Thesis (Ph. D.)--University of Oregon, 2004. / Typescript. Includes vita and abstract. Includes bibliographical references (leaves 152-155). Also available for download via the World Wide Web; free to University of Oregon users.

abstract: Natural Language Processing is a subject that combines computer science and linguistics, aiming to provide computers with the ability to understand natural language and to develop a more intuitive human-computer interaction. The research community has developed ways to translate natural language to mathematical formalisms. It has not yet been shown, however, how to automatically translate different kinds of knowledge in English to distinct formal languages. Most of the recent work presents the problem that the translation method aims to a specific formal language or is hard to generalize. In this research, I take a first step to overcome this difficulty and present two algorithms which take as input two lambda-calculus expressions G and H and compute a lambda-calculus expression F. The expression F returned by the first algorithm satisfies F@G=H and, in the case of the second algorithm, we obtain G@F=H. The lambda expressions represent the meanings of words and sentences. For each formal language that one desires to use with the algorithms, the language must be defined in terms of lambda calculus. Also, some additional concepts must be included. After doing this, given a sentence, its representation and knowing the representation of several words in the sentence, the algorithms can be used to obtain the representation of the other words in that sentence. In this work, I define two languages and show examples of their use with the algorithms. The algorithms are illustrated along with soundness and completeness proofs, the latter with respect to typed lambda-calculus formulas up to the second order. These algorithms are a core part of a natural language semantics system that translates sentences from English to formulas in different formal languages. / Dissertation/Thesis / M.S. Computer Science 2010

Les comportements des processus concurrents peuvent être exprimés en utilisant des calculs de processus, des langages formels simples qui permettent de démontrer des résultats mathématiques précis sur les interactions entre processus. Un exemple très simple est CCS, un autre exemple est le pi-calcul, plus expressif grâce à un mécanisme de communication de canaux. Dans ce dernier, on peut instaurer un système de types (pour raffiner l'analyse aux environnements plus contraints) et encoder le lambda-calcul (qui représente les calculs séquentiels).Certains de ces calculs, comme CCS ou des variantes du pi-calcul comme les calculs de fusions, ont une certaine propriété de symétrie. On utilise dans un premier temps cette symétrie comme un outil, pour prouver que deux encodages du lambda-calcul dans le pi-calcul sont en fait équivalents.Cette preuve nécessitant un système de types et une forme de symétrie, on se pose la question de l'existence d'un système de types pour les autres calculs symétriques, notamment les calculs de fusion, à laquelle on répond par la négative avec un théorème d'impossibilité.En analysant ce théorème, on découvre un contrainte fondamentale de ces calculs qui empêche l'utilisation des types, à savoir la présence d'une notion de relation d'équivalence entre les canaux de communication. Le relâchement de cette contrainte pour obtenir une relation de pré-ordre engendre un calcul intéressant qui recouvre des notions importantes du pi-calcul, absentes dans les calculs de fusion : les types et les noms privés. La première partie de la thèse se concentre sur l'étude de ce calcul.La deuxième partie de la thèse se concentre sur la bisimulation, une méthode pour établir l'équivalence de deux agents dans des langages d'ordre supérieur, par exemple le pi-calcul ou le lambda-calcul. Une amélioration de cette méthode est la théorie des techniques modulo, très puissante, mais qui malheureusement s'applique uniquement aux systèmes de premier ordre, comme les automates ou CCS.Cette thèse s'applique alors à décrire les langages d'ordre supérieur en tant que systèmes du premier ordre. On récupère ainsi la théorie générale des techniques modulo pour ces langages, en prouvant correctes la correspondance induite et les techniques spécifiques à chaque langage. On détaille les tenants et aboutissants de cette approche, pour fournir les outils nécessaires à son utilisation pour d'autres langages d'ordre supérieur. / The behaviours of concurrent processes can be expressed using process calculi, which are simple formal languages that let us establish precise mathematical results on the behaviours and interactions between processes. A very simple example is CCS, another one is the pi-calculus, which is more expressive thanks to a name-passing mechanism. The pi-calculus supports the addition of type systems (to refine the analysis to more subtle environments) and the encoding of the lambda-calculus (which represents sequential computations).Some of these calculi, like CCS or variants of the pi-calculus such as fusion calculi, enjoy a property of symmetry. First, we use this symmetry as a tool to prove that two encodings of the lambda-calculus in the pi-calculus are in fact equivalent.This proof using a type system and a form of symmetry, we wonder if other existing symmetric calculi can support the addition of type systems. We answer negatively to this question with an impossibility theorem.Investigating this theorem leads us to a fundamental constraint of these calculi that forbids types: they induce an equivalence relation on names. Relaxing this constraint to make it a preorder relation yields another calculus that recovers important notions of the pi-calculus, that fusion calculi do not satisfy: the notions of types and of privacy of names. The first part of this thesis focuses on the study of this calculus, a pi-calculus with preorders on names.The second part of this thesis focuses on bisimulation, a proof method for equivalence of agents in higher-order languages, like the pi- or the lambda-calculi. An enhancement of this method is the powerful theory of bisimulations up to, which unfortunately only applies for first-order systems, like automata or CCS.We then proceed to describe higher-order languages as first-order systems. This way, we inherit the general theory of up-to techniques for these languages, by proving correct the translations and up-to techniques that are specific to each language. We give details on the approach, to provide the necessary tools for future applications of this method to other higher-order languages.

Two major applications of lambda calculi in computer science are functional programming languages and mechanized reasoning systems (or, proof assistants). According to the Curry--Howard correspondence, it is possible, in principle, to design a unified language based on a typed lambda calculus for both logical reasoning and programming. However, the different requirements of programming languages and reasoning systems make it difficult to design such a unified language that provides both. Programming languages usually extend lambda calculi with programming-friendly features (e.g., recursive datatypes, general recursion) for supporting the flexibility to model various computations, while sacrificing logical consistency. Logical reasoning systems usually extend lambda calculi with logic-friendly features (e.g., induction principles, dependent types) for paradox-free inference over fine-grained properties, while being more restrictive in modeling computations. In this dissertation, we design and implement a language called Nax that embraces benefits of both. Nax accepts all recursive datatypes, thus, allowing the same flexibility of defining recursive datatypes as in functional languages. Nax supports a number of Mendler-style recursion schemes that can express various kinds of recursive computations and also guarantee termination. Nax supports term-indexed types to support specifications of fine-grained properties. In addition, Nax supports a conservative extension of Hindley--Milner type inference. The theoretical contributions of this dissertation include theories for Mendler-style recursion schemes and term-indexed types, which we developed to establish strong normalization and logical consistency of Nax.

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Cette thèse porte sur les propriétés opérationnelles de deux extensions quantitatives du λ-calcul pur : le λ-calcul algébrique et le λ-calcul probabiliste.Dans la première partie, nous étudions la théorie de la β-réduction dans le λ-calcul algébrique. Ce calcul permet la formation de combinaisons linéaires finies de λ-termes. Bien que le système obtenu jouisse de la propriété de Church-Rosser, la relation de réduction devient triviale en présence de coefficients négatifs, ce qui la rend impropre à définir une notion de forme normale. Nous proposons une solution qui permet la définition d'une relation d'équivalence sur les termes, partielle mais cohérente. Nous introduisons une variante de la β-réduction, restreinte aux termes canoniques, dont nous montrons qu'elle caractérise en partie la notion de forme normale précédemment établie, démontrant au passage un théorème de factorisation.Dans la seconde partie, nous étudions la bisimulation et l'équivalence contextuelle dans un λ-calcul muni d'un choix probabliste. Nous donnons une technique pour établir que la bisimilarité applicative probabiliste est une congruence. Bien que notre méthode soit adaptée de celle de Howe, certains points techniques sont assez différents, et s'appuient sur des propriétés non triviales de « désintrication » sur les ensembles de nombres réels. Nous démontrons finalement que, bien que la bisimilarité soit en général strictement plus fine que l'équivalence contextuelle, elles coïncident sur les λ-termes purs. L'égalité correspondante est celle induite par les arbres de Lévy-Longo, généralement considérés comme l'équivalence extensionnelle la plus fine pour les λ-termes en évaluation paresseuse. / In this thesis we deal with the operational behaviours of two quantitative extensions of pure λ-calculus, namely the algebraic λ-calculus and the probabilistic λ-calculus.In the first part, we study the β-reduction theory of the algebraic λ-calculus, a calculus allowing formal finite linear combinations of λ-terms to be expressed. Although the system enjoys the Church-Rosser property, reduction collapses in presence of negative coefficients. We exhibit a solution to the consequent loss of the notion of (unique) normal form, allowing the definition of a partial, but consistent, term equivalence. We then introduce a variant of β-reduction defined on canonical terms only, which we show partially characterises the previously established notion of normal form. In the process, we prove a factorisation theorem.In the second part, we study bisimulation and context equivalence in a λ-calculus endowed with a probabilistic choice. We show a technique for proving congruence of probabilistic applicative bisimilarity. While the technique follows Howe's method, some of the technicalities are quite different, relying on non-trivial "disentangling" properties for sets of real numbers. Finally we show that, while bisimilarity is in general strictly finer than context equivalence, coincidence between the two relations is achieved on pure λ-terms. The resulting equality is that induced by Lévy-Longo trees, generally accepted as the finest extensional equivalence on pure λ-terms under a lazy regime.

Le présent manuscrit constitue la partie écrite du travail de thèse réalisé par Bruno Mery sous la direction de Christian Bassac et Christian Retoré entre 2006 et 2011, portant sur le sujet "Modélisation de la sémantique lexicale dans la théorie des types". Il s'agit d'une thèse d'informatique s'inscrivant dans le domaine du traitement automatique des langues, et visant à apporter un cadre formel pour la prise en compte, lors de l'analyse sémantique de la phrase, d'informations apportées par chacun des mots.Après avoir situé le sujet, cette thèse examine les nombreux travaux l'ayant précédée et s'inscrit dans la tradition du lexique génératif. Elle présente des exemples de phénomènes à traiter, et donne une proposition de système de calcul fondée sur la logique du second ordre. Elle examine ensuite la validité de cette proposition par rapport aux exemples et aux autres approches déjà formalisées, et relate une implémentation de ce système. Enfin, elle propose une brève discussion des sujets restant en suspens. / This paper is part of the thesis by Bruno Mery advised by Christian Bassac and Christian Retore in the years 2006-2011, on the topic "Modelling lexical semantics in a type-theoretic framework''. It is a doctoral thesis in computer science, in the area of natural language processing, aiming to bring forth a formal framework that takes into account, in the parsing of the semantics of a sentence, of lexical data.After a discussion of the topic, this thesis reviews the many works perceding it and adopts the tradition of the generative lexicon. It presents samples of data to account for, and gives a proposal for a calculus system based upon a second-order logic. It afterwards reviews the validity of this proposal, coming back to the data samples and the other formal approaches, and gives an implementation of that system. At last, it engages in a short discussion of the remaining questions.

Dans la première partie, on propose un système de type pour le lambda-calcul, dans le style du calcul des séquents, nomme « Soft Type Assignment » (STA) qui est inspiré par la logique linéaire « soft ». STA a la propriété de réduction du sujet et est correct et complète pour les calculs en temps polynomial. Par la suite on propose un déduction naturelle, STA_N. Ce système est simple mais il a le désavantage que les variables dans le sujet peuvent être explicitement renommées. Pour résoudre ce problème, on propose le système STA_M, où les contextes sont des multi-ensembles, donc les règles pour renommer les variables peuvent être interdit. L’inférence de type pour STA_M ne semble pas décidable. On propose un algorithme qui pour chaque lambda-terme rend l’ensemble de contraintes que doivent être satisfait pour que le terme soit type. Pi est correct et complet. Ensuite on étend le lambda-calcul par des constantes booléennes et on propose le système STA_B. La particularité de STA_B est que la règle du conditionnel utilise les contextes de façon additive. Chaque programme de STA_B peut être exécuté, par une machine abstraite, en espace polynomial. De plus le système est aussi complet pour PSPACE. Dans la deuxième partie, on propose une restriction de PCF, nommée SlPCF. Ce langage est équipé avec une sémantique opérationnelle qui mélange l’appelle par nom et l’appelle par valeur et peut être interprèté en mode standard dans les espaces cohérents linéaires. SlPCF est complet pour les fonctions récursives, mais il n’est pas complet et donc il n’est pas fully abstract pour les espaces cohérents linéaires / In the first part, we propose, inspired by Soft Linear Logic, a type assignment system for lambda-calculus in sequent calculus style, named Soft Type Assignment (STA). STA enjoys the subject reduction property. and is correct and complete for polynomial time computations. Then, we propose a natural deduction named STA_N. While simple, STA_N has the disadvantage of allowing the explicit renaming of variables in the subject. To overcome to this problem, we propose another natural deduction system, named STA_M, where contexts are multisets, hence rules renaming variables can be avoided. The type inference for STA_M seems in general undecidable. We propose an algorithm Pi returning, for every lambda-term, a set of constraints that need to be satisfied in order to type the term. Pi is correct and complete. We extend the lambda-calculus by basic boolean constants and we propose the system STA_B. The peculiarity of STA_B is that the conditional rule treats the contexts in an additive way. Every STA_B program can be executed, through an abstract machine, in polynomial space. Moreover, STA_B is also complete for PSPACE. In the second part we propose a restriction of PCF, named SlPCF. The language is naturally equipped with an operational semantics mixing call-by-name and call-by-value parameter passing and it can be interpreted in linear coherence space in a standard way. SlPCF is recursive complete, but it is not complete, and thus not fully abstract, with respect to linear coherence spaces

La réalisabilité classique de Jean-Louis Krivine associe à chaque modèle de calcul et chaque modèle de la théorie des ensembles un nouveau modèle de la théorie des ensembles, appelé modèle de réalisabilité, d'une façon similaire au forcing. Chaque modèle de réalisabilité est muni d’une algèbre de Boole caractéristique $\gimel 2$ (gimel 2), dont la structure donne des informations sur les propriétés du modèle de réalisabilité. En particulier, les modèles de forcing correspondent au cas où $\gimel 2$ est l'algèbre de Boole à deux éléments.Ce travail présente de nouveaux outils pour manipuler les modèles de réalisabilité et donne de nouveaux résultats obtenus en les exploitant. L'un d'entre eux est qu'au premier ordre, la théorie des algèbres de Boole à au moins deux éléments est complète pour $\gimel 2$, au sens où $\gimel 2$ eut être rendue élémentairement équivalente à n'importe quelle algèbre de Boole. Deux autres résultats montrent que $\gimel 2$ peut être utilisée pour étudier les modèles dénotationnels de langage de programmation (chacun part d'un modèle dénotationnel et classifie ses degrés de parallélisme à l'aide de $\gimel 2$). Un autre résultat montre que la technique de Jean-Louis Krivine pour réaliser l'axiome des choix dépendants à partir de l'instruction quote peut se généraliser à des formes plus fortes de choix. Enfin, un dernier résultat, obtenu en collaboration avec Laura Fontanella, accompagne le précédent en adaptant la condition d'antichaîne dénombrable du forcing au cadre de la réalisabilité, ce qui semble semble ouvrir une piste prometteuse pour réaliser l'axiome du choix. / Jean-Louis Krivine's classical realizability defines, from any given model of computation and any given model of set theory, a new model of set theory called the realizability model, in a similar way to forcing. Each realizability model is equipped with a characteristic Boolean algebra $\gimel 2$ (gimel 2), whose structure encodes important information about the properties of the realizability model. For instance, forcing models are precisely the realizability models in which $\gimel 2$ is the Boolean algebra with to elements.This document defines new tools for studying realizability models and exploits them to derive new results. One such result is that, as far as first-order logic is concerned, the theory of Boolean algebras with at least two elements is complete for $\gimel 2$, meaning that for each Boolean algebra B (with at least two elements), there exists a realizability model in which $\gimel 2$ is elementarily equivalent to B. Next, two results show that $\gimel 2$ can be used as a tool to study denotational models of programming languages (each one of them takes a particular denotational model and classifies its degrees of parallelism using $\gimel 2$). Moving to set theory, another results generalizes Jean-Louis Krivine's technique of realizing the axiom of dependant choices using the instruction quote to higher forms of choice. Finally, a last result, which is joint work with Laura Fontanella, complements the previous one by adapting the countable antichain condition from forcing to classical realizability, which seems to open a new, promising approach to the problem of realizing the full axiom of choice.

This paper analyzes relationships between the roles of descriptions and actions in large scale, open ended, geographically distributed, concurrent systems. Rather than attempt to deal with the complexities and ambiguities of currently implemented descriptive languages, we concentrate our analysis on what can be expressed in the underlying frameworks such as the lambda calculus and first order logic. By this means we conclude that descriptions and actions complement one another: neither being sufficient unto itself. This paper provides a basis to begin the analysis of the very subtle relationships that hold between descriptions and actions in Open Systems.