A study of strong sums: isomorphisms and normal forms
Une étude des sommes fortes : isomorphismes et formes normales
Résumé
The goal of this thesis is to study the sum and the zero within two principal frameworks: type isomorphisms and the normalization of lambda-terms. Type isomorphisms have already been studied within the framework of the simply typed lambda-calculus with surjective pairing but without sums. To handle the case with sums and zero, I first restricted the study to the case of linear isomorphisms, within the framework of linear logic, which led to a remarkably simple characterization of these isomorphisms, obtained thanks to a syntactic method on proof-nets. The more general framework of intuitionistic logic corresponds to the open problem of characterizing isomorphisms in bi-cartesian closed categories. I contributed to this study by showing that there is no finite axiomatization of these isomorphisms. To achieve this, I used some results in number theory regarding Alfred Tarski's so-called ``high school algebra'' problem. The whole of this work brought about the problem of finding a canonical form to represent lambda-terms, with the aim of either denying the existence of an isomorphism by a case study on the form of the term, or checking their existence in the case of the very complex functions I was brought to handle. This analysis led us to give an ``extensional'' definition of normal form for the lambda-calculus with sums and zero, obtained by categorical methods using Grothendieck logical relations. Finally, I could obtain an ``intentional'' version of this result by using normalization by evaluation. By adapting the technique of type-directed partial evaluation, it is possible to produce a result in the new normal form, reducing considerably its size in the case of the type isomorphisms considered before.
Le but de cette thèse est d'étudier la somme et le zéro dans deux principaux cadres : les isomorphismes de types et la normalisation de lambda-termes. Les isomorphismes de type avaient déjà été étudiés dans le cadre du lambda-calcul simplement typé avec paires surjectives mais sans somme. Pour aborder le cas avec somme et zéro, j'ai commencé par restreindre l'étude au cas des isomorphismes linéaires, dans le cadre de la logique linéaire, ce qui a conduit à une caractérisation remarquablement simple de ces isomorphismes, obtenue grâce à une méthode syntaxique sur les réseaux de preuve. Le cadre plus général de la logique intuitionniste correspond au problème ouvert de la caractérisation des isomorphismes dans les catégories bi-cartésiennes fermées. J'ai pu apporter une contribution à cette étude en montrant qu'il n'y a pas d'axiomatisation finie de ces isomorphismes. Pour cela, j'ai tiré partie de travaux en théorie des nombres portant sur un problème énoncé par Alfred Tarski et connu sous le nom du « problème des égalités du lycée ». Pendant tout ce travail sur les isomorphismes de types, s'est posé le problème de trouver une forme canonique pour représenter les lambda-termes, que ce soit dans le but de nier l'existence d'un isomorphisme par une étude de cas sur la forme du terme, ou pour vérifier leur existence dans le cas des fonctions très complexes que j'étais amené à manipuler. Cette réflexion a abouti à poser une définition « extensionnelle » de forme normale pour le lambda-calcul avec somme et zéro, obtenue par des méthodes catégoriques grâce aux relations logiques de Grothendieck, apportant ainsi une nouvelle avancée dans l'étude de la question réputée difficile de la normalisation de ce lambda-calcul. Enfin je montrerai comment il est possible d'obtenir une version « intentionnelle » de ce résultat en utilisant la normalisation par évaluation. J'ai pu ainsi donner une adaptation de la technique d' évaluation partielle dirigée par les types pour qu'elle produise un résultat dans cette forme normale, ce qui en réduit considérablement la taille et diminue aussi beaucoup le temps de normalisation dans le cas des isomorphismes de types considérés auparavant.
Mots clés
lambda-calculus
isomorphisms
sum
co-product
initial object
normal forms
models
multiplicative linear logic
arithmetic equalities
Tarski high school algebra problem
Grothendieck logical relations
normalisation by evaluation
type directed partial evaluation
control operators
lambda-calcul
types
catégories
isomorphismes
somme
co-produit
zéro
objet initial
formes normales
modèles
logique linéaire multiplicative
égalités arithmétiques
problème des égalités du lycée de Tarski
relations logiques de Grothendieck
normalisation par évaluation
évaluation partielle dirigée par les types
opérateurs de contrôle
ocaml
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