Une Dialectica matérialiste

In this thesis, we give a computational interpretation to Gödel's Dialectica translation, in a fashion inspired by classical realizability. In particular, it can be shown that the Dialectica translation manipulates stacks of the Krivine machine as first-class objects and that the main effect at work lies in the accumulation of those stacks at each variable use. The original translation suffers from a handful of defects due to hacks used by Gödel to work around historical limitations. Once these defects are solved, the translation naturally extends to much more expressive settings such as dependent type theory. A few variants are studied thanks to the linear decomposition, and relationships with other translations such as forcing and CPS are scrutinized.Cette thèse fournit une interprétation calculatoire de la traduction dite Dialectica de Gödel, dans une démarche inspirée par la réalisabilité classique. On peut en particulier montrer que Dialectica manipule des piles de la machine de Krivine comme objets de première classe et que le principal effet de cette traduction consiste à accumuler ces piles à chaque utilisation de variables. La traduction d'origine souffre d'une certaine quantité de défauts dus aux hacks utilisés par Gödel pour contourner des limitations historiques. Une fois ces problèmes résolus, la traduction s'étend naturellement à des paradigmes beaucoup plus expressifs tels que la théorie des types dépendants. On étudie d'autres variantes par la suite grâce à la décomposition linéaire, ainsi que lien de parenté avec d'autres traductions tels que le forcing et les CPS

The monitoring power of forcing program transformations

In this thesis, we are interested in semantical proofs of correctness results for complex programming languages. In particular, we advocate the need for a theoretical framework that allows one to:- design realizability semantics using basic blocks - use algebraic constructions to combine those blocks As a step towards this goal, we propose a new semantical framework, based on the composition of linear variants of Krivine realizability and Cohen forcing. The first ingredient of this framework is the Monitoring Abstract Machine: a computing environment that possesses special memory cells used to monitor the execution of programs, in the style of Miquel's KFAM. It is shown how this new machine emerges from a linear forcing program transformation. We then introduce the central notion of Monitoring Algebra and the associated realizability interpretation. Different monitoring algebras induce sound semantics of different programming languages. We then present an algebraic construction to combine different Monitoring Algebras (and the associated programming languages) based on the technique of forcing iteration. We present various results and first applications of our theory. We show that the forcing structure can be used to represent the consumption of resources, in particular time, but also step-indexing or the use of higher-order references. We finally apply our results to retrieve three complex soundness results:- we give the first semantical proof of the consistency of a contraction-free naive set theory, originally introduced by Grishin- we use our framework to obtain a polynomial time termination result for a light-logic based programming language featuring recursive types - we prove the soundness of a language with references that supports strong updates, based on a linear type system inspired by a work of Ahmed, Fluet and Morrisett.Dans cette thèse, nous nous intéressons aux preuves sémantiques de résultats de corrections pour des langages de programmation complexes. En particulier, nous mettons en évidencele besoin d'un nouveau cadre théorique permettant de:- concevoir des sémantiques de réalisabilité à partir de briques plus élémentaires.- combiner ces briques élémentaires grâce à des constructions algébriques.- prouver des théorèmes généraux réutilisables lors de preuves futures de correctionde langages de programmation. Nous proposons dans ce manuscrit un tel cadre sémantique, basé sur la composition de variantes linéaires de la réalisabilité de Krivine et du forcing de Cohen. Le premier ingrédient est la Monitoring Abstract Machine: un environnement de calcul qui utilise des cases mémoires réservées pour "surveiller" l'exécution des programmes, dans le style de la KFAM introduite par Miquel. Cette machine émerge naturellement d'une transformation de programme basée sur une variante linéaire du forcing de Cohen. Nous introduisons par la suite la notion centrale d'Algèbre de Monitoring et le modèle de réalisabilité associé. Chaque algèbre de monitoring induit une sémantique correcte pour un langage de programmation associé. Point crucial de cette thèse, nous définissons, en se basant sur la technique du forcing itéré, une construction algébrique permettant de combiner plusieurs algèbres de monitoring. Nous développons de nombreux résultats élémentaires à propos de notre théorie. En particulier, nous montrons que la structure de forcing peut être utilisée pour représenter la consommation de ressources (en particulier le temps), le step-indexing ou encore des références d'ordre supérieur. Finalement, nous appliquons notre théorie pour obtenir trois preuves de correction complexes:- nous donnons la première preuve sémantique connue de la cohérence d'une théorie des ensembles naïve sans contraction introduite originellement par Grishin dans les années 70- nous utilisons notre cadre pour obtenir un résultat de terminaison en temps polynomial pour un langage de programmation avec types récursifs basé sur une logique light- nous reprouvons la correction d'un langage avec références d'ordre supérieur et mise à jour forte, inspiré par un système de type introduit par Ahmed, Fluet et Morrisett

Focalisation and Classical Realisability (version with appendices)

The original publication is avalaible at : www.springerlink.comInternational audienceWe develop a polarised variant of Curien and Herbelin's lambda-bar-mu-mu-tilde calculus suitable for sequent calculi that admit a focalising cut elimination (i.e. whose proofs are focalised when cut-free), such as Girard's classical logic LC or linear logic. This gives a setting in which Krivine's classical realisability extends naturally (in particular to call-by-value), with a presentation in terms of orthogonality. We give examples of applications to the theory of programming languages

Forcing et réalisabilité classique

This thesis focuses on the computational interpretation of Cohen's forcing through the classical Curry-Howard correspondence, using the tools of classical realizability. In a first part, we start by a general introduction to classical realizability in second-order arithmetic (PA2). We cover the description of the Krivine Abstract Machine (KAM), the construction of the realizability models, the realizers for arithmetic and the main two computational topics: specification and witness extraction. To illustrate the flexibility of this approach, we show that it can be effortlessly adapted to several extensions such as new instructions in the KAM or primitive datatypes like natural, rational and real numbers. These various works are formalized in the Coq proof assistant.In the second part, we redesign this framework in a higher-order setting and compare it to PA2.This change is necessary to fully express the forcing transformation, but it also allows us to uniformize the theory and integrate all datatypes. We present forcing in classical realizability, initially due to Krivine, and extend it to generic filters whenever the forcing conditions form a datatype. We can then see forcing as a program transformation adding a memory cell with its access primitives. Our aim is to find more efficient realizers rather than independence results, which are the common use of forcing techniques. The methodology is illustrated on the example of Herbrand's theorem, the proof by forcing of which gives a much more efficient program than the usual proof. Furthermore, we can recover the natural algorithm that one can write to solve the underlying computational problem if we use a datatype as forcing poset.Cette thèse s'intéresse à la correspondance de Curry-Howard classique et son interaction avec le forcing de Cohen, en s'appuyant sur les outils de la réalisabilité classique. Dans une première partie, nous commençons par une introduction générale à la réalisabilité classique dans PA2, avec pour fil directeur l'extraction de témoin. Cette introduction couvre la description de la machine abstraite de Krivine (KAM), la construction des modèles, la réalisation de l'arithmétique et les deux principales problématiques calculatoires : la spécification et l'extraction de témoin. Pour illustrer la flexibilité de ce cadre, nous montrons ensuite qu'il s'adapte sans effort à diverses extensions : l'ajout d'instructions supplémentaires dans la KAM ou l'introduction de types de données primitifs tels que les entiers, les rationnels et les réels. Ces divers travaux ont été formalisés dans l'assistant de preuves Coq.Dans une seconde partie, nous redéfinissons ce cadre à l'ordre supérieur et le comparons à PA2. Ce changement, nécessaire pour exprimer pleinement la transformation de forcing, uniformise la théorie et permet d'intégrer tous les types de données. Nous présentons ensuite le forcing en réalisabilité classique, initialement dû à Krivine, puis l'étendons aux filtres génériques, lorsque les conditions de forcing forment un type de données. Cela permet de relire le forcing comme une transformation de programmes, dans le but d'obtenir des réalisateurs plus efficaces plutôt que des résultats d'indépendance. Cette méthode est illustrée notamment par l'exemple du théorème de Herbrand, dont la preuve par forcing donne un programme nettement plus efficace que la preuve habituelle

Classical realizability and side effects

Cette thèse s'intéresse au contenu calculatoire des preuves classiques, et plus spécifiquement aux preuves avec effets de bord et à la réalisabilité classique de Krivine. Le manuscrit est divisé en trois parties, dont la première consiste en une introduction étendue des concepts utilisés par la suite. La seconde partie porte sur l’interprétation calculatoire de l’axiome du choix dépendant en logique classique. Ce travail s'inscrit dans la continuité du système dPAω d'Hugo Herbelin, qui permet d’adapter la preuve constructive de l’axiome du choix en théorie des types de Martin-Löf pour en faire une preuve constructive de l’axiome du choix dépendant dans un cadre compatible avec la logique classique. L'objectif principal de cette partie est de démontrer la propriété de normalisation pour dPAω, sur laquelle repose la cohérence du système. La difficulté d'une telle preuve est liée à la présence simultanée de types dépendants (pour la partie constructive du choix), d'opérateurs de contrôle (pour la logique classique), d'objets co-inductifs (pour "encoder" les fonctions de type N → A par des streams (a₀,a₁,...)) et d'évaluation paresseuse avec partage (pour ces objets co-inductifs). Ces difficultés sont étudiées séparément dans un premier temps. En particulier, on montre la normalisation du call-by-need classique (présenté comme une extension du λµµ̃-calcul avec des environnements partagé), en utilisant notamment des techniques de réalisabilité à la Krivine. On développe ensuite un calcul des séquents classique avec types dépendants, définie comme une adaptation du λµµ̃-calcul, dont la correction est prouvée à l'aide d'une traduction CPS tenant compte des dépendances. Enfin, une variante en calcul des séquents du système dPAω est introduite, combinant les deux points précédents, dont la normalisation est finalement prouvée à l'aide de techniques de réalisabilité. La dernière partie, d'avantage orientée vers la sémantique, porte sur l’étude de la dualité entre l’appel par nom (call-by-name) et l’appel par valeur (call-by-value) dans un cadre purement algébrique inspiré par les travaux autour de la réalisabilité classique (et notamment les algèbres de réalisabilité de Krivine). Ce travail se base sur une notion d'algèbres implicatives développée par Alexandre Miquel, une structure algébrique très simple généralisant à la fois les algèbres de Boole complètes et les algèbres de réalisabilité de Krivine, de manière à exprimer dans un même cadre la théorie du forcing (au sens de Cohen) et la théorie de la réalisabilité classique (au sens de Krivine). Le principal défaut de cette structure est qu’elle est très orientée vers le λ-calcul, et ne permet d’interpréter fidèlement que les langages en appel par nom. Pour remédier à cette situation, on introduit deux variantes des algèbres implicatives les algèbres disjonctives, centrées sur le “par” de la logique linéaire (mais dans un cadre non linéaire) et naturellement adaptées aux langages en appel par nom, et les algèbres conjonctives, centrées sur le “tenseur” de la logique linéaire et adaptées aux langages en appel par valeur. On prouve en particulier que les algèbres disjonctives ne sont que des cas particuliers d'algèbres implicatives et que l'on peut obtenir une algèbre conjonctive à partir d'une algèbre disjonctive (par renversement de l’ordre sous-jacent). De plus, on montre comment interpréter dans ces cadres les fragments du système L de Guillaume Munch-Maccagnoni en appel par valeur (dans les algèbres conjonctives) et en appel par nom (dans les algèbres disjonctives).This thesis focuses on the computational content of classical proofs, and specifically on proofs with side-effects and Krivine classical realizability. The manuscript is divided in three parts, the first of which consists of a detailed introduction to the concepts used in the sequel.The second part deals with the computational content of the axiom of dependent choice in classical logic. This works is in the continuity of the system dPAω developed Hugo Herbelin. This calculus allows us to adapt the constructive proof of the axiom of choice in Martin-Löf's type theory in order to turn it into a constructive proof of the axiom of dependent choice in a setting compatible with classical logic. The principal goal of this part is to prove the property of normalization for dPAω, on which relies the consistency of the system. Such a proof is hard to obtain, due to the simultaneous presence of dependent types (for the constructive part of the choice), of control operators (for classical logic), of co-inductive objects (in order to "encode" functions of type N → A as streams (a₀,a₁,...)) and of lazy evaluation with sharing (for this co-inductive objects). These difficulties are first studied separately. In particular, we prove the normalization of classical call-by-need (presented as an extension of the λµ̃µ-calculus with shared environments) by means of realizability techniques. Next, we develop a classical sequent calculus with dependent types, defined again as an adaptation of the λµ̃µ-calculus, whose soundness is proved thanks to a CPS translation which takes the dependencies into account. Last, a sequent-calculus variant of dPAω is introduced, combining the two previous systems. Its normalization is finally proved using realizability techniques. The last part, more oriented towards semantics, studies the duality between the call-by-name and the call-by-value evaluation strategies in a purely algebraic setting, inspired from several works around classical realizability (and in particular Krivine realizability algebras). This work relies on the notion of implicative algebras developed by Alexandre Miquel, a very simple algebraic structure generalizing at the same time complete Boolean algebras and Krivine realizability algebras, in such a way that it allows us to express in a same setting the theory of forcing (in the sense of Cohen) and the theory of classical realizability (in the sense of Krivine). The main default of these structures is that they are deeply oriented towards the λ-calculus, and that they only allows to faithfully interpret languages in call-by-name. To remediate the situation, we introduce two variants of implicative algebras: disjunctive algebras, centered on the "par" connective of linear logic (but in a non-linear framework) and naturally adapted to languages in call-by-name; and conjunctives algebras, centered on the "tensor" connective of linear logic and adapted to languages in call-by-value. Amongst other things, we prove that disjunctive algebras are particular cases of implicative algebras and that conjunctive algebras can be obtained from disjunctive algebras (by reversing the underlying order). Moreover, we show how to interpret in these frameworks the fragments of Guillaume Munch-Maccagnoni's system L corresponding to a call-by-value calculus (within conjunctive algebras) and to a call-by-name calculus (within disjunctive algebras)

Réalisabilité classique et effets de bords

This thesis focused on the computational content of classical proofs, and specifically on proofs with side-effects and Krivine classical realizability. The manuscript is divided in three parts, the first of which consists of a detailed introduction to the concepts used in the sequel.The second part deals with the computational content of the axiom of dependent choice in classical logic. This works is in the continuity of dPAω system of Hugo Herbelin, which allows to adapt the constructive proof of the axiom of choice in Martin-Löf's type theory in order to turn it into a constructive proof of the axiom of dependent choice in a setting compatible with classical logic. The principal goal of this part is to prove the property of normalization for dPAω, on which relies the consistency of the system. Such a proof is hard to obtain, due to the simultaneous presence of dependent types (for the constructive part of the choice), of control operators (for classical logic), of co-inductive objects (in order to "encode" functions of type N → A as streams (a₀,a₁,...)) and of lazy evaluation with sharing (for this co-inductive objects). This difficulties are first studied separately. In particular, we show the normalization of classical call-by-need (presented as an extension of the λµ̃µ-calculus with shared environments) by means of realizability techniques. Next, we develop a classical sequent calculus with dependent types, defined again as an adaptation of the λµ̃µ-calcul whose soundness is proved thanks to a CPS-translation which takes the dependencies into account. Last, a sequent-calculus variant of dPAω is introduced, combining the two previous systems. Its normalization is finally proved using realizability techniques.The last part, more oriented towards semantics, studies the duality between the call-by-name and call-by-value evaluation strategies in a purely algebraic setting, inspired from several works around classical realizability (and in particular Krivine realizability algebras). This work relies on the notion of implicative algebras developed by Alexandre Miquel, a very simple algebraic structure generalizing at the same time complete Boolean algebras and Krivine realizability algebras, in such a way that it allows to express in a same setting the theory of forcing (in the sense of Cohen) and the theory of classical realizability (in the sense of Krivine). The main default of these structures is that they are deeply oriented towards the λ-calculus, and that they only allows to faithfully interpret languages in call-by-name. To remediate the situation, we introduce two variants of implicative algebras: disjunctive algebras, centered on the "par" connective of linear logic (but in a non-linear framework) and naturally adapted to languages in call-by-name; and conjunctives algebras, centered on the "tensor" connective of linear logic and adapted to languages in call-by-value. Amongst other things, we show that disjunctive algebras are particular cases of implicative algebras and that conjunctive algebras can be obtained from disjunctive algebras (by reversing the underlying order). Moreover, we show how to interpret in these framework the fragments of Guillaume Munch-Maccagnoni's system L for call-by-value (within conjunctive algebras) and for call-by-name (within disjunctive algebras).Cette thèse s'intéresse au contenu calculatoire des preuves classiques, et plus spécifiquement aux preuves avec effets de bord et à la réalisabilité classique de Krivine. Le manuscrit est divisé en trois parties, donc la première consiste en une introduction détaillée aux concepts utilisés par la suite.La deuxième partie porte sur l’interprétation calculatoire de l’axiome du choix dépendant en logique classique, et en particulier au système dPAω d'Hugo Herbelin. Ce calcul fournit en effet, dans un cadre compatible avec la logique classique, un terme de preuve pour l'axiome du choix dépendant, qui peut être vu comme une adaptation de la preuve constructive de l’axiome du choix en théorie des types de Martin-Löf ou un internalisation dans un système de preuve de l'approche en réalisabilité de Berardi, Bezem et Coquand. L'objectif principal de cette partie est de démontrer la propriété de normalisation pour dPAω, sur laquelle repose la cohérence du système. La difficulté d'une telle preuve est liée à la présence simultanée de types dépendants (pour la partie constructive du choix), d'opérateurs de contrôle (pour la logique classique), d'objets co-inductifs (pour "encoder" les fonctions de type N → A par des streams (a₀,a₁,...)) et l'évaluation paresseuse avec partage (pour ces objets co-inductifs). On montre dans un premier temps la normalisation du call-by-need classique (présenté comme une extension du λµµ̃-calcul avec des environnements partagé), en utilisant notamment des techniques de réalisabilité à la Krivine. On développe ensuite un calcul des séquents classique avec types dépendants, dont la correction est prouvée à l'aide d'une traduction CPS tenant compte des dépendances. En combinant les deux points précédents, on définit enfin une variante en calcul des séquents du système dPAω dont on peut finalement prouver la normalisation.La dernière partie porte sur la structure algébrique des modèles induits par la réalisabilité classique. Ce travail se base sur une notion d'algèbres implicatives développée par Alexandre Miquel, une structure algébrique très simple généralisant à la fois les algèbres de Boole complètes et les algèbres de réalisabilité de Krivine, de manière à exprimer dans un même cadre la théorie du forcing (au sens de Cohen) et la théorie de la réalisabilité classique (au sens de Krivine). Le principal défaut de cette structure est qu’elle est très orientée vers le λ-calcul, et ne permet d’interpréter fidèlement que les langages en appel par nom. Pour remédier à cette situation, on introduit deux variantes des algèbres implicatives les algèbres disjonctives, centrées sur le “par” de la logique linéaire (mais dans un cadre non linéaire) et naturellement adaptées aux langages en appel par nom, et les algèbres conjonctives, centrées sur le “tenseur” de la logique linéaire et adaptées aux langages en appel par valeur. On prouve en particulier que les algèbres disjonctives ne sont que des cas particuliers d'algèbres implicatives et que l'on peut obtenir une algèbre conjonctive à partir d'une algèbre disjonctive (par renversement de l’ordre sous-jacent). De plus, on montre comment interpréter dans ces cadres les fragments du système L de Guillaume Munch-Maccagnoni en appel par valeur (dans les algèbres conjonctives) et en appel par nom (dans les algèbres disjonctives)