Le logarithme discret sur les courbes elliptiques fournit la panoplie standard de la cryptographie à clé publique: chiffrement asymétrique, signature, authentification. Son extension à des courbes hyperelliptiques de genre supérieur se heurte à la difficulté de construire de telles courbes qui soient sécurisées. Dans cette thèse nous utilisons la théorie des fonctions thêta développée par Mumford pour construire des algorithmes efficaces pour manipuler les variétés abéliennes. En particulier nous donnons une généralisation complète des formules de Vélu sur les courbes elliptiques pour le calcul d'isogénie sur des variétés abéliennes. Nous donnons également un nouvel algorithme pour le calcul efficace de couplage sur les variétés abéliennes en utilisant les coordonnées thêta. Enfin, nous présentons une méthode de compression des coordonnées pour améliorer l'arithmétique sur les coordonnées thêta de grand niveau. Ces applications découlent d'une analyse fine des formules d'addition sur les fonctions thêta. Si les résultats de cette thèse sont valables pour toute variété abélienne, pour les applications nous nous concentrons surtout sur les jacobienne de courbes hyperelliptiques de genre~$2$, qui est le cas le plus significatif cryptographiquement. / The discrete logarithm on elliptic curves give the standard protocols in public key cryptography: asymmetric encryption, signatures, ero-knowledge authentification. To extends the discrete logarithm to hyperelliptic curves of higher genus we need efficient methods to generate secure curves. The aim of this thesis is to give new algorithms to compute with abelian varieties. For this we use the theory of algebraic theta functions in the framework of Mumford. In particular, we give a full generalization of Vélu's formulas for the computation of isogenies on abelian varieties. We also give a new algorithm for the computation of pairings using theta coordinates. Finally we present a point compression method to manipulate These applications follow from the analysis of Riemann relations on theta functions for the addition law. If the results of this thesis are valid for any abelian variety, for the applications a special emphasis is given to Jacobians of hyperelliptic genus~$2$ curves, since they are the most significantly relevant case in cryptography.

Deligne and Howe described polarized abelian varieties over finite fields in terms of finitely generated free Z-modules satisfying a list of easy to state axioms. In this thesis we address the problem of developing an effective algorithm to compute isomorphism classes of (principally) polarized abelian varieties over a finite field, together with their automorphism groups. Performing such computations requires the knowledge of the ideal classes (both invertible and non-invertible) of certain orders in number fields. Hence we describe a method to compute the ideal class monoid of an order and we produce concrete computations in dimension 2, 3 and 4.

Es sei A_2 der toroidal kompaktifizierte Modulraum prinzipal polarisierter komplexer abelscher Flächen, und M_k(Sp_4(Z)) das Geradenbündel Siegel'scher Modulformen von Gewicht k auf A_2, versehen mit der Petersson-Metrik. Betrachtet man A_2 als komplexe Faser einer arithmetischen Varietät über Spec(Z), und M_k(Sp_4(Z)) als das von einem Geradenbündel auf dieser arithmetischen Varietät induzierte Geradenbündel, so kann man die Frage nach dem arithmetischen Grad dieses Geradenbündels stellen. Wir stellen nachfolgend den Grad als Ausdruck in speziellen Werten der logarithmischen Ableitung der Riemann'schen Zeta-Funktion dar. Der arithmetische Grad setzt sich aus einem Beitrag vom Schnitt über den endlichen Fasern und einem Integral von Green'schen Formen über die komplexe Faser zusammen. Die Berechnung des von der komplexen Faser A_2 induzierten Anteils am arithmetischen Grad erfolgt durch eine spezifische Wahl von Schnitten von M_k(Sp_4(Z)), deren Eigenschaften bekannt oder durch ihre Darstellung als Polynome in Theta-Funktionen ableitbar sind. Mittels eines induktiven Arguments werden wir das Integral über das Stern-Produkt der zugehörigen Green'schen Formen auf eine Summe von Integralen über spezielle Zykel zurückführen, die beim sukzessiven Schneiden der zu den Schnitten gehörigen Divisoren auftauchen. Bei diesem Prozess entstehen Randterme in Form von Integralen um den toroidalen Rand. Wir werden zeigen, dass diese verschwinden, indem wir Minkowski-Theorie anwenden und eine bestimmte Wahl der Teilung der Eins treffen, die in der arithmetischen Schnitttheorie für logarithmisch singuläre Metriken auftaucht. Die Integrale über die speziellen Zykel berechnen wir durch Zurückführen auf ein Resultat von Kudla sowie auf eine modulare Version der Jensen-Formel. / Let A_2 be the toroidally compactified moduli stack of principally polarized complex abelian surfaces, and let M_k(Sp_4(Z)) be the line bundle of Siegel modular forms of weight k on A_2, equipped with the Petersson metric. Viewing A_2 as the complex fibre of an arithmetic variety over Spec(Z), and M_k(Sp_4(Z)) as the complex line bundle induced by a line bundle on this arithmetic variety, we can ask for the arithmetic degree of this line bundle. We will state a formula for the arithmetic degree in terms of special values of the logarithmic derivative of the Riemann zeta-function. The arithmetic degree consists of a contribution from intersection over Spec(Z), and from an integral of Green forms over the complex fibre. The computation of the summand of the arithmetic degree coming from the complex fibre A_2 will be approached by making a specific choice of sections of M_k(Sp_4(Z)), whose behaviour is well-known or can be worked out by their representation via theta-functions. With an induction argument, we will trace back the integral over the star-product of the corresponding Green forms to a sum of integrals over particular cycles on A_2 coming from the successive intersection of the divisors of these sections, as well as some boundary terms in the form of integrals around the toroidal boundary. We will prove that the boundary terms vanish, using Minkowski theory and a specific choice of the partition of unity that appears in arithmetic intersection theory for logarithmically singular metrics. The integrals over the special cycles will be traced back to results of Kudla and an application of a modular version of Jensen's formula.

La conjecture d'André-Pink affirme qu'une sous-variété d'une variété de Shimura ayant une intersection dense avec une orbite de Hecke est faiblement spéciale. On démontre cette conjecture dans le cas de courbes dans une variété de Shimura de type abélien, ainsi que dans certains cas de sous-variétés de dimension supérieure. Ceci est un cas spécial de la conjecture de Zilber-Pink. C'est une généralisation de théorèmes d'Edixhoven et Yafaev quand l'orbite de Hecke se compose de points spéciaux, de Pink quand l'orbite de Hecke se compose de points Galois génériques, et de Habegger et Pila quand la variété de Shimura est un produit de courbes modulaires. Notre démonstration de la conjecture d'André-Pink pour les courbes dans l'espace de modules des variétés abéliennes principalement polarisées est basée sur la méthode de Pila et Zannier, utilisant une variante forte du théorème de comptage de Pila-Wilkie. On obtient les bornes galoisiennes requises grâce au théorème d'isogénie de Masser et Wüstholz. Afin de relier les bornes sur les isogénies aux hauteurs, on démontre également diverses bornes concernant l'arithmétique des formes hermitiennes sur l'anneau d'endomorphismes d'une variété abélienne. Afin d'étendre le résultat sur la conjecture d'André-Pink aux courbes dans les variétés de Shimura de type abélien et à certains cas de sous-variétés de dimension supérieure, on étudie les propriétés fonctorielles de plusieurs variantes des orbites de Hecke. Un chapitre concerne les rangs des groupes de Mumford-Tate de variétés abéliennes complexes. On y démontre une minoration de ces rangs en fonction de la dimension de la variété abélienne, étant donné que ses sous-variétés abéliennes simples sont deux à deux non isogènes. / The André-Pink conjecture predicts that a subvariety of a Shimura variety which has dense intersection with a Hecke orbit is weakly special. We prove this conjecture for curves in a Shimura variety of abelian type, as well as for certain cases for subvarieties of higher dimension. This is a special case of the Zilber-Pink conjecture. It generalises theorems of Edixhoven and Yafaev when the Hecke orbit consists of special points, of Pink when the Hecke orbit consists of Galois generic points, and of Habegger and Pila when the Shimura variety is a product of modular curves. Our proof of the André-Pink conjecture for curves in the moduli space of principally polarised abelian varieties is based on the Pila-Zannier method, using a strong form of the Pila-Wilkie counting theorem. The necessary Galois bounds are obtained from the Masser-Wüstholz isogeny theorem. In order to relate isogeny bounds to heights, we also prove various bounds concerning the arithmetic of Hermitian forms over the endomorphism ring of an abelian variety. In order to extend the result on the André-Pink conjecture to curves in Shimura varieties of abelian type and to some cases of higher-dimensional subvarieties, we study the functorial properties of Hecke orbits and variations thereof. One chapter concerns the ranks of Mumford-Tate groups of complex abelian varieties. We prove a lower bound for these ranks in terms of the dimension of the abelian variety, subject to the condition that the simple abelian subvarieties are pairwise non-isogenous.

Dans cette thèse nous étudions deux problèmes dans le domaine de la géométrie arithmétique, concernant respectivement les points de torsion des variétés abéliennes et le polylogarithme motivique sur les schémas abéliens. La conjecture de Manin-Mumford (démontrée par Raynaud en 1983) affirme que si A est une variété abélienne et X est une sous-variété de A ne contenant aucune translatée d'une sous-variété abélienne de A, alors X ne contient qu'un nombre fini de points de torsion de A. En 1996, Buium présenta une forme effective de la conjecture dans le cas des courbes. Dans cette thèse, nous montrons que l'argument de Buium peut être utilisé aussi en dimension supérieure pour prouver une version quantitative de la conjecture pour une classe de sous-variétés avec fibré cotangent ample étudiée par Debarre. Nous généralisons aussi à toute dimension un résultat sur la dispersion des relèvements p-divisibles non ramifiés obtenu par Raynaud dans le cas des courbes. En 2014, Kings and Roessler ont montré que la réalisation en cohomologie de Deligne analytique de la part de degré zéro du polylogarithme motivique sur les schémas abéliens peut être reliée aux formes de torsion analytique de Bismut-Koehler du fibré de Poincaré. Dans cette thèse, nous utilisons la théorie de l'intersection arithmétique dans la version de Burgos pour raffiner ce résultat dans le cas où la base du schéma abélien est propre. / In this thesis we approach two independent problems in the field of arithmetic geometry, one regarding the torsion points of abelian varieties and the other the motivic polylogarithm on abelian schemes. The Manin-Mumford conjecture (proved by Raynaud in 1983) states that if A is an abelian variety and X is a subvariety of A not containing any translate of an abelian subvariety of A, then X can only have a finite number of points that are of finite order in A. In 1996, Buium presented an effective form of the conjecture in the case of curves. In this thesis, we show that Buium's argument can be made applicable in higher dimensions to prove a quantitative version of the conjecture for a class of subvarieties with ample cotangent studied by Debarre. Our proof also generalizes to any dimension a result on the sparsity of p-divisible unramified liftings obtained by Raynaud in the case of curves. In 2014, Kings and Roessler showed that the realisation in analytic Deligne cohomology of the degree zero part of the motivic polylogarithm on abelian schemes can be described in terms of the Bismut-Koehler higher analytic torsion form of the Poincaré bundle. In this thesis, using the arithmetic intersection theory in the sense of Burgos, we give a refinement of Kings and Roessler's result in the case in which the base of the abelian scheme is proper.

Cette thèse est consacrée à l'étude de quelques questions soulévées par le théorème de Nesterenko sur l'indépendance algébrique de valeurs des séries d'Eisentein E₂, E₄, E₆. Elle est divisée en deux parties.Dans la première partie, constituée des deux premiers chapitres, on généralise les équations différentielles algébriques satisfaites par les séries d'Eisenstein qui se trouvent dans le coeur de la méthode de Nesterenko, les équations de Ramanujan. Ces généralisations, appélées 'équations de Ramanujan supérieures', sont obtenues géométriquement à partir de champs de vecteurs définis, de manière naturelle, sur certains espaces de modules de variétés abéliennes. Afin de justifier l'intérêt des équations de Ramanujan supérieures en théorie de transcendance, on montre aussi que les valeurs d'une solution particulière remarquable de ces équations sont liées aux 'périodes' de variétés abéliennes.Dans la deuxième partie (troisième chapitre), on étudie la méthode de Nesterenko per se. On établit un énoncé géométrique, contenant le théorème de Nesterenko, sur la transcendance de valeurs d'applications holomorphes d'un disque vers une variété quasi-projective sur $overline{mathbf{Q}}$ définies comme des courbes intégrales d'un champ de vecteurs. Ces applications doivent aussi satisfaire une propriété d'intégralité, ainsi qu'une condition de croissance et une forme renforcée de la densité de Zariski, conditions qui sont naturelles pour des courbes intégrales de champs de vecteurs. / This thesis is devoted to the study of some questions motivated by Nesterenko's theorem on the algebraic independence of values of Eisenstein series E₂, E₄, E₆. It is divided in two parts.In the first part, comprising the first two chapiters, we generalize the algebraic differential equations satisfied by Eisenstein series that lie in the heart of Nesterenko's method, the Ramanujan equations. These generalizations, called 'higher Ramanujan equations', are obtained geometrically from vector fields naturally defined on certain moduli spaces of abelian varieties. In order to justify the interest of the higher Ramanujan equations in Transcendence Theory, we also show that values of a remarkable particular solution of these equations are related to 'periods' of abelian varieties.In the second part (third chapter), we study Nesterenko's method per se. We establish a geometric statement, containing the theorem of Nesterenko, on the transcendence of values of holomorphic maps from a disk to a quasi-projective variety over $overline{mathbf{Q}}$ defined as integral curves of some vector field. These maps are required to satisfy some integrality property, besides a growth condition and a strong form of Zariski-density that are natural for integral curves of algebraic vector fields.

Dans la première partie de cette thèse, on présente des bornes supérieures fines pour le nombre de sous-variétés irréductibles de torsion maximales dans une sous-variété du tore complexe algébrique $(\mathbb{C}^{\times})^n$ et d'une variété abélienne. Dans les deux cas, on donne une borne explicite en termes du degré des polynômes définissants et la variété ambiante. De plus, la dépendance en le degré des polynômes est optimale. Dans le cas du tore complexe, on donne aussi une borne explicite en termes du degré torique de la sous-variété. En conséquence de ce dernier résultat, on démontre les conjectures de Ruppert, et Aliev et Smyth pour le nombre de points de torsion isolés dans une hypersurface. Ces conjectures bornent ce nombre en terme, respectivement, du multi-degré et du volume du polytope de Newton d'un polynôme définissant l'hypersurface.Dans la deuxième partie de cette thèse, on présente une borne supérieure pour la hauteur des zéros isolés, dans le tore, d'un système de polynômes de Laurent sur un corps adélique qui satisfait la formule du produit. Cette borne s'exprime en termes des intégrales mixtes des fonctions toit locales associées à la hauteur choisie et le système des polynômes de Laurent. On montre aussi que cette borne est presque optimale dans quelques familles d'exemples. Ce résultat est un analogue arithmétique du théorème de Bern\v{s}tein-Ku\v{s}nirenko. / In the first part of this thesis we present sharp bounds on the number of maximal torsion cosets in a subvariety of a complex algebraic torus $(\mathbb{C}^{\times})^n$ and of an Abelian variety. In both cases, we give an explicit bound in terms of the degree of the defining polynomials and the ambient variety. Moreover, the dependence on the degree of the polynomials is sharp. In the case of the complex torus, we also give an effective bound in terms of the toric degree of the subvariety. As a consequence of the latter result, we prove the conjectures of Ruppert, and Aliev and Smyth on the number of isolated torsion points of a hypersurface. These conjectures bound this number in terms of the multidegree and the volume of the Newton polytope of a polynomial defining the hypersurface, respectively.In the second part of the thesis, we present an upper bound for the height of isolated zeros, in the torus, of a system of Laurent polynomials over an adelic field satisfying the product formula. This upper bound is expressed in terms of the mixed integrals of the local roof functions associated to the chosen height function and to the system of Laurent polynomials. We also show that this bound is close to optimal in some families of examples. This result is an arithmetic analogue of the classical Bern\v{s}tein-Ku\v{s}nirenko theorem.

Soit R un anneau de valuation discrète de corps de fractions K. Soit X_K un K- schéma propre géométriquement normal. On montre que X_K possède des modèles X sur R, propres, plats, normaux et tels que tout faisceau inversible sur X_K se prolonge en un faisceau inversible sur X. On peut alors reconstruire le modèle de Néron de la variété de Picard de X_K, à partir du foncteur de Picard de X/R.Lorsque R est hensélien à corps résiduel algébriquement clos, on en tire des informations sur le prolongement de l’équivalence algébrique de X_K à X. En particulier, on peut décrire le symbole de Néron entre 0-cycles de degré zéro et diviseurs algébriquement équivalents à zéro sur X_K, en termes de multiplicités d’intersection sur le modèle X. Ceci nous permet de reformuler la conjecture de dualité de Grothendieck pour les modèles de Néron des variétés abéliennes, en termes d’équivalence algébrique relative. / Let R be a discrete valuation ring with fraction field K. Let X_K be proper geometrically normal scheme over K. One shows that X_K admits models X over R which are proper, flat, normal an such that any invertible sheaf on X_K can be extended to an invertible sheaf on X. Then, one can recover the Néron model of the Picard variety of X_K from the Picard functor of X/R.When R is henselian with algebraically closed residue field, one obtains some consequences about the extension of algebraic equivalence from X_K to X. In particular, one can describe the Néron symbol between 0-cycles of degree zero and divisors which are algebraically equivalent to zero on X_K, in terms of intersection multiplicities on the model X. This allows us to reformulate Grothendieck’s duality conjecture for Néron models of abelian varieties, in terms of relative algebraic equivalence.

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