Les contraintes arithmétiques sont largement utilisées dans les langages formels comme les expressions, les grammaires d'arbres et les chemins réguliers. Ces contraintes sont utilisées dans les modèles de contenu des types (XML Schemas) pour imposer des bornes sur le nombre d'occurrences de noeuds. Dans les langages de requêtes (XPath, XQuery), ces contraintes permettent de sélectionner les noeuds ayant un nombre limité de noeuds accessibles par une expression de chemin donnée. Les types et chemins étendus avec les contraintes de comptage constituent le prolongement naturel de leurs homologues sans comptage déjà considérés comme des constructions fondamentales dans les langages de programmation et les systèmes de type pour XML. Un des défis majeurs en programmation XML consiste à développer des techniques automatisées permettant d'assurer statiquement un typage correct et des optimisations de programmes manipulant les données XML. À cette fin, il est nécessaire de résoudre certaines tâches de raisonnement qui impliquent des constructions telles que les types et les expressions XPath avec des contraintes de comptage. Dans un futur proche, les compilateurs de programmes XML devront résoudre des problèmes de base tels que le sous-typage afin de s'assurer au moment de la compilation qu'un programme ne pourra jamais générer de documents non valides à l'exécution. Cette thèse étudie les logiques capables d'exprimer des contraintes de comptage sur les structures d'arbres. Il a été montré récemment que le μ-calcul sur les graphes, lorsqu'il est étendu à des contraintes de comptage portant exclusivement sur les noeuds successeurs immédiats est indécidable. Dans cette thèse, nous montrons que, sur les arbres finis, la logique avec contraintes de comptage est décidable en temps exponentiel. En outre, cette logique fournit des opérateurs de comptage selon des chemins plus généraux. En effet, la logique peut exprimer des contraintes numériques sur le nombre de noeuds descendants ou même ascendants. Nous présentons également des traductions linéaires d'expressions XPath et de types XML comportant des contraintes de comptage dans la logique.

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

Cette these contribue a l'etude des semantiques pour la specification et la verification des systemes reactifs. Plus precisement, nous comparons des semantiques comportementales, basees sur la bisimulation avec celles induites par des logiques modales du temps arborescent. Dans la premiere partie, nous considerons les modeles d'entrelacement pour les systemes sequentiels non-deterministes. Plusieurs travaux recents ont montre que dans le cadre des systemes a branchement infini (c-a-d. non-determinisme infini), l'equivalence de bisimulation (forte), reconnue comme l'equivalence semantique de base pour le temps arborescent, est strictement plus fine que celles induites par les logiques du temps arborescent (nous savons depuis longtemps qu'elles coincident sous l'hypothese de branchement fini). Nous utilisons les Processus Ordinaux de Klop, et, en derivant une notion de pouvoir de distinction d'une equivalence semantique, nous montrons dans un cadre parfaitement unifie que la bisimulation est plus fine que les logiques du temps arborescent, mais aussi que pour une large classe de combinateurs, les congruences engendrees par les logiques restent strictement plus faibles que la bisimulation. Dans la deuxieme partie de la these, nous considerons les modeles d'ordre partiel pour les systemes paralleles, dans lesquels on dispose d'une definition satisfaisante de l'operation de raffinement de programme (cette notion est liee a la methode classique de conception hierarchique des programmes). Parmi les equivalences semantiques de la litterature, la history preserving bisimulation est particulierement interessante car c'est une congruence pour l'operation de raffinement quand les systemes n'ont pas d'action invisible. En utilisant une caracterisation de cette equivalence en termes d'une bisimulation avant-arriere, nous exhibons deux caracterisations logiques, ainsi qu'un algorithme de traduction entre ces deux logiques. Nous etudions aussi plusieurs variantes de cette bisimulation avant-arriere. Enfin, nous elargissons le champ de travail en considerant les modeles d'ordre partiel avec actions invisibles. Nous montrons que la bisimulation avant-arriere susmentionnee, adaptee a ce cadre, coincide avec la branching bisimulation sur les arbres causaux, mais aussi avec deux nouvelles equivalences~: l'equivalence de mixed-ordering branching et la history preserving branching bisimulation, que nous etudions.

.

Les contraintes arithmétiques sont largement utilisées dans les langages formels comme les expressions, les grammaires d'arbres et les chemins réguliers. Ces contraintes sont utilisées dans les modéles de contenu des types (XML Schemas) pour imposer des bornes sur le nombre d'occurrences de nœuds. Dans les langages de requêtes (XPath, XQuery), ces contraintes permettent de sélectionner les nœuds ayant un nombre limité de nœuds accessibles par une expression de chemin donnée. Les types et chemins étendus avec les contraintes de comptage constituent le prolongement naturel de leurs homologues sans comptage déjà considérés comme des constructions fondamentales dans les langages de programmation et les systèmes de type pour XML. Un des défis majeurs en programmation XML consiste à développer des techniques automatisées permettant d'assurer statiquement un typage correct et des optimisations de programmes manipulant les données XML. À cette fin, il est nécessaire de résoudre certaines tâches de raisonnement qui impliquent des constructions telles que les types et les expressions XPath avec des contraintes de comptage. Dans un futur proche, les compilateurs de programmes XML devront résoudre des problèmes de base tels que le sous-typage afin de s'assurer au moment de la compilation qu'un programme ne pourra jamais générer de documents non valides à l'exécution. Cette thèse étudie les logiques capables d'exprimer des contraintes de comptage sur les structures d'arbres. Il a été montré récemment que le mu-calcul sur les graphes, lorsqu'il est étendu à des contraintes de comptage portant exclusivement sur les nœuds successeurs immédiats est indécidable. Dans cette thèse, nous montrons que, sur les arbres finis, la logique avec contraintes de comptage est décidable en temps exponentiel. En outre, cette logique fournit des opérateurs de comptage selon des chemins plus généraux. En effet, la logique peut exprimer des contraintes numériques sur le nombre de nœuds descendants ou même ascendants. Nous présentons également des traductions linéaires d'expressions XPath et de types XML comportant des contraintes de comptage dans la logique.

Les contraintes arithmétiques sont largement utilisées dans les langages formels comme les expressions, les grammaires d'arbres et les chemins réguliers. Ces contraintes sont utilisées dans les modéles de contenu des types (XML Schemas) pour imposer des bornes sur le nombre d'occurrences de nœuds. Dans les langages de requêtes (XPath, XQuery), ces contraintes permettent de sélectionner les nœuds ayant un nombre limité de nœuds accessibles par une expression de chemin donnée. Les types et chemins étendus avec les contraintes de comptage constituent le prolongement naturel de leurs homologues sans comptage déjà considérés comme des constructions fondamentales dans les langages de programmation et les systèmes de type pour XML. Un des défis majeurs en programmation XML consiste à développer des techniques automatisées permettant d'assurer statiquement un typage correct et des optimisations de programmes manipulant les données XML. À cette fin, il est nécessaire de résoudre certaines tâches de raisonnement qui impliquent des constructions telles que les types et les expressions XPath avec des contraintes de comptage. Dans un futur proche, les compilateurs de programmes XML devront résoudre des problèmes de base tels que le sous-typage afin de s'assurer au moment de la compilation qu'un programme ne pourra jamais générer de documents non valides à l'exécution. Cette thèse étudie les logiques capables d'exprimer des contraintes de comptage sur les structures d'arbres. Il a été montré récemment que le mu-calcul sur les graphes, lorsqu'il est étendu à des contraintes de comptage portant exclusivement sur les nœuds successeurs immédiats est indécidable. Dans cette thèse, nous montrons que, sur les arbres finis, la logique avec contraintes de comptage est décidable en temps exponentiel. En outre, cette logique fournit des opérateurs de comptage selon des chemins plus généraux. En effet, la logique peut exprimer des contraintes numériques sur le nombre de nœuds descendants ou même ascendants. Nous présentons également des traductions linéaires d'expressions XPath et de types XML comportant des contraintes de comptage dans la logique. / Arithmetical constraints are widely used in formal languages like regular expressions, tree grammars and paths. In XML they are used to impose bounds on the number of occurrences described by content models of schema languages (XML Schema, RelaxNG). In query languages (XPath, XQuery), they allow selecting nodes that have a bounded number of nodes reachable by a given path expression. Counting types and paths are thus natural extensions of their countless counterparts already regarded as the core constructs in XML languages and type systems. One of the biggest challenges in XML is to develop automated techniques for ensuring static-type safety and optimization techniques. To this end, there is a need to solve some basic reasoning tasks that involve constructions such as counting XML schemas and XPath expressions. Every compiler of XML programs will have to routinely solve problems such as type and path type- checking, for ensuring at compile time that invalid documents can never arise as the output of XML processing code. This thesis studies efficient reasoning frameworks able to express counting constraints on tree structures. It was recently shown that the mu-calculus, when extended with counting constraints on immediate successor nodes is undecid able over graphs. Here we show that, when interpreted over finite trees, the logic with counting constraints is decidable in single exponential time. Furthermore, this logic allows more general counting operators. For example, the logic can pose numerical constraints on number of ancestors or descendants. We also present linear translations of counting XPath expressions and XML schemas into the logic.

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.

Les logiques multivalentes sont définies comme une famille de logiques non classiques dont la caractéristique commune est de ne pas restreindre les valeurs de vérité aux seuls « vrai » et « faux ». À cet égard, Kleene (1938) a offert une logique se fondant sur l’intuition que tout énoncé est soit vrai, soit faux ; mais qu’il existe néanmoins des énoncés dont la valeur de vérité n’est pas connue. La formalisation d’une telle intuition amena Kleene à introduire une troisième attribution de valeur de vérité pour les énoncés : « inconnu ». Pour autant, une telle formalisation reste ambiguë : elle échoue à résoudre la dichotomie entre le fait que tout énoncé est soit vrai, soit faux et le fait qu’il existe des énoncés dont l’attribution de valeur de vérité n’est ni « vrai », ni « faux ». L’enjeu de la présente thèse sera l’introduction d’une nouvelle logique multivalente intitulée logique de l’agent rationnel se fondant sur les idées de Kleene tout en en éliminant l’ambiguïté décrite plus haut.La logique de l’agent rationnel permet de modéliser le raisonnement d’un agent en considérant la connaissance (ou l’ignorance) qu’il peut avoir de la valeur de vérité classique des énoncés. D’un point de vue technique, nous introduisons plusieurs définitions de la notion de conséquence logique dans ce cadre, et construisons sur cette base, des sémantiques complètes de notre logique. Nous montrons ensuite l’intérêt d’une telle formalisation en l’appliquant à l’étude d’un problème épistémologique connu sous le nom de « paradoxe de la connaissabilité ». D’un point de vue épistémologique, l’introduction de la logique de l’agent rationnel permet d’analyser la notion d’ignorance comme indépendante de celle de connaissance. Une telle formalisation ouvre ainsi la voie à une position inédite, selon laquelle la notion d’ignorance est primitive et non analysable. / Many-valued logics is a family of non-classical logics, which is characterized by the fundamental fact that they do not restrict the truth values to only truth and falsity. According to this line of inquiry, Kleene (1938) constructed a logic that is based on the idea that every proposition is either true, or false, but there exist propositions for which the truth value is unknown. The formalisation of this idea leads to the introduction of a third assignment of truth value to propositions, interpreted as “unknown”. However, this formalisation contains an ambiguity, because it does not permit the resolution of a contradiction between the fact that every proposition is either true or false, and the fact that there exist propositions for which the assignment of truth value is neither “true” nor “false”. The initial aim of the present thesis is to explore Kleene’s idea in order to introduce and analyse a new many-valued logic, to be called the logic of a rational agent, that is founded on Kleene’s ideas, but that eliminates the above-mentioned ambiguity.The logic of a rational agent models the reasoning of an agent, taking into account the knowledge (or ignorance) of the classical truth value of a proposition that the agent can have. On the technical level, we introduce diverse definitions of entailment relations and construct consistent and complete semantics on this base. We then show the interest inherent in such a formalisation, by proposing an application of this logic to a famous epistemological problem, known as the “knowability paradox”. On the epistemological level, the logic of a rational agent permits us to offer an analysis of the notion of ignorance, as understood independently from the notion of knowledge. Such a formalization.

Les concepts d'action et de ressource sont omniprésents en informatique. La caractéristique principale d'une action est de changer l'état actuel du système modélisé. Une action peut ainsi être l'exécution d'une instruction dans un programme, l'apprentissage d'un fait nouveau, l'acte concret d'un agent autonome, l'énoncé d'un mot ou encore une tâche planifiée. La caractéristique principale d'une ressource est de pouvoir être divisée, par exemple pour être partagée. Il peut s'agir des cases de la mémoire d'un ordinateur, d'un ensemble d'agents, des différent sens d'une expression, d'intervalles de temps ou de droits d'accès. Actions et ressources correspondent souvent aux dimensions temporelles et spatiales du système modélisé. C'est le cas par exemple de l'exécution d'une instruction sur une case de la mémoire ou d'un groupe d'agents qui coopèrent. Dans ces cas, il est possible de modéliser les actions parallèles comme étant des actions opérant sur des parties disjointes des ressources disponibles. Les logiques modales permettent de modéliser les concepts d'action et de ressource. La sémantique relationnelle d'une modalité unaire est une relation binaire permettant d'accéder à un nouvel état depuis l'état courant. Ainsi une modalité unaire correspond à une action. De même, la sémantique d'une modalité binaire est une relation ternaire permettant d'accéder à deux états. En considérant ces deux états comme des sous-états de l'état courant, une modalité binaire modélise la séparation de ressources. Dans cette thèse, nous étudions des logiques modales utilisées pour raisonner sur les actions, les ressources et la concurrence. Précisément, nous analysons la décidabilité et la complexité du problème de satisfaisabilité de ces logiques. Ces problèmes consistent à savoir si une formule donnée peut être vraie. Pour obtenir ces résultats de décidabilité et de complexité, nous proposons des procédures de décision. Ainsi, nous étudions les logiques modales avec des modalités binaires, utilisées notamment pour raisonner sur les ressources. Nous nous intéressons particulièrement à l'associativité. Alors qu'il est généralement souhaitable que la modalité binaire soit associative, puisque la séparation de ressources l'est, cette propriété rend la plupart des logiques indécidables. Nous proposons de contraindre la valuation des variables propositionnelles afin d'obtenir des logiques décidables ayant une modalité binaire associative. Mais la majeure partie de cette thèse est consacrée à des variantes de la logique dynamique propositionnelle (PDL). Cette logiques possède une infinité de modalités unaires structurée par des opérateurs comme la composition séquentielle, l'itération et le choix non déterministe. Nous étudions tout d'abord des variantes de PDL comparables aux logiques temporelle avec branchement. Nous montrons que les problèmes de satisfaisabilité de ces variantes ont la même complexité que ceux des logiques temporelles correspondantes. Nous étudions ensuite en détails des variantes de PDL ayant un opérateur de composition parallèle de programmes inspiré des logiques de ressources. Cet opérateur permet d'exprimer la séparation de ressources et une notion intéressante d'actions parallèle est obtenue par la combinaison des notions d'actions et de séparation. En particulier, il est possible de décrire dans ces logiques des situations de coopération dans lesquelles une action ne peut être exécutée que simultanément avec une autre. Enfin, la contribution principale de cette thèse est de montrer que, dans certains cas intéressants en pratique, le problème de satisfaisabilité de ces logiques a la même complexité que PDL. / The concepts of action and resource are ubiquitous in computer science. The main characteristic of an action is to change the current state of the modeled system. An action may be the execution of an instruction in a program, the learning of a new fact, a concrete act of an autonomous agent, a spoken word or a planned task. The main characteristic of resources is to be divisible, for instance in order to be shared. Resources may be memory cells in a computer, performing agents, different meanings of a phrase, time intervals or access rights. Together, actions and resources often constitute the temporal and spatial dimensions of a modeled system. Consider for instance the instructions of a computer executed at memory cells or a set of cooperating agents. We observe that in these cases, an interesting modeling of concurrency arises from the combination of actions and resources: concurrent actions are actions performed simultaneously on disjoint parts of the available resources. Modal logics have been successful in modeling both concepts of actions and resources. The relational semantics of a unary modality is a binary relation which allows to access another state from the current state. Hence, unary modalities are convenient to model actions. Similarly, the relational semantics of a binary modality is a ternary relation which allows to access two states from the current state. By interpreting these two states as substates of the current state, binary modalities allow to divide states. Hence, binary modalities are convenient to model resources. In this thesis, we study modal logics used to reason about actions, resources and concurrency. Specifically, we analyze the decidability and complexity of the satisfiability problem of these logics. These problems consist in deciding whether a given formula can be true in any model. We provide decision procedures to prove the decidability and state the complexity of these problems. Namely, we study modal logics with a binary modality used to reason about resources. We are particularly interested in the associativity property of the binary modality. This property is desirable since the separation of resources is usually associative too. But the associativity of a binary modality generally makes the logic undecidable. We propose in this thesis to constrain the valuation of propositional variables to make modal logics with an associative binary modality decidable. The main part of the thesis is devoted to the study of variants of the Propositional Dynamic Logic (PDL). These logics features an infinite set of unary modalities representing actions, structured by some operators like sequential composition, iteration and non-deterministic choice. We first study branching time variants of PDL and prove that the satisfiability problems of these logics have the same complexity as the corresponding branching-time temporal logics. Then we thoroughly study extensions of PDL with an operator for parallel composition of actions called separating parallel composition and based on the semantics of binary modalities. This operator allows to reason about resources, in addition to actions. Moreover, the combination of actions and resources provides a convenient expression of concurrency. In particular, these logics can express situations of cooperation where some actions can be executed only in parallel with some other actions. Finally, our main contribution is to prove that the complexity of the satisfiability problem of a practically useful variant of PDL with separating parallel composition is the same as the satisfiability problem of plain PDL.

Dans le domaine de la modélisation du raisonnement, plusieurs approches se basent sur les logiques modales qui permettent de formaliser le raisonnement sur des éléments non factuels, comme la croyance, le savoir ou encore la nécessité. Une extension pondérées de ces logiques modales permet de moduler les éléments non factuels qu'elle décrit. En particulier, nous nous intéressons à l'extension pondérée des logiques modales qui permet de formaliser des croyances graduelles : nous traitons des aspects sémantiques et axiomatiques ainsi que des aspects syntaxiques liés à la manipulations de telles croyances modulées. Ainsi, les travaux de cette thèse sont organisés en trois parties. Nous proposons, d'une part, une sémantique proportionnelle qui étend la sémantique de Kripke classiquement utilisée pour les logiques modales ; ainsi qu'une étude des axiomes modaux dans le contexte de cette sémantique des modalités pondérées. D'autre part, nous proposons un modèle ensembliste flou pour représenter et manipuler des degrés de croyances. Enfin, nous mettons en œuvre ces modèles théoriques dans deux applications : un outil de vérification de formules modales pondérées et un joueur artificiel pour le jeu coopératif Hanabi dont la prise de décision repose sur un raisonnement sur ses propres croyances. / In the field of reasoning models, many approaches are based on modal logics, which allow to formalise the non-factual reasoning, as belief, knowledge or necessity reasoning. A weighted extension for these modal logics aims at modulating the considered non-factual elements. In particular, we examine the weighted extension of modal logics for graded beliefs: we study their semantical and axiomatical issues related to manipulating such modulated beliefs. Therefore, this thesis works are organised in three parts. We first propose a proportional semantics which extends the Kripke semantics, classically used for modal logics. We also study modal axioms regarding the proposed semantics. Then, we propose a fuzzy set model for representing and manipulating belief degrees. We finally use these two formal models in two different applications: a model checking tool for weighted modal formulae and an artifical player for a cooperative game called Hanabi in which decision making is based on graded belief reasoning.