Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

La théorie des catégories (TC) vaut tant par ses applications mathématiques que par les débats philosophiques qu'elle suscite. Elle sert à exprimer en topologie algébrique, à déduire en algèbre homologique et, en tant qu'alternative à la théorie des ensembles, à construire des objets en géométrie algébrique dans la conception de Grothendieck. Des sources non publiées montrent que Grothendieck quitta le groupe Bourbaki à l'issue d'un débat sur la TC relevant en partie de l'épistémologie, notamment quant à la réalisation ensembliste des constructions catégorielles. Nous soutenons que la TC est fondamentale, car elle traite d'opérations typiques de la mathématique de structures : d'après notre position pragmatique, la justification de la connaissance mathématique ne se fait pas par la réduction à des objets de base mais plutôt, à chaque niveau, par rapport au sens commun technique (les théories de niveau ultérieur ont pour objets les théories des objets originaux).

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

De nombreux domaines comme le jeu vidéo, l’architecture, l’ingénierie ou l’archéologie font désormais appel à la modélisation géométrique. Les objets à représenter sont de natures diverses, et leurs opérations de manipulation sont spécifiques. Ainsi, les modeleurs sont nombreux car tous spécialisés à leur domaine d’application. Or ils sont à la fois chers à développer, souvent peu robustes, et difficilement extensibles. Nous avons proposé dans la thèse l’approche alternative suivante :– fournir un langage dédié à la modélisation qui permet de définir les opérations quelque soit le domaine d’application ; dans ce langage, les objets sont représentés avec le modèle topologique des cartes généralisées, dont nous avons étendu la définition aux plongements ; les opérations sont elles définies par des règles de transformation de graphes, issues de la théorie des catégorie ;– garantir les opérations définies dans le langage à l’aide de conditions de cohérence ; une opération dont la définition vérifie ces conditions ne produit pas d’anomalie ;– développer un noyau de modeleur générique qui interprète ce langage ; les opérations définies sont directement appliquées dans le modeleur, sans implantation dans un langage de programmation ; l’outil assure également la vérification automatique des conditions du langage pour prévenir un utilisateur lorsqu’il propose une opération incohérente.Le langage et le modeleur développés se sont révélés performants à la fois en termes de temps de développement et en termes de temps machine. L’implantation d’une nouvelle opération par une règle ne prend que quelques minutes à l’aide des conditions du langage, au contraire de l’approche classi / Geometric modeling is now involved in many fields such as: video games, architecture, engineering and archaeology. The represented objects are very different from one field to another, and so are their modeling operations. Furthermore, many specific types of modeling software are designed for high programing costs, but with a relatively low rate of effectiveness.The following is an alternative approach:– we have conceived a dedicated language for geometric modeling that will allow us to define any operation of any field; objects in this language are defined with the topological model of generalized maps, this definition has been extended to the embedding informations; here the operations are defined as graph transformation rules which originate from the category theory;– we have ensured operation definitions with consistency conditions; these operations that satisfy those conditions do not generate anomalies; – we have designed generic modeling software to serve as an interpreter of this language; the operation definitions are directly applied without the need for more programing; the software also automatically checks the language conditions and warns the user if he designs a non-consistent operation.The provided language and software prove to be efficient, and all for a low programing cost. Designing a new operation takes only minutes thanks to the language conditions, as opposed to hours of programming and debugging with the past approach.

Dans cette thèse, on présente la théorie algébrique IH par le biais de générateurs et d’équations.Le modèle libre de IH est la catégorie des sous-espaces linéaires sur un corps k. Les termes de IH sont des diagrammes de cordes, qui, selon le choix de k, peuvent exprimer différents types de réseaux et de formalismes graphiques, que l’on retrouve dans des domaines scientifiques divers, tels que les circuits quantiques, les circuits électriques et les réseaux de Petri. Les équations de IH sont obtenues via des lois distributives entre algèbres de Hopf – d’où le nom “Interacting Hopf algebras” (algèbres de Hopf interagissantes). La caractérisation via les sous-espaces permet de voir IH comme une syntaxe fondée sur les diagrammes de cordes pour l’algèbre linéaire: les applications linéaires, les espaces et leurs transformations ont chacun leur représentation fidèle dans le langage graphique. Cela aboutit à un point de vue alternatif, souvent fructueux, sur le domaine.On illustre cela en particulier en utilisant IH pour axiomatiser la sémantique formelle de circuits de calculs de signaux, pour lesquels on s’intéresse aux questions de la complète adéquation et de la réalisabilité. Notre analyse suggère un certain nombre d’enseignements au sujet du rôle de la causalité dans la sémantique des systèmes de calcul. / We present by generators and equations the algebraic theory IH whose free model is the category oflinear subspaces over a field k. Terms of IH are string diagrams which, for different choices of k, expressdifferent kinds of networks and graphical formalisms used by scientists in various fields, such as quantumcircuits, electrical circuits and Petri nets. The equations of IH arise by distributive laws between Hopfalgebras - from which the name interacting Hopf algebras. The characterisation in terms of subspacesallows to think of IH as a string diagrammatic syntax for linear algebra: linear maps, spaces and theirtransformations are all faithfully represented in the graphical language, resulting in an alternative, ofteninsightful perspective on the subject matter. As main application, we use IH to axiomatise a formalsemantics of signal processing circuits, for which we study full abstraction and realisability. Our analysissuggests a reflection about the role of causality in the semantics of computing devices.

Cette thèse de doctorat a pour sujet les modèles de la théorie homotopique des types avec l'Axiome d'Univalence introduit par Vladimir Voevodsky. L'auteur prend pour cadre de travail les définitions de type-theoretic model category, type-theoretic fibration category (cette dernière étant la notion de modèle considérée dans cette thèse) et d'univers dans une type-theoretic fibration category, définitions dues à Michael Shulman. La problématique principale de cette thèse consiste à approfondir notre compréhension de la stabilité de l'Axiome d'Univalence pour les catégories de préfaisceaux, en particulier pour les groupoïdes équipés d'une involution. / This PhD thesis deals with some new models of Homotopy Type Theory and the Univalence Axiom introduced by Vladimir Voevodsky. Our work takes place in the framework of the definitions of type-theoretic model categories, type-theoretic fibration categories (the notion of model under consideration in this thesis) and universe in a type-theoretic fibration category, definitions due to Michael Shulman. The goal of this thesis consists mainly in the exploration of the stability of the Univalence Axiom for categories of functors , especially for groupoids equipped with involutions.

Thèse par articles. / La présente thèse fait état des avancées en logique déontique et propose des outils formels pertinents à l'analyse de la validité des inférences légales. D'emblée, la logique vise l'abstraction de différentes structures. Lorsqu'appliquée en argumentation, la logique permet de déterminer les conditions de validité des inférences, fournissant ainsi un critère afin de distinguer entre les bons et les mauvais raisonnements. Comme le montre la multitude de paradoxes en logique déontique, la modélisation des inférences normatives fait cependant face à divers problèmes. D'un point de vue historique, ces difficultés ont donné lieu à différents courants au sein de la littérature, dont les plus importants à ce jour sont ceux qui traitent de l'action et ceux qui visent la modélisation des obligations conditionnelles. La présente thèse de doctorat, qui a été rédigée par articles, vise le développement d'outils formels pertinents à l'analyse du discours juridique. En première partie, nous proposons une revue de la littérature complémentaire à ce qui a été entamé dans Peterson (2011). La seconde partie comprend la contribution théorique proposée. Dans un premier temps, il s'agit d'introduire une logique déontique alternative au système standard. Sans prétendre aller au-delà de ses limites, le système standard de logique déontique possède plusieurs lacunes. La première contribution de cette thèse est d'offrir un système comparable répondant au différentes objections pouvant être formulées contre ce dernier. Cela fait l'objet de deux articles, dont le premier introduit le formalisme nécessaire et le second vulgarise les résultats et les adapte aux fins de l'étude des raisonnements normatifs. En second lieu, les différents problèmes auxquels la logique déontique fait face sont abordés selon la perspective de la théorie des catégories. En analysant la syntaxe des différents systèmes à l'aide des catégories monoïdales, il est possible de lier certains de ces problèmes avec des propriétés structurelles spécifiques des logiques utilisées. Ainsi, une lecture catégorique de la logique déontique permet de motiver l'introduction d'une nouvelle approche syntaxique, définie dans le cadre des catégories monoïdales, de façon à pallier les problèmes relatifs à la modélisation des inférences normatives. En plus de proposer une analyse des différentes logiques de l'action selon la théorie des catégories, la présente thèse étudie les problèmes relatifs aux inférences normatives conditionnelles et propose un système déductif typé. / The present thesis develops formal tools relevant to the analysis of legal discourse. When applied to legal reasoning, logic can be used to model the structure of legal inferences and, as such, it provides a criterion to discriminate between good and bad reasonings. But using logic to model normative reasoning comes with some problems, as shown by the various paradoxes one finds within the literature. From a historical point of view, these paradoxes lead to the introduction of different approaches, such as the ones that emphasize the notion of action and those that try to model conditional normative reasoning. In the first part of this thesis, we provide a review of the literature, which is complementary to the one we did in Peterson (2011). The second part of the thesis concerns our theoretical contribution. First, we propose a monadic deontic logic as an alternative to the standard system, answering many objections that can be made against it. This system is then adapted to model unconditional normative inferences and test their validity. Second, we propose to look at deontic logic from the proof-theoretical perspective of category theory. We begin by proposing a categorical analysis of action logics and then we show that many problems that arise when trying to model conditional normative reasoning come from the structural properties of the logic we use. As such, we show that modeling normative reasoning within the framework of monoidal categories enables us to answer many objections in favour of dyadic and non-monotonic foundations for deontic logic. Finally, we propose a proper typed deontic system to model legal inferences.

Les divers intervenants qui décrivent, étudient et réalisent un système complexe ont besoin de points de vue adaptés à leurs préoccupations. Cependant, dans le contexte de l’Ingénierie Dirigée par les Modèles, les moyens pour définir et mettre en œuvre ces points de vue sont, soit trop rigides et inadaptées, soit totalement ad hoc. De plus, ces différents points de vue sont rarement indépendants les uns des autres. Dès lors, il faut s’attacher à identifier puis décrire les liens/les correspondances qui existent entre les points de vue pour enfin pouvoir vérifier que les réponses apportées par les différents intervenants constituent un tout cohérent.Les travaux exposés dans cette thèse permettent la définition de langages dédiés basés sur UML pour les points de vue. Pour cela, une méthode outillée qui analyse la sémantique des descriptions textuelles des concepts du domaine que l’on souhaite projeter sur UML est proposée afin de faciliter la définition de profils UML. Les résultats obtenus sur les cas d’études concrets étudiés sont encourageants et dépassent les résultats des outils existants. Pour définir des points de vue basés sur des profils UML, cette thèse propose une méthode qui permet au méthodologiste d’expliciter le point de vue voulu. Un outil génère ensuite l’outillage qui met en œuvre ce point de vue dans un environnement de modélisation ainsi que le langage dédié correspondant là où la pratique actuelle repose sur une mise en œuvre essentiellement manuelle.Pour assister l’identification des liens entre points de vue, cette thèse propose là aussi d’analyser la sémantique des descriptions textuelles des concepts des langages utilisés par les points de vue. Utilisée en complément des heuristiques syntaxiques existantes, l’approche proposée permet d’obtenir de bons résultats lorsque les terminologies des langages analysés sont éloignées. Un cadre théorique basé sur la théorie des catégories est proposé pour expliciter formellement les correspondances. Pour utiliser ce cadre, une catégorie pour les langages basés sur UML a été proposée. Afin de pouvoir également expliciter les correspondances entre les modèles issus de ces langages, la catégorie des ontologies OWL est utilisée. Une solution est proposée pour caractériser des correspondances plus complexes que la simple équivalence. Ce cadre théorique permet la définition formelle de relations complexes qui permettront de raisonner sur la cohérence de la description de l’architecture. Une fois la description de l’architecture intégrée en un tout en suivant les correspondances formalisées, la question de la cohérence est abordée. Les expérimentations faites sur un cas d’étude concret pour vérifier la cohérence à un niveau syntaxique donnent des résultats pratiques satisfaisants. Les expérimentations menées sur le même cas pour vérifier la cohérence à un niveau sémantique ne donnent pas de résultats pratiques satisfaisants. / The various stakeholders who describe study and implement a complex system require viewpoints that are dedicated to their concerns. However, in the context of Model-Driven Engineering, approaches to define and implement those viewpoints are either too rigid and inappropriate or completely ad hoc. In addition, those various viewpoints are rarely independent from each other. Therefore, we must strive to identify and describe the relationships/correspondences between the viewpoints in order to be able to verify that the parts of the solution given by the various stakeholders form a consistent whole.The work presented in this thesis provides a way to define dedicated languages based on UML for the viewpoints. For this, a method that analyzes the semantics of the textual descriptions of the concepts of the domain we want to map to UML has been implemented to facilitate the definition of UML profiles. The results we get on the concrete test cases we considered are encouraging and go beyond results of existing tools. To define a viewpoint based on some UML profiles, this thesis provides a method that lets the methodologist make explicit the viewpoint he/she wants. A tool can then generate the tooling that implements this viewpoint in a modeling environment together with the corresponding dedicated language while current practice is based on an implementation essentially manual.To assist the identification of relationships between the viewpoints, this thesis proposes again to analyze the semantics of textual descriptions of concepts of the languages used by the viewpoints. Used in combination with existing syntactic heuristics, the proposed approach provides good results when the terminologies of the languages that are analyzed are far apart. A theoretical framework based on category theory is provided to make explicit formally correspondences. To use this framework, a category for languages based on UML has been proposed. To be able to make explicit the correspondences between the models of those languages as well, the category of OWL ontologies is used. A solution is proposed to characterize correspondences that are more complex than the simple equivalence relationship. This theoretical framework provides a way to define formally complex relationships that can be used to verify the consistency of the architectural description. Once the description of the architecture has been integrated according to the formal correspondences, the issue of consistency is considered. The experiments carried out on a concrete test case to verify consistency on a syntactic perspective give satisfactory practical results. The experiments carried on the same test case to verify consistency on a semantic perspective don’t give satisfactory practical results.

L'ingénierie des systèmes complexes et systèmes de systèmes conduit souvent à des activités de modélisation (MA) complexes. Les problèmes soulevés par les MA sont notamment : comprendre le contexte dans lequel elles sont exécutées, comprendre l'impact sur les cycles de vie des modèles qu'elles produisent, et finalement trouver une approche pour les maîtriser. L'objectif principal de cette thèse est d'élaborer une approche formelle pour adresser ce problème. Dans cette thèse, après avoir étudié les travaux connexes en ingénierie système et plus spécifiquement ceux qui portent sur la co-ingénierie du système à faire (le produit) et du système pour faire (le projet), nous développons une méthodologie nommée MODEF pour traiter ce problème. MODEF consiste en: (1) Caractériser les MA comme un système et plus généralement une fédération de systèmes. (2) Construire de manière itérative une architecture de ce système via la modélisation du contenu conceptuel des modèles produits par MA et leur cycle de vie, les tâches réalisées au sein des MA et leurs effets sur ces cycles de vie. (3) Spécifier les attentes sur ces cycles de vie. (4) Analyser les modèles (des MA) par rapport à ces attentes (et éventuellement les contraintes sur les tâches) pour vérifier jusqu'à quel point elles sont atteignables via la synthèse des points (ou états) acceptables. D'un point de vue pratique, l'exploitation des résultats de l'analyse permet de contrôler le déroulement des tâches de modélisation à partir de la mise en évidence de leur impact sur les modèles qu'elles produisent. En effet, cette exploitation fournit des données pertinentes sur la façon dont les MA se déroulent et se dérouleraient de bout en bout. A partir de ces informations, il est possible de prendre des mesures préventives ou correctives. Nous illustrons cela à l'aide de deux cas d'étude (le fonctionnement d'un supermarché et la modélisation de la couverture fonctionnelle d'un système). D'un point de vue théorique, les sémantiques formelles des modèles des MA et le formalisme des attentes sont d'abord données. Ensuite, les algorithmes d'analyse et d'exploitation sont présentés. Cette approche est brièvement comparée avec des approches de vérification des modèles et de synthèse de systèmes. Enfin, deux facilitateurs de la mise en œuvre de MODEF sont présentés. Le premier est une implémentation modulaire des blocs de base de MODEF. Le second est une architecture fédérée (FA) des modèles visant à faciliter la réutilisation des modèles formels en pratique. La formalisation de FA est faite dans le cadre de la théorie des catégories. De ce fait, afin de construire un lien entre abstraction et implémentation, des structures de données et algorithmes de base sont proposés pour utiliser FA en pratique. Différentes perspectives sur les composantes de MODEF concluent ce travail. / The engineering of complex systems and systems of systems often leads to complex modelling activities (MA). Some challenges exhibited by MA are: understanding the context where they are carried out and their impacts on the lifecycles of models they produce, and ultimately providing a support for mastering them. How to address these challenges with a formal approach is the central challenge of this thesis. In this thesis, after discussing the related works from systems engineering in general and the co-engineering of the system to be made (product) and the system for make (project) systems specifically, we position and develop a methodology named MODEF, that aims to master the operation of MA. MODEF consists in: (1) characterizing MA as a system (and more globally as a federation of systems) in its own right; (2) iteratively architecting this system through: the modelling of the conceptual content of the models produced by MA and their life cycles, the tasks carried out within MA and their effects on these life cycles; (3) specifying the expectations over these life cycles and; (4) analysing models (of MA) against expectations (and possibly tasks constraints) - to check how far expectations are achievable - via the synthesis of the acceptable behaviours. On a practical perspective, the exploitation of the results of the analysis allows figuring out what could happen with the modelling tasks and their impacts on the whole state of models they handle. We show on two case studies (the operation of a supermarket and the modelling of the functional coverage of a system) how this exploitation provides insightful data on how the system is end-to-end operated and how it can behave. Based on this information, it is possible to take some preventive or corrective actions on how the MA are carried out. On the foundational perspective, the formal semantics of three kinds of involved models and the expectations formalism are first discussed. Then the analysis and exploitation algorithms are presented. Finally this approach is roughly compared with model checking and systems synthesis approaches. Last but not least, two enablers whose first objectives are to ease the implementation of MODEF are presented. The first one is a modular implementation of MODEF's buildings blocks. The second one is a federated architecture (FA) of models which aims to ease working with formal models in practice. Despite the fact that FA is formalised within the abstract framework of category theory, an attempt to bridge the gap between abstraction and implementation is sketched via some basic data structures and base algorithms. Several perspectives related to the different components of MODEF conclude this work.