Repenser la bibliothèque réelle de Coq : vers une formalisation de l'analyse classique mieux adaptée

Real analysis is pervasive to many applications, if only because it is a suitable tool for modeling physical or socio-economical systems. As such, its support is warranted in proof assistants, so that the users have a way to formally verify mathematical theorems and correctness of critical systems. The Coq system comes with an axiomatization of standard real numbers and a library of theorems on real analysis. Unfortunately, this standard library is lacking some widely used results. For instance, the definitions of integrals and derivatives are based on dependent types, which make them cumbersome to use in practice. This thesis first describes various state-of-the-art libraries available in proof assistants. To palliate the inadequacies of the Coq standard library, we have designed a user-friendly formalization of real analysis: Coquelicot. An easier way of writing formulas and theorem statements is achieved by relying on total functions in place of dependent types for limits, derivatives, integrals, power series, and so on. To help with the proof process, the library comes with a comprehensive set of theorems that cover not only these notions, but also some extensions such as parametric integrals and asymptotic behaviors. Moreover, an algebraic hierarchy makes it possible to apply some of the theorems in a more generic setting, such as complex numbers or matrices. Coquelicot is a conservative extension of the classical analysis of Coq's standard library and we provide correspondence theorems between the two formalizations. We have exercised the library on several use cases: in an exam at university entry level, for the definitions and properties of Bessel functions, and for the solution of the one-dimensional wave equation.L'analyse réelle a de nombreuses applications car c'est un outil approprié pour modéliser de nombreux phénomènes physiques et socio-économiques. En tant que tel, sa formalisation dans des systèmes de preuve formelle est justifié pour permettre aux utilisateurs de vérifier formellement des théorèmes mathématiques et l'exactitude de systèmes critiques. La bibliothèque standard de Coq dispose d'une axiomatisation des nombres réels et d'une bibliothèque de théorèmes d'analyse réelle. Malheureusement, cette bibliothèque souffre de nombreuses lacunes. Par exemple, les définitions des intégrales et des dérivées sont basées sur les types dépendants, ce qui les rend difficiles à utiliser dans la pratique. Cette thèse décrit d'abord l'état de l'art des différentes bibliothèques d'analyse réelle disponibles dans les assistants de preuve. Pour pallier les insuffisances de la bibliothèque standard de Coq, nous avons conçu une bibliothèque facile à utiliser : Coquelicot. Une façon plus facile d'écrire les formules et les théorèmes a été mise en place en utilisant des fonctions totales à la place des types dépendants pour écrire les limites, dérivées, intégrales et séries entières. Pour faciliter l'utilisation, la bibliothèque dispose d'un ensemble complet de théorèmes couvrant ces notions, mais aussi quelques extensions comme les intégrales à paramètres et les comportements asymptotiques. En plus, une hiérarchie algébrique permet d'appliquer certains théorèmes dans un cadre plus générique comme les nombres complexes pour les matrices. Coquelicot est une extension conservative de l'analyse classique de la bibliothèque standard de Coq et nous avons démontré les théorèmes de correspondance entre les deux formalisations. Nous avons testé la bibliothèque sur plusieurs cas d'utilisation : sur une épreuve du Baccalauréat, pour les définitions et les propriétés des fonctions de Bessel ainsi que pour la solution de l'équation des ondes en dimension 1

Différentiabilité et intégrabilité en Coq. Application à la formule de d'Alembert

National audienceLa bibliothèque standard de Coq contient de nombreuses définitions et lemmes permettant de faire de l'analyse, mais ceux-ci se limitent à l'étude de fonctions totales à une seule variable. Même si l'étude des dérivées partielles de fonctions à deux variables peut le plus souvent réutiliser les lemmes existants, l'étude de la formule de d'Alembert comme solution de l'équation des ondes en dimension 1 montre les limites de cette approche. La formalisation en Coq de cette étude a ainsi nécessité de développer une théorie sur la dérivation des intégrales à paramètre et des fonctions à deux variables. De plus, démontrer en Coq la dérivabilité de la formule de d'Alembert s'est révélé être excessivement long. Nous avons donc construit une tactique par réflexion permettant de résumer l'expression "par application des théorèmes généraux de dérivation" souvent utilisée dans les démonstrations sur papier

Formalization of Real Analysis: A Survey of Proof Assistants and Libraries

International audienceIn the recent years, numerous proof systems have improved enough to be used for formally verifying non-trivial mathematical results. They, however, have different purposes and it is not always easy to choose which one is adapted to undertake a formalization effort. In this survey, we focus on properties related to real analysis: real numbers, arithmetic operators, limits, differentiability, integrability, and so on. We have chosen to look into the formalizations provided in standard by the following systems: Coq, HOL4, HOL Light, Isabelle/HOL, Mizar, ProofPower-HOL, and PVS. We have also accounted for large developments that play a similar role or extend standard libraries: ACL2(r) for ACL2, C-CoRN/MathClasses for Coq, and the NASA PVS library. This survey presents how real numbers have been defined in these various provers and how the notions of real analysis described above have been formalized. We also look at the methods of automation these systems provide for real analysis

How to express convergence for analysis in Coq

International audienceMany theorems in analysis are based on the notion of limit. Accordingly, a formalization of convergence in a proof assistant such as Coq must be particularly neat to build a user-friendly library of analysis. This paper presents a new formalization of convergence which can be applied as easily for sequences, real functions, complex functions, vector functions, and so on

Reinventing Coq's Reals library : toward a more suitable formalization of classical analysis

L'analyse réelle a de nombreuses applications car c'est un outil approprié pour modéliser de nombreux phénomènes physiques et socio-économiques. En tant que tel, sa formalisation dans des systèmes de preuve formelle est justifié pour permettre aux utilisateurs de vérifier formellement des théorèmes mathématiques et l'exactitude de systèmes critiques. La bibliothèque standard de Coq dispose d'une axiomatisation des nombres réels et d'une bibliothèque de théorèmes d'analyse réelle. Malheureusement, cette bibliothèque souffre de nombreuses lacunes. Par exemple, les définitions des intégrales et des dérivées sont basées sur les types dépendants, ce qui les rend difficiles à utiliser dans la pratique. Cette thèse décrit d'abord l'état de l'art des différentes bibliothèques d'analyse réelle disponibles dans les assistants de preuve. Pour pallier les insuffisances de la bibliothèque standard de Coq, nous avons conçu une bibliothèque facile à utiliser : Coquelicot. Une façon plus facile d'écrire les formules et les théorèmes a été mise en place en utilisant des fonctions totales à la place des types dépendants pour écrire les limites, dérivées, intégrales et séries entières. Pour faciliter l'utilisation, la bibliothèque dispose d'un ensemble complet de théorèmes couvrant ces notions, mais aussi quelques extensions comme les intégrales à paramètres et les comportements asymptotiques. En plus, une hiérarchie algébrique permet d'appliquer certains théorèmes dans un cadre plus générique comme les nombres complexes pour les matrices. Coquelicot est une extension conservative de l'analyse classique de la bibliothèque standard de Coq et nous avons démontré les théorèmes de correspondance entre les deux formalisations. Nous avons testé la bibliothèque sur plusieurs cas d'utilisation : sur une épreuve du Baccalauréat, pour les définitions et les propriétés des fonctions de Bessel ainsi que pour la solution de l'équation des ondes en dimension 1.Real analysis is pervasive to many applications, if only because it is a suitable tool for modeling physical or socio-economical systems. As such, its support is warranted in proof assistants, so that the users have a way to formally verify mathematical theorems and correctness of critical systems. The Coq system comes with an axiomatization of standard real numbers and a library of theorems on real analysis. Unfortunately, this standard library is lacking some widely used results. For instance, the definitions of integrals and derivatives are based on dependent types, which make them cumbersome to use in practice. This thesis first describes various state-of-the-art libraries available in proof assistants. To palliate the inadequacies of the Coq standard library, we have designed a user-friendly formalization of real analysis: Coquelicot. An easier way of writing formulas and theorem statements is achieved by relying on total functions in place of dependent types for limits, derivatives, integrals, power series, and so on. To help with the proof process, the library comes with a comprehensive set of theorems that cover not only these notions, but also some extensions such as parametric integrals and asymptotic behaviors. Moreover, an algebraic hierarchy makes it possible to apply some of the theorems in a more generic setting, such as complex numbers or matrices. Coquelicot is a conservative extension of the classical analysis of Coq's standard library and we provide correspondence theorems between the two formalizations. We have exercised the library on several use cases: in an exam at university entry level, for the definitions and properties of Bessel functions, and for the solution of the one-dimensional wave equation

A New Formalization of Power Series in Coq

International audienceTo define elementary functions, proof assistants usually formalize power series. The Coq standard library is lacking with respect to the latter. This work presents a new formalization of power series. It is based on limits defined as total functions. My case study is Bessel functions.Les fonctions élémentaires sont habituellement définies dans les assistants de preuve en utilisant des séries entières. Celle qui sont formalisées dans la bibliothèque standard de Coq sont malheureusement peu développées. Cet article présente une nouvelle formalisation basée sur des limites définies comme des fonctions totales. Mon cas d'étude sont les fonctions de Bessel

Improving Real Analysis in Coq: a User-Friendly Approach to Integrals and Derivatives ⋆

Abstract. Verification of numerical analysis programs requires dealing with derivatives and integrals. High confidence in this process can be achieved using a formal proof checker, such as Coq. Its standard library provides an axiomatization of real numbers and various lemmas about real analysis, which may be used for this purpose. Unfortunately, its definitions of derivative and integral are unpractical as they are partial functions that demand a proof term. This proof term makes the handling of mathematical formulas cumbersome and does not conform to traditional analysis. Other proof assistants usually do not suffer from this issue; for instance, they may rely on Hilbert’s epsilon to get total operators. In this paper, we propose a way to define total operators for derivative and integral without having to extend Coq’s standard axiomatization of real numbers. We proved the compatibility of our definitions with the standard library’s in order to leverage existing results. We also greatly improved automation for real analysis proofs that use Coq standard definitions. We exercised our approach on lemmas involving iterated partial derivatives and differentiation under the integral sign, that were missing from the formal proof of a numerical program solving the wave equation.