Grammaires et Automates - Fondements des Langages Formels

Objectifs d'apprentissage

• Comprendre les fondements mathématiques des langages formels et leur application en informatique théorique.
• Maîtriser les concepts de grammaires régulières et algébriques (hors contexte) pour la modélisation des langages.
• Appliquer le lemme de l'étoile (pumping lemma) pour démontrer la non-régularité d'un langage.
• Concevoir et analyser des automates finis (déterministes et non déterministes) pour la reconnaissance de langages.
• Acquérir des bases en analyse syntaxique (parsing) pour la compilation.
• Transformer des grammaires algébriques sous forme normale pour faciliter leur traitement automatique.

Public cible

Ce cours s'adresse aux étudiants en informatique (niveau licence ou début de master), aux développeurs curieux des aspects théoriques de leur discipline, ainsi qu'à toute personne souhaitant aborder la compilation ou la théorie des langages formels. Aucun prérequis avancé n'est nécessaire : les notions sont introduites progressivement, avec des exemples concrets pour en faciliter l'assimilation.

Contenu détaillé

Le cours débute par une introduction aux langages formels, définis comme ensembles de mots construits sur un alphabet. Vous découvrirez leur rôle central en informatique, notamment pour la spécification de syntaxes (langages de programmation, requêtes, etc.).

La section Langages réguliers explore les expressions régulières et leurs limites. Vous apprendrez à les manipuler pour décrire des motifs textuels et à les relier aux automates finis via le théorème de Kleene.

Les grammaires algébriques (hors contexte) sont ensuite présentées comme outil plus puissant que les langages réguliers. Leurs règles de production permettent de modéliser des structures imbriquées, essentielles pour les langages de programmation.

Le lemme de l'étoile (pumping lemma) fera l'objet d'une étude approfondie. Cette preuve par contradiction vous permettra d'identifier des langages non réguliers, comme celui des parenthèses équilibrées.

L'analyse syntaxique (parsing) sera illustrée à travers des algorithmes ascendants et descendants. Vous verrez comment dériver un arbre syntaxique à partir d'une grammaire, première étape vers la compilation.

Le module sur les automates couvrira les automates finis déterministes (AFD) et non déterministes (AFN), ainsi que leur équivalence. Des exercices pratiques renforceront votre capacité à concevoir des automates pour des problèmes concrets.

Enfin, la transformation des grammaires abordera les formes normales (Chomsky, Greibach) pour simplifier l'analyse syntaxique. La netographie clôturera le cours en présentant des ressources en ligne pour approfondir ces concepts.

Approche pédagogique

Chaque notion théorique est accompagnée d'exemples implémentables (en pseudo-code ou Python). Des exercices progressifs, dont certains corrigés interactivement, permettent de vérifier la compréhension. Des analogies avec des problèmes réels (vérification de formulaires, analyse de logs) maintiennent l'ancrage pratique.