the effort required both to specify complex behaviors, as well as to prove that a program respects these expected behaviors? To carry out our study, we placed ourselves in the context of the deductive verification environment of programs Why3. The verification of programs in Why3 is based on the generation of verification conditions, and the use of external provers to prove them, whether these provers are automatic or interactive. We have developed several methods, some general and others specific to some program classes, to reduce manual effort. Our contributions are as follows. First, we add features to Why3 to assist the verification process, including a lightweight declarative proof mechanism based on the notion of cut indicators. Then we present a method for checking the absence of arithmetic overflow, for use cases which are difficult to process by standard methods. Finally, we are interested in the development of a generic library for the specification and proof of code generating programs.
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#### Investigations in Computer-Aided Mathematics : Experimentation, Computation, and Certification / Investigations en Mathématiques Assistées par Ordinateur : Expérimentation, Calcul et Certification

Sibut Pinote, Thomas 04 December 2017 (has links)
Cette thèse propose trois contributions aux preuves mathématiques assistées par ordinateur. On s'intéresse non seulement aux preuves reposant sur le calcul, mais aussi aux preuves formelles, qui sont àla fois produites et vérifiées à l'aide d'un logiciel appelé assistant à la preuve.Dans la première partie, nous illustrons le thème de l'expérimentation au service de la preuve en nous intéressant au problème de la complexité des algorithmes de multiplication matricielle. Cette question a historiquement été posée de manière de plus en plus abstraite: les approches modernes ne construisent pas d'algorithmes explicites mais utilisent des résultats théoriques pour améliorer la borne inférieure sur la célèbre constante oméga. Nous sommes revenus à une approche plus pratique en essayant de programmer certains des algorithmes impliqués par ces résultats théoriques. Cette approche expérimentale a révélé un motif inattendu dans des algorithmes existants. Alors que ces algorithmes contiennent une nouvelle variable epsilon dont la présence est réputée les rendre impraticables pour des tailles de matrices raisonnables, nous avons découvert que nous pouvions construire des algorithmes de multiplication matricielle en parallèle sans epsilon avec une complexité asymptotique qui peut théoriquement battre l'algorithme de Strassen pour les multiplications. Un sous-produit de cette exploration est un outil symbolique en Ocaml qui peut analyser, composer et exporter des algorithmes de multiplication matricielle. Nous pensons aussi qu'il pourrait être utilisé pour construire de nouveaux algorithmes pratiques de multiplication matricielle.Dans la deuxième partie, nous décrivons une preuve formelle de l'irrationalité de la constante zeta(3), en suivant la démonstration historique due à Apéry. L'étape cruciale de cette preuve est d'établir que deux suites de nombres rationnels satisfont une surprenante récurrence commune. Il est en fait possible de "découvrir"cette récurrence en utilisant des algorithmes symboliques, et leurs implémentations existantes dans un système de calcul formel. De fait,ce travail constitue un exemple d'une approche dite sceptique de la démonstration formelle de théorèmes, dans lequel des calculs sont principalement réalisés par un logiciel efficace de calcul formel puis vérifiés formellement dans un assistant à la preuve. Incidemment, ce travail questionne la valeur des certificats de télescopage créatif comme preuves complètes d'identités. Cette preuve formelle est également basée sur de nouvelles bibliothèques de mathématiques,formalisées pour ses besoins. En particulier, nous avons formalisé et simplifié une étude du comportement asymptotique de la suite ppcm(1,.., n). Ce travail est conduit dans l'assistant à la preuve Coq et prolonge les bibliothèques Mathematical Components.Dans la dernière partie, nous présentons une procédure qui calcule les approximations d'une classe d'intégrales propres et impropres tout en produisant simultanément un preuve formelle Coq de la correction du résultat de ce calcul. Cette procédure utilise une combinaison d'arithmétique d'intervalles et d'approximations polynomiales rigoureuses de fonctions. Ce travail utilise crucialement les possibilités de calculer efficacement à l'intérieur de la logique sous-jacente au système Coq. Il s'agit d'une extension de la bibliothèque CoqInterval d'approximation numérique d'une classe d'expressions réelles. Sa mise en œuvre a également donné lieu à des extensions de la bibliothèque Coquelicot d'analyse réelle, notamment pour améliorer le traitement des intégrales impropres. Nous illustrons l'intérêt de cet outil et ses performances en traitant des exemples standards mais non triviaux de la littérature, sur lesquels d'autres outils se sont en certains cas révélés incorrects. / This thesis proposes three contributions to computer-aidedmathematical proofs. It deals, not only with proofs relying oncomputations, but also with formal proofs, which are both produced andverified using a piece of software called a proof assistant.In the first part, we illustrate the theme of experimentation at theservice of proofs by considering the problem of the complexity ofmatrix multiplication algorithms. This problem has historically beenapproached in an increasingly abstract way: modern approaches do notconstruct algorithms but use theoretical results to improve the lowerbound on the famous omega constant. We went back to a more practicalapproach by attempting to program some of the algorithms implied bythese theoretical results. This experimental approach reveals anunexpected pattern in some existing algorithms. While these algorithmscontain a new variable epsilon whose presence is reputed to renderthem inefficient for the purposes of reasonable matrix sizes, we havediscovered that we could build matrix multiplication algorithms inparallel without epsilon's with an asymptotic complexity which cantheoretically beat Strassen's algorithm in terms of the number ofmultiplications. A by-product of this exploration is a symbolic toolin Ocaml which can analyze, compose and export matrix multiplicationalgorithms. We also believe that it could be used to build newpractical algorithms for matrix multiplication.In the second part, we describe a formal proof of the irrationality ofthe constant zeta (3), following the historical demonstration due toApéry. The crucial step of this proof is to establish that twosequences of rational numbers satisfy a suprising commonrecurrence. It is in fact possible to "discover" this recurrence usingsymbolic algorithms, and their existing implementations in a computeralgebra system. In fact, this work is an example of a skepticalapproach to the formal proof of theorems, in which computations aremainly accomplished by an efficient computer algebra program, and thenformally verified in a proof assistant. Incidentally, this workquestions the value of creative telescoping certificates as completeproofs of identities. This formal proof is also based on newmathematical libraries, which were formalised for its needs. Inparticular, we have formalized and simplified a study of theasymptotic behaviour of the sequence lcm(1,..., n). This work isdeveloped in the Coq proof assistant and extends the MathematicalComponents libraries.In the last part, we present a procedure which computes approximationsof a class of proper and improper integrals while simultaneouslyproducing a Coq formal proof of the correction of the result of thiscomputation. This procedure uses a combination of interval arithmeticand rigorous polynomial approximations of functions. This work makescrucial use of the possibility to efficiently compute inside Coq'slogic. It is an extension of the CoqInterval library providingnumerical approximation of a class of real expressions. Itsimplementation has also resulted in extensions to the Coquelicotlibrary for real analysis, including a better treatment of improperintegrals. We illustrate the value of this tool and its performanceby dealing with standard but nontrivial examples from the literature,on which other tools have in some cases been incorrect.
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#### The Study of Practical Privacy Preserving and Forward Secure Authentication Technologies on Wireless Communications

Hsu, Ruei-Hau 18 June 2012 (has links)
Information exchange in wireless communication without being blocked by terrain or infrastructure is easier and simpler than that in the traditional wired communication environments. Due to the transmission type, anonymity is urgently required in wireless communications for concealing the footprint of mobile users. Additionally, the mobility of a mobile device may incur possible threats to the past encrypted transmitted data, where the past session keys for the encryptions of wireless communications may be derived by the long-term secret stored the mobile device if it is lost. In this thesis, we propose an efficient solution by using symmetry-based cryptosystems for forward secrecy and anonymity in the standards of mobile networks, such as GSM, UMTS, and LTE, without losing the compatibility. By adopting secret chain (SC) based mechanism, the generation of every session key involves a short-term secret, changed in every session, to achieve forward secrecy and anonymity. Furthermore, synchronization mechanism required for the SC-protocol is also proposed. For more advanced security requirements of truly non-repudiation and strong anonymity, which is additionally anonymous to systems, certificateless signatures and group signatures are applied in the authentication protocols for UMTS and VANETs. Certificateless signatures can eliminate the overhead of using public-key infrastructure (PKI) in wireless communications. Our work proposed a certificateless signature scheme achieving the same security level of non-repudiation as that in the PKI-based signature scheme, that most of the proposed certificateless signatures cannot fulfill. Group signatures practice the privacy of the participants of the authentication protocol by originating the group signatures belonging to their group. However, directly applying group signatures in wireless communications results in inefficiency of computation when a group has a large amount of members. Therefore, we aim at reducing the computation costs of membership revocation on the proposed group signature scheme to constant without being influenced by the amount of members and then apply the scheme to VANETs and UMTS. Eventually, all the proposed schemes in the thesis are theoretically proven secure under the standard reduction.
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#### Le domaine abstrait des polyèdres revisité : représentation par contraintes et preuve formelle / Revisiting the abstract domain of polyhedra : constraints-only representation and formal proof

Fouilhé, Alexis 15 October 2015 (has links)
Cette thèse revisite de deux manières le domaine abstrait des polyèdres utilisé pour l'analyse statique de programmes.D'abord, elle montre comment utiliser l'assistant à la preuve Coq pour apporter des garanties sur la correction des opérations sur les polyèdres sans compromettre l'efficacité de l'outil VP Lissu de ces travaux.L'outil est fondé sur le principe de la vérification de résultats :un oracle, auquel on ne fait pas confiance, fait les calculs,puis les résultats sont vérifiés par un validateur dont la correction est prouvée avec Coq. De plus, l'oracle fournit des témoins de la correction des résultats afin d'accélérer la vérification.L'autre caractéristique de VPL est l' utilsation de la seule représentation par contraintes des polyèdres,par opposition à l'approche habituelle qui consiste à utiliser à la fois des contraintes et des générateurs.Malgré ce choix inhabituel,les performances de VPL s'avèrent compétitives.Comme on pouvait le prévoir,l'opérateur "join",qui calcule l'enveloppe convexe de deux polyèdres,est le plus coûteux.Puisqu'il nécessite un grand nombre de projections,cette thèse explore plusieurs nouvelles approches de l'opérateur de projection,basées sur la programmation linéaire paramétrique.Elle propose une synthèse des variantes et des combinaisons possibles.La thèse se termine sur les éléments clés d'un nouvel algorithme de résolution tirant parti des spécificités de l'encodage afin d'obtenir de bonnes performances. / The work reported in this thesis revisits in two waysthe abstract domain of polyhedraused for static analysis of programs.First, strong guarantees are provided on the soundness of the operationson polyhedra,by using of the Coq proof assistant to check the soundness proofs.The means used to ensure correctnessdon't hinder the performance of the resultingVerimag Polyhedra Library (VPL).It is built on the principle of result verification:computations are performed by an untrusted oracleand their results are verified by a checkerwhose correctness is proved in Coq.In order to make verification cheap,the oracle computes soundness witnesses along with the results.The other distinguishing feature of VPL is thatit relies only on the constraint representation of polyhedra,as opposed to the common practice of using both constraints and generators.Despite this unusual choice,VPL turns out to be a competitive abstract domain of polyhedra,performance-wise.As expected, the join operator of VPL,which performs the convex hull of two polyhedra,is the costliest operator.Since it builds on the projection operator,this thesis also investigates a new approach toperforming projections,based on parametric linear programming.A new understanding of projection encoded asa parametric linear problem is presented.The thesis closes on a progress report in the design of a new solvingalgorithm,tailored to the specifics of the encodingso as to achieve good performance.
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#### Repenser la bibliothèque réelle de Coq : vers une formalisation de l'analyse classique mieux adaptée / Reinventing Coq's Reals library : toward a more suitable formalization of classical analysis

Lelay, Catherine 15 June 2015 (has links)
L'analyse réelle a de nombreuses applications car c'est un outil approprié pour modéliser de nombreux phénomènes physiques et socio-économiques. En tant que tel, sa formalisation dans des systèmes de preuve formelle est justifié pour permettre aux utilisateurs de vérifier formellement des théorèmes mathématiques et l'exactitude de systèmes critiques. La bibliothèque standard de Coq dispose d'une axiomatisation des nombres réels et d'une bibliothèque de théorèmes d'analyse réelle. Malheureusement, cette bibliothèque souffre de nombreuses lacunes. Par exemple, les définitions des intégrales et des dérivées sont basées sur les types dépendants, ce qui les rend difficiles à utiliser dans la pratique. Cette thèse décrit d'abord l'état de l'art des différentes bibliothèques d'analyse réelle disponibles dans les assistants de preuve. Pour pallier les insuffisances de la bibliothèque standard de Coq, nous avons conçu une bibliothèque facile à utiliser : Coquelicot. Une façon plus facile d'écrire les formules et les théorèmes a été mise en place en utilisant des fonctions totales à la place des types dépendants pour écrire les limites, dérivées, intégrales et séries entières. Pour faciliter l'utilisation, la bibliothèque dispose d'un ensemble complet de théorèmes couvrant ces notions, mais aussi quelques extensions comme les intégrales à paramètres et les comportements asymptotiques. En plus, une hiérarchie algébrique permet d'appliquer certains théorèmes dans un cadre plus générique comme les nombres complexes pour les matrices. Coquelicot est une extension conservative de l'analyse classique de la bibliothèque standard de Coq et nous avons démontré les théorèmes de correspondance entre les deux formalisations. Nous avons testé la bibliothèque sur plusieurs cas d'utilisation : sur une épreuve du Baccalauréat, pour les définitions et les propriétés des fonctions de Bessel ainsi que pour la solution de l'équation des ondes en dimension 1. / Real analysis is pervasive to many applications, if only because it is a suitable tool for modeling physical or socio-economical systems. As such, its support is warranted in proof assistants, so that the users have a way to formally verify mathematical theorems and correctness of critical systems. The Coq system comes with an axiomatization of standard real numbers and a library of theorems on real analysis. Unfortunately, this standard library is lacking some widely used results. For instance, the definitions of integrals and derivatives are based on dependent types, which make them cumbersome to use in practice. This thesis first describes various state-of-the-art libraries available in proof assistants. To palliate the inadequacies of the Coq standard library, we have designed a user-friendly formalization of real analysis: Coquelicot. An easier way of writing formulas and theorem statements is achieved by relying on total functions in place of dependent types for limits, derivatives, integrals, power series, and so on. To help with the proof process, the library comes with a comprehensive set of theorems that cover not only these notions, but also some extensions such as parametric integrals and asymptotic behaviors. Moreover, an algebraic hierarchy makes it possible to apply some of the theorems in a more generic setting, such as complex numbers or matrices. Coquelicot is a conservative extension of the classical analysis of Coq's standard library and we provide correspondence theorems between the two formalizations. We have exercised the library on several use cases: in an exam at university entry level, for the definitions and properties of Bessel functions, and for the solution of the one-dimensional wave equation.
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#### Reasoning Using Higher-Order Abstract Syntax in a Higher-Order Logic Proof Environment: Improvements to Hybrid and a Case Study

Martin, Alan J. 24 January 2011 (has links)
We present a series of improvements to the Hybrid system, a formal theory implemented in Isabelle/HOL to support specifying and reasoning about formal systems using higher-order abstract syntax (HOAS). We modify Hybrid's type of terms, which is built definitionally in terms of de Bruijn indices, to exclude at the type level terms with `dangling' indices. We strengthen the injectivity property for Hybrid's variable-binding operator, and develop rules for compositional proof of its side condition, avoiding conversion from HOAS to de Bruijn indices. We prove representational adequacy of Hybrid (with these improvements) for a lambda-calculus-like subset of Isabelle/HOL syntax, at the level of set-theoretic semantics and without unfolding Hybrid's definition in terms of de Bruijn indices. In further work, we prove an induction principle that maintains some of the benefits of HOAS even for open terms. We also present a case study of the formalization in Hybrid of a small programming language, Mini-ML with mutable references, including its operational semantics and a type-safety property. This is the largest case study in Hybrid to date, and the first to formalize a language with mutable references. We compare four variants of this formalization based on the two-level approach adopted by Felty and Momigliano in other recent work on Hybrid, with various specification logics (SLs), including substructural logics, formalized in Isabelle/HOL and used in turn to encode judgments of the object language. We also compare these with a variant that does not use an intermediate SL layer. In the course of the case study, we explore and develop new proof techniques, particularly in connection with context invariants and induction on SL statements.

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