Étude formelle d'algorithmes efficaces en algèbre linéaire

Formal study of efficient algorithms in linear algebra

• Auteur / Autrice : Maxime Dénès
• Direction : Yves Bertot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 20/11/2013
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Bertot, Georges Gonthier, Conor McBride, Herman Geuvers, Thierry Coquand, Jean-Christophe Filliâtre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Coq (logiciel)

Homologie

Algèbre linéaire

Formalisme (mathématiques)

Mots clés libres

Mathématiques formelles

Algorithmes certifiés

Coq

Algèbre linéaire

Preuves formelles

Calculs efficaces vérifiés

Homologie

Formalized mathematics

Certified algorithms

Coq

Linear algebra

Formal proofs

Efficient verified computations

Homology

Résumé

Les méthodes formelles ont atteint un degré de maturité conduisant à la conception de systèmes de preuves généralistes, permettant à la fois de vérifier la correction de systèmes logiciels complexes ou de formaliser des mathématiques avancées. Mais souvent, l'accent est mis davantage sur la facilité du raisonnement sur les programmes plutôt que sur leur exécution efficace. L'antagonisme entre ces deux aspects est particulièrement sensible pour les algorithmes de calcul formel, dont la correction repose habituellement sur des concepts mathématiques élaborés, mais dont l'efficacité pratique est une préoccupation importante. Cette thèse développe des approches à l'étude formelle et l'exécution efficace de programmes en théorie des types, et plus précisément dans l'assistant à la preuve \coq{}. Dans un premier temps, nous présentons un environnement d'exécution permettant de compiler en code natif de tels programmes tout en conservant la généralité et l'expressivité du formalisme. Puis, nous nous intéressons aux représentations de données et plus particulièrement au lien formellement vérifié et automatisé entre représentations adaptées aux preuves ou au calcul. Ensuite, nous mettons à profit ces techniques pour l'étude d'algorithmes en algèbre linéaire, comme le produit matriciel de Strassen, le procédé d'élimination de Gauss ou la mise en forme canonique de matrices, dont notamment la forme de Smith pour les matrices sur un anneau euclidien. Enfin, nous ouvrons le champ des applications à la formalisation et au calcul certifié des groupes d'homologie de complexes simpliciaux issus d'images numériques.

Formal methods have reached a degree of maturity leading to the design of general-purpose proof systems, enabling both to verify the correctness of complex software systems and to formalize advanced mathematics. However, the ease of reasoning on programs is often emphasized more than their efficient execution. The antagonism between these two aspects is particularly significant for computer algebra algorithms, whose correctness usually relies on elaborate mathematical concepts, but whose practical efficiency is an important matter of concern. This thesis develops approaches to the formal study and the efficient execution of programs in type theory, and more precisely in the proof assistant \coq{}. In a first part, we introduce a runtime environment enabling the native code compilation of such programs while retaining the generality and expressiveness of the formalism. Then, we focus on data representations and in particular on the formally verified and automatized link between proof-oriented and computation-oriented representations. Then, we take advantage of these techniques to study linear algebra algorithms, like Strassen's matrix product, Gaussian elimination or matrix canonical forms, including the Smith normal form for matrices over a Euclidean ring. Finally, we open the field of applications to the formalization and certified computation of homology groups of simplicial complexes arising from digital images.