Outils pour la formalisation en analyse classique : une étude de cas en théorie du contrôle

Formalisation tools for classical analysis : a case study in control theory

• Auteur / Autrice : Damien Rouhling
• Direction : Yves Bertot, Cyril Cohen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 30/09/2019
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Nice ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Nice (1965-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes) - Mathematical, Reasoning and Software - Sûreté du logiciel et Preuves Mathématiques Formalisées
• Jury : Président / Présidente : Etienne Lozes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Lozes, Sylvie Boldo, Lawrence C. Paulson, Jesús Aransay, Éric Goubault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Boldo, Lawrence C. Paulson

Mots clés

Mots clés contrôlés

Calcul formel

Pendule

Commande, Théorie de la

Automatisation

Assistants de preuve

Méthodes formelles (informatique)

Mots clés libres

Preuve formelle

Coq

Analyse classique

Théorie du contrôle

Pendule inversé

Automatisation

Calcul

Formal proof

Coq

Classical analysis

Control theory

Inverted pendulum

Automation

Computation

Résumé

Il s'agit de mettre à l'épreuve une bibliothèque d'analyse dans l'assistant de preuve Coq au travers d'une étude de cas en théorie du contrôle. Nous formalisons une preuve de stabilité pour le pendule inversé, un exemple classique en théorie du contrôle. Le contrôle du pendule inversé est un défi en raison de sa non-linéarité, à tel point que ce système est souvent utilisé comme référence pour l'essai de nouvelles techniques de contrôle. Durant cette étude de cas, nous identifions des défauts des outils aujourd'hui accessibles pour la formalisation en analyse classique et nous en développons d'autres afin d'atteindre le but de cette étude de cas. En particulier, nous essayons d'imiter le style de preuve sur papier grâce à de nouvelles notations et de nouveaux mécanismes d'inférence. C'est une étape essentielle pour rendre la preuve formelle plus accessible aux mathématiciens. Ensuite, nous développons une nouvelle bibliothèque d'analyse classique en Coq, qui intègre ces nouveaux outils et qui essaie de pallier les limitations de la bibliothèque que nous avons testée, en particulier dans le domaine du raisonnement asymptotique. Nous testons aussi cette nouvelle bibliothèque sur la même preuve formelle et tirons des conclusions sur ses forces et faiblesses. Enfin, nous esquissons une nouvelle méthodologie pour répondre aux limitations de notre bibliothèque dans le domaine du calcul. Nous exploitons une technique appelée raffinement afin de refactoriser la méthode de preuve par réflexion, une technique qui automatise les preuves grâce au calcul et qui de plus réduit la taille des termes de preuves. Nous mettons en œuvre cette méthodologie sur l'exemple du raisonnement arithmétique dans les anneaux et expliquons comment ce travail pourrait servir à généraliser des outils déjà existants.

In this thesis, we put a library for analysis in the Coq proof assistant to the test through a case study in control theory. We formalise a proof of stability for the inverted pendulum, a standard example in control theory. Controlling the inverted pendulum is challenging because of its non-linearity, so that this system is often used as a benchmark for new control techniques. Through this case study, we identify issues in the tools that are currently available for the formalisation of classical analysis and we develop new ones in order to achieve our formalisation goal. In particular, we try to imitate the pen-and-paper proof style thanks to new notations and inference mechanisms. This is an essential step to make formal proofs more accessible to mathematicians. We then develop a new library for classical analysis in Coq that integrates these new tools and tries to palliate the limitations of the library we tested, especially in the domain of asymptotic reasoning. We also experiment with this new library on the same formal proof and draw lessons on its strengths and weaknesses. Finally, we sketch a new methodology in order to address the limitations of our library in the particular domain of computation. We exploit a technique called refinement to refactor the methodology of proof by reflection, a technique that automates proofs through computation and also reduces the size of proof terms. We implement this methodology on the example of arithmetic reasoning in rings and discuss how this work could be used to generalise existing tools.