Depuis l'antiquité jusqu'à aujourd'hui, le domaine de la logique a gagné une importance remarquable et contribue désormais à de nombreuses autres branches, telles que la philosophie, les mathématiques, la fabrication de matériel informatique, la linguistique, l'informatique, l'intelligence artificielle, etc. À chacun de ces scénarios correspondent des besoins spécifiques, qui vont d'exigences très concrètes, telles qu'une méthode d'inférence efficace, à des propriétés théoriques plus abstraites, telles qu'un système d'axiomes élégant. Étant donnée cette grande diversité d'utilisations, une palette hétéroclite de langages formels a été développée. Pendant de nombreuses années, les langages classiques (notamment la logique du premier ordre) étaient la seule alternative concevable, mais cet assortiment d'applications a rendu d'autres types de logiques également désirables dans de nombreuses situations. Imaginez que l'heure de choisir une logique pour une tâche spécifique arrive. Comment choisir la plus appropriée? Quelles propriétés devrions-nous rechercher? Comment "mesurer'' une logique par rapport aux autres? Ce sont des questions difficiles, et il n'existe pas de recette générale à suivre. Dans cette thèse, nous allons simplement restreindre ces questions à une famille particulière de logiques, et dans ce contexte, nous explorerons les aspects théoriques qui aideront à répondre à ces préoccupations. Beaucoup peut être découvert par une analyse attentive des cas les plus intéressants, et notre contribution sera développée selon cette philosophie. Les logiques modales propositionnelles offrent une alternative aux langages traditionnels. Elles peuvent être considérées comme un ensemble d'outils permettant de concevoir des logiques adaptées à des tâches précises, possédant un contrôle fin sur leur expressivité. De plus, il s'est avéré que les logiques modales possèdent un bon comportement computationnel, qui se trouve être robuste y compris malgré l'ajout d'extensions. Ces caractéristiques, parmi d'autres, ont élevé les logiques modales au rang d'alternatives désirables aux langages classiques. Dans ce thèse, nous allons présenter une nouvelle famille de logiques modales appelée logiques mémorielles. Les logiques modales traditionnelles permettent de décrire les structures relationnelles d'un point de vue local. Mais pourquoi ne pas changer cette structure? Nous voulons étudier l'ajout d'une structure de stockage explicite aux logiques modales, une mémoire, qui permet de modéliser un comportement dynamique à travers des opérateurs mémoriels explicites. Ces opérateurs sauvent ou restaurent de l'information vers et à partir de la mémoire. Naturellement, selon le type de structure de sauvegarde désiré et les opérateurs mémoriels disponibles, la logique résultante possèdera différentes propriétés qui valent la peine d'être étudiées. Cette thèse est organisée de la façon suivante. Dans le Chapitre 1, nous commençons par rappeler brièvement comment la logique modale est née, en montrant les différents points de vue historiques la concernant. Puis, nous présentons formellement la logique modale de base et un ensemble d'opérateurs étendus qui aident à capturer le ``goût'' modal de langages plus riches. Nous finissons ce chapitre en donnant un premier aperçu des logiques mémorielles, et montrons comment elles peuvent aider à modéliser l'état quand nous choisissons d'utiliser un ensemble comme une structure de sauvegarde. Le Chapitre 2 est dédié à la présentation détaillée des logiques mémorielles. Nous montrons quelques exemples qui peuvent être décrits en ajoutant un ensemble à des structures relationnelles usuelles, ainsi que les opérateurs ensemblistes usuels permettant l'ajout d'élément et le test d'appartenance. Puis, nous montrons que d'autres opérateurs mémoriels peuvent être envisagés, et nous discutons de la possibilité d'ajouter des contraintes à l'interaction entre la mémoire et les opérateurs modaux. Ces contraintes peuvent être vues comme une manière d'avoir un contrôle fin sur l'expressivité de la logique. Comme nous avons fait des changements aux logiques modales classiques, nous nous intéressons à l'analyse de l'impact de ces changements sur les logiques résultantes. Ainsi, le reste de ce chapitre présente une boite à outils logique basique avec laquelle nous pouvons analyser cette nouvelle famille de logiques. Cette boite à outils peut être vue comme un plan qui organise le reste de cette thèse et qui permet d'analyser les logiques mémorielles en termes d'expressivité, de complexité, d'interpolation et de théorie de la preuve. Le reste des chapitres consiste à étudier en détail chacun de ces aspects. Dans les Chapitres 3 et 4, nous explorons l'expressivité de plusieurs logiques mémorielles et nous étudions la décidabilité de leur problème de satisfiabilité. Dans les cas décidables, nous déterminons leur complexité. Nous analysons l'impact des différents opérateurs mémoriels considérés, et leur interaction. Nous étudions également d'autres conteneurs mémoriels, tels que la pile. Puis, dans le Chapitre 4, nous analysons l'interpolation de Craig et la définabilité de Beth pour certains fragments des logiques mémorielles. Nous étudions également les logiques mémorielles du point de vue de la théorie de la preuve. Dans les Chapitres 6 et 7, nous passons aux axiomatisations à la Hilbert et aux systèmes de tableaux, et nous caractérisons plusieurs fragments de la famille des logiques mémorielles, en utilisant principalement des techniques empruntées aux logiques hybrides. Nous concluons dans le Chapitre 8 avec quelques remarques, des problèmes ouverts et des directions pour de futures recherches. / From ancient times to the present day, the field of logic has gained significant strength and now it actively contributes to many different areas, such as philos- ophy, mathematics, linguistic, computer science, artificial intelligence, hardware manufacture, etc. Each of these scenarios has specific needs, that range from very concrete requirements, like an efficient inference method, to more abstract theoretical properties, like a neat axiomatic system. Given this wide diversity of uses, a motley collection of formal languages has been developed. For many years, classical languages (mainly classical first order logic) were the alternative, but this assortment of applications made other types of logics also attractive in many situations. Imagine that the time for choosing a logic for some specific task arrives. How can we decide which is the one that fits best? Which properties should we look for? How can we “measure” a logic with respect to others? These are not easy questions, and there is not a general recipe one can follow. In this thesis we are just going to restrict these questions to a particular family of logics, and in that context we will investigate theoretical aspects that help to answer some of these concerns. Much can be discovered by carefully analyzing appealing cases, and our contribution will be developed having that philosophy in mind. Propositional modal logics offer an alternative to traditional languages. They can be regarded as a set of tools that allow to design logics specially tailored for specific tasks, having a fine-grained control on their expressivity. Additionally, modal logics turned out to have a good computational behavior, which proved to be quite robust under extensions. These characteristics, among others, placed modal logics as an attractive alternative to classical languages. In this dissertation we are going to present a new family of modal logics called memory logics. Traditional modal logics enables to describe relational structures from a local perspective. But what about changing the structure? We want to explore the addition of an explicit storage structure to modal logics, a mem- ory, that allows to model dynamic behavior through explicit memory operators. These operators store or retrieve information to and from the memory. Natu- rally, depending on which type of storage structure we want, and which memory operators are available, the resulting logic will enjoy different properties that are worth investigating. The thesis is organized as follows. In Chapter 1 we start by giving a brief recap of how modal logic was born, showing the different historical perspectives used to look at modal logic. Then we formally present the basic modal logic and a set of extended operators that helps grasp the modal “flavor” of some richer languages. We finish this chapter by giving a first glance of memory logics, and showing how they can help to model state when we choose to use a set as storage structure. Chapter 2 is devoted to present memory logics in detail. We show some examples that can be described by adding a set to standard relational structures, and the usual set operators to add elements and test membership. We then show some other memory operators that can be considered, and we discuss the possibility of adding constraints to the interplay between memory and modal operators. These constraints can be regarded as a way to have a finer-grained control on the logic expressivity. Since we have made changes to classical modal logics, we are interested in analyzing the impact those changes cause in the resulting logics. Therefore, the rest of this chapter presents a basic logic toolkit through which we can analyze this new family of logics. This toolkit can be seen as an outline that organizes the rest of the thesis and that allows to analyze memory logics in terms of expressivity, complexity, interpolation and proof theory. The rest of the chapters investigate each of these aspects in detail. In Chap- ters 3 and 4 we explore the expressive power of several memory logics and we study the decidability of their satisfiability problem. In the decidable cases, we determine their computational complexity. We analyze the impact of the differ- ent memory operators we consider, and how they interact. We also study other memory containers, such as a stack. Then, in Chapter 5, we analyze Craig inter- polation and Beth definability for some memory logic fragments. We also study memory logics from a proof theoretical perspective. In Chapter 6 and 7 we turn to Hilbert style axiomatizations and tableau systems, and we characterize several fragments of the memory logic family mostly using techniques borrowed from hy- brid logics. We close in Chapter 8 with some concluding remarks, open problems and directions for further research.

En informatique, les logiques formelles ont une place centrale dans la représentation et le traitement des connaissances. Elles sont utilisées pour la modélisation et la vérification de systèmes informatiques et de leurs propriétés ainsi que pour la formalisation de différents types de raisonnement. Dans ce contexte il existe un large spectre de logiques non-classiques parmi lesquelles les logiques modales jouent un rôle important. Alors que les logiques modales classiques ont été largement étudiées, nous nous focalisons dans cette thèse sur les logiques modales intuitionnistes et aussi hybrides floues en abordant un certain nombre de questions principalement du point de vue de la théorie de la démonstration. Nous proposons pour ces logiques de nouveaux systèmes de preuve, notamment suivant les formalismes de déduction naturelle et de calcul des séquents, qui sont fondés sur de nouvelles structures multi-contextuelles généralisant la structure standard de séquent / In computer science, formal logics are central for studying the representation and the treatment of knowledge. Indeed, they are widely used for modeling and verifying computer systems and their properties and also for formalizing different kinds of reasoning. In this context there exist many non-classical logics and among them modal logics play a key role. As classical modal logics have been deeply studied, we focus in this thesis on the intuitionistic modal logics and also on fuzzy hybrid logics by studying some important questions mainly from the viewpoint of proof theory . We define for these logics new proof systems, following natural deduction and sequent calculus formalisms, that are based on new multi-contextual structures generalizing the standard sequent structure

Les logiques hybrides accroissent les logiques modales avec des éléments pour décrire et raisonner à propos de l'identité, ce qui est crucial dans certaines situations. Les logiques modales que l'on connaît comme ``hybrides'' aujourd'hui remontent au travaux de Prior dans les années 1960, mais leur étude systématique n'a commencé qu'au bout des années 1990. Elles sont intéressantes en grande partie car elles comblent un manque en matière d'expressivité dans les logiques modales. D'ailleurs, elles sont connues parfois comme des ``logiques modales avec égalité''. L'un des thèmes centraux de cette thèse est le problème de la satisfiabilité pour celle qui est probablement la mieux connue des logiques hybrides: le système H(@,dwn), et pour certaines de ses sous-logiques. La satisfiabilité est le problème fondamental en raisonnement automatique. Dans le cas des logiques hybrides, elle a été étudiée essentiellement par la méthode des tableaux. Dans cette thèse, nous essayons de compléter le panorama en explorant la satisfiabilité des logiques hybrides par d'autres méthodes: la résolution du premier ordre et des variantes de calcul de résolution qui manipulent directement des formules hybrides. Nous présentons un certain nombre de traductions en temps linéaire de H(@,dwn) à la logique de premier ordre qui préservent la satisfiabilité. Elles sont conçues de façon telle qu'elles réduisent l'espace de recherche. Ensuite nous dirigeons notre attention vers les calculs qui manipulent directement des formules hybrides. En particulier, nous considérons le calcul de résolution directe. Inspirés par la résolution du premier ordre, nous transformons ce calcul en un calcul de résolution ordonnée avec des fonctions de sélection, et nous prouvons qu'il a la propriété de réduction des contre-exemples. Nous concluons ainsi qu'il est réfutationnellement complet et qu'il est compatible avec le fameux critère standard de redondance. Nous montrons également qu'une version raffinée de ce calcul constitue un procédure de décision pour H(@), un fragment décidable de H(@,dwn). Dans la dernière partie de cette thèse, nous explorons certaines formes normales des logiques hybrides et d'autres logiques modales étendues. Nous nous intéressons aux formes normales où certaines modalités ne sont jamais présentes dans la portée d'autres opérateurs modaux. Nous montrons qu'il est possible de profiter de ce type de transformations sous la forme d'un prétraitement, dans le but de réduire le nombre d'inférences nécessaires pour un prouveur modal. En nous efforçant de formuler ces résultats en tenant compte d'autres logiques modales étendues, nous arrivons à une formulation de la sémantique modale par un nouveau type de modèles définis de façon coinductif. Plusieurs logiques modales étendues (dont les logiques hybrides) peuvent être définies par des classes de modèles coinductifs. Ainsi, des résultats qui étaient habituellement prouvés séparément pour chaque langage (mais dont la preuve n'était souvent que de routine) peuvent être démontrés d'une façon générale. / Hybrid logics augment classical modal logics with machinery for describing and reasoning about identity, which is crucial in many settings. Although modal logics we would today call ``hybrid'' can be traced back to the work of Prior in the 1960's, their systematic study only began in the late 1990's. Part of their interest comes from the fact they fill an important expressivity gap in modal logics. In fact, they are sometimes referred to as ``modal logics with equality''. One of the unifying themes of this thesis is the satisfiability problem for the arguably best-known hybrid logic, H(@,dwn), and some of its sublogics. Satisfiability is the basic problem in automated reasoning. In the case of hybrid logics it has been studied fundamentally using the tableaux method. In this thesis we attempt to complete the picture by investigating satisfiability for hybrid logics using first-order resolution (via translations) and variations of a resolution calculus that operates directly on hybrid formulas. We present firstly several satisfiability-preserving, linear-time translations from H(@,dwn) to first-order logic. These are conceived in a way such that they tend to reduce the search space of a resolution-based theorem prover for first-order logic. We then move our attention to resolution-based calculi that work directly on hybrid formulas. In particular, we will consider the so-called direct resolution calculus. Inspired by first-order logic resolution, we turn this calculus into a calculus of ordered resolution with selection functions and prove that it possesses the reduction property for counterexamples from which it follows its completeness and that it is compatible with the well-known standard redundancy criterion. We also show that certain refinement of this calculus constitutes a decision procedure for H(@), a decidable fragment of H(@,dwn). In the last part of this thesis we investigate certain normal forms for hybrid logics and other extended modal logics. We are interested in normal forms where certain modalities can be guaranteed not to occur under the scope of other modal operators. We will see that these kind of transformations can be exploited in a pre-processing step in order to reduce the number of inferences required by a modal prover. In an attempt to formulate these results in a way that encompasses also other extended modal logics, we arrived at a formulation of modal semantics in terms of a novel type of models that are coinductively defined. Many extended modal logics (such as hybrid logics) can be defined in terms of classes of coinductive models. This way, results that had to be proved separately for each different language (but whose proofs were known to be mere routine) now can be proved in a general way.

En informatique, les logiques formelles ont une place centrale dans la représentation et le traitement des connaissances. Elles sont utilisées pour la modélisation et la vérification de systèmes informatiques et de leurs propriétés ainsi que pour la formalisation de différents types de raisonnement. Dans ce contexte il existe un large spectre de logiques non-classiques parmi lesquelles les logiques modales jouent un rôle important. Alors que les logiques modales classiques ont été largement étudiées, nous nous focalisons dans cette thèse sur les logiques modales intuitionnistes et aussi hybrides floues en abordant un certain nombre de questions principalement du point de vue de la théorie de la démonstration. Nous proposons pour ces logiques de nouveaux systèmes de preuve, notamment suivant les formalismes de déduction naturelle et de calcul des séquents, qui sont fondés sur de nouvelles structures multi-contextuelles généralisant la structure standard de séquent. Ainsi dans le cadre des logiques modales intuitionnistes formées à partir des combinaisons des axiomes T, B, 4 et 5, nous définissons des systèmes de preuve sans labels ayant de bonnes propriétés comme par exemple celle de la sous-formule. En outre, nous proposons des procédures de décision simples à partir de nos nouveaux calculs des séquents. Nous étudions également la première version intuitionniste de la logique hybride IHL et nous proposons son premier calcul des séquents à partir duquel nous donnons la première démonstration de sa décidabilité. Enfin, nous introduisons une nouvelle famille de logiques hybrides floues fondées sur les logiques modales de Gödel. Nous proposons pour ces logiques des procédures de décision avec génération de contre-modèles en utilisant un ensemble de règles de preuve fondées sur une structure multi-contextuelle adaptée.

Le développement de nouveaux formalismes logiques est au cœur de nombreuses problématiques de méthodes formelles. Ces formalismes doivent répondre à la fois à des impératifs de modélisation (ils doivent permettre de décrire certains systèmes) et de calcul (ils doivent fournir des méthodes de calcul correctes et complètes). Dans ce contexte, nous nous intéressons aux logiques de ressources, en particulier les logiques BI et BBI qui traitent du partage et de la séparation de ressources et qui ont conduit aux diverses logiques de séparation dont les applications à la vérification de programmes se sont développées fortement ces dernières années. Nous proposons dans cette thèse d’étudier, à partir des logiques BI et BBI, des logiques de séparation modales et épistémiques en se focalisant sur leurs capacités de modélisation et leur expressivité mais aussi les nouveaux calculs de preuve pour ces logiques. Une première étude a porté sur la modélisation de propriétés dynamiques de ressources au travers d’une nouvelle logique LTBI, qui est une logique de séparation temporelle, fondée sur la logique BI et des modalités temporelles. Cette logique offre notamment des perspectives intéressantes de modélisation temporelle branchante, permettant par exemple de caractériser les processus multi-thread. Une étude complémentaire a porté sur la modélisation de l’accès par des agents à des propriétés sous conditions de posséder certaines ressources, au travers d’une nouvelle logique ERL, qui est une logique de séparation épistémique, fondée sur la logique BBI et des modalités épistémiques. Cette logique permet de nombreuses modélisations de systèmes de contrôle d’accès. En vue d’étendre l’expressivité de telles logiques de séparation, comme la logique BBI et ses variantes, une étude sur l’internalisation des symboles de ressources dans la syntaxe de la logique a été développée au travers des nouvelles logiques HRL et HBBI (version hybride de BBI). L’internalisation permet à la fois d’étendre l’expressivité des logiques et d’axiomatiser la logique BBI et certaines de ses variantes. Outre la conception de ces logiques, l’étude de leur sémantique et aussi de leurs capacités de modélisation, une partie de cette thèse a été consacrée à la définition de calculs de preuve, ici de tableaux, pour ces nouvelles logiques ainsi qu’à leurs preuves de correction et de complétude / The design of new logical formalisms is at the heart of several problems in formal methods. Those formalisms must respond to requirements both concerning modelling (they must be able to describe certain systems) and computing (they must provide complete and sound calculus methods). In this context, we look at resource logics, and in particular BI and BBI logics, that deal with the separation and sharing of resources and have led to several separation logics whose applications to software verification have been widely developped recently. We propose in this thesis, starting from BI and BBI logics, to study some modal and epistemic separation logics by focusing on their modelling capacities and their expresiveness, as well as on the new proof calculi for those logics. A first study deals with the modelling of dynamic resource properties through new logic LTBI, which is a temporal separation logic, based on BI logic and temporal modalities. This logic notably offers interesting perspectives in temporal branching modelling, allowing for instance to characterize multi-thread processes. A complementary study concerns the modelling of access by agents to properties under the conditions of posessing some resources, through a new logic ERL, which is an epistemic separation logic, based on BBI logic and epistemic modalities. This logic allows many modellings of access control systems. In order to extend the expressivity of such separation logics, like BBI logic and its variants, a study on the internalization of resources symbols in the logic’s syntax has been developed through the new logics HRL and HBBI (hybrid version of BBI). Internalization allows both the extension of the expressivity of logics and the axiomatisation of BBI logic and some of its variants. In addition to the conception of those logics, the study of their semantics and their modelling capacities, a part of this thesis is dedicated to the definition of proof calculs, here tableaux calculus, for those new logics, as well as their proof of soundness and completeness