Dans cette thèse nous apportons deux contributions importantes par l'outil de l'abstraction mathématique : - La première contribution concerne la mécanique et plus précisément la modélisation dynamique des systèmes articulés. L'abstraction mathématique par la théorie des groupes et algèbres de Lie coordonnée avec un usage judicieux de la notion des nombres duaux permet d'élaborer un langage très commode où les modèles géométriques et dynamiques des systèmes mécaniques poly-articulés s'expriment sous une forme syntaxique relativement simple (malgré la complexité du système). De nouvelles méthodes pour la description des configurations des systèmes multicorps et un algorithme récurrent original (et très efficace) sont alors développés grâce à ce langage. - La seconde contribution concerne le domaine informatique en calcul formel. Elle est basée sur le typage algébrique, les techniques de réécriture et la génération automatique des codes (programmation assistée par ordinateur). Les problèmes soulevés nécessitent de nouvelles architectures de systèmes de calcul formel. Dans cet ordre d'idées, un prototype de système de calcul formel (SURVEYOR) basé sur la réécriture typée et une extension (MEDUSA MF77) du système Maple ont été réalisés. Un outil informatique pour la génération automatique des codes Fortran et Maple des schémas de calcul optimisés relatifs à notre formulation dynamique est développé à l'aide du système MEDUSA MF77. Plusieurs applications en calcul symbolique et en robotique sont, par ailleurs, présentées en annexes sous forme de réalisations informatiques des aspects théoriques traités.

L'implantation actuelle des solveurs d'équations différentielles combine les deux méthodes de classification et de réduction d'ordre. La méthode de classification consiste à tester si l'équation à résoudre figure, modulo un renommage des variables, dans une liste d'équations que l'on sait résoudre. La méthode de réduction d'ordre, basée sur l'analyse des symétries de Lie, est réservée aux équations qui ne font pas partie de cette liste.<br /><br />En pratique, plusieurs difficultés apparaissent. Tout d'abord, le calcul des quadratures ainsi que l'intégration des systèmes d'EDP (même linéaires) n'est pas chose facile. De ce fait, il arrive souvent que le solveur se contente de retourner en sortie des résultats partiels, en particulier lorsque la dimension du (pseudo)groupe de symétries de l'équation à résoudre est petite. Enfonçons le clou : lorsque cette dimension est nulle, les solveurs, tel qu'il sont conçus actuellement, sont incapables d'intégrer ou même de réduire l'ordre de l'équation.<br /><br />Cette thèse s'inscrit donc dans l'effort d'amélioration des solveurs actuels. Nous allons présenter et montrer la faisabilité d'une architecture, totalement nouvelle, pour la conception d'un solveur d'équations différentielles basé sur la méthode d'équivalence de Cartan. Notre solveur utilise les invariants différentiels produits par la méthode de Cartan pour détecter l'existence d'une équation différentielle de la liste de Kamke, équivalente à l'équation que l'on veut résoudre et calculer le changement de variables qui réalise cette équivalence.<br /><br />Ceci dit, le calcul du changement de variables est une question qui peut être délicate. En général, il est solution d'un système d'EDP. Nous montrons que lorsque le pseudo-groupe des transformations autorisées est choisi tel que le pseudo-groupe de symétries de l'équation cible est discret, intuitivement, le changement de variables s'obtient sans intégrer d'équations différentielles uniquement en résolvant des équations algébriques.

La quantification par déformation et la correspondance de McKay forment les grands thèmes de l'étude qui porte sur des variétés algébriques singulières, des quotients d'algèbres de polynômes et des algèbres de polynômes invariants sous l'action d'un groupe fini. Nos principaux outils sont les cohomologies de Poisson et de Hochschild et la théorie des représentations. Certains calculs formels sont effectués avec Maple et GAP. Nous calculons les espaces d'homologie et de cohomologie de Hochschild des surfaces de Klein, en développant une généralisation du Théorème de HKR au cas de variétés non lisses et utilisons la division multivariée et les bases de Gröbner. La clôture de l'orbite nilpotente minimale d'une algèbre de Lie simple est une variété algébrique singulière sur laquelle nous construisons des star-produits invariants, grâce à la décomposition BGS de l'homologie et de la cohomologie de Hochschild, et à des résultats sur les invariants des groupes classiques. Nous explicitons les générateurs de l'idéal de Joseph associé à cette orbite et calculons les caractères infinitésimaux. Pour les algèbres de Lie simples B, C, D, nous établissons des résultats généraux sur l'espace d'homologie de Poisson en degré 0 de l'algèbre des invariants, qui vont dans le sens de la conjecture d'Alev et traitons les rangs 2 et 3. Nous calculons des séries de Poincaré à 2 variables pour des sous-groupes finis du groupe spécial linéaire en dimension 3, montrons que ce sont des fractions rationnelles, et associons aux sous-groupes une matrice de Cartan généralisée pour obtenir une correspondance de McKay algébrique en dimension 3. Toute l'étude a donné lieu à 4 articles / Deformation quantization and McKay correspondence form the main themes of the study which deals with singular algebraic varieties, quotients of polynomial algebras, and polynomial algebras invariant under the action of a finite group. Our main tools are Poisson and Hochschild cohomologies and representation theory. Certain calculations are made with Maple and GAP. We calculate Hochschild homology and cohomology spaces of Klein surfaces by developing a generalization of HKR theorem in the case of non-smooth varieties and use the multivariate division and the Groebner bases. The closure of the minimal nilpotent orbit of a simple Lie algebra is a singular algebraic variety : on this one we construct invariant star-products, with the help of the BGS decomposition of Hochschild homology and cohomology, and of results on the invariants of the classical groups. We give the generators of the Joseph ideal associated to this orbit and calculate the infinitesimal characters. For simple Lie algebras of type B, C, D, we establish general results on the Poisson homology space in degree 0 of the invariant algebra, which support Alev's conjecture, then we are interested in the ranks 2 and 3. We compute Poincaré series of 2 variables for the finite subgroups of the special linear group in dimension 3, show that they are rational fractions, and associate to the subgroups a generalized Cartan matrix in order to obtain a McKay correspondence in dimension 3. All the study comes from 4 papers

La première partie concerne un problème de théorie des nombres, pour laquel nous développons une approche géométrique basé sur des outils provenant de la géométrie algébrique et de la géométrique combinatoire. Introduites par M. Kontsevich et D. Zagier en 2001, les périodes sont des nombres complexes obtenus comme valeurs des intégrales d'une forme particulier, où le domaine et l'intégrande s'expriment par des polynômes avec coefficients rationnels. La conjecture de périodes de Kontsevich-Zagier affirme que n'importe quelle relation polynomiale entre périodes peut s'obtenir par des relations linéaires entre différentes représentations intégrales, exprimées par des règles classiques du calcul intégrale. En utilisant des résolutions de singularités, on introduit une réduction semi-canonique de périodes en se concentrant sur le fait d'obtenir une méthode algorithmique et constructive respectant les règles classiques de transformation intégrale: nous prouvons que n'importe quelle période non nulle, représentée par une certaine intégrale, peut être exprimée sauf signe comme le volume d'un ensemble semi-algébrique compact. La réduction semi-canonique permet une reformulation de la conjecture de périodes de Kontsevich-Zagier en termes de changement de variables préservant le volume entre ensembles semi-algébriques compacts. Via des triangulations et méthodes de la géométrie-PL, nous étudions les obstructions de cette approche comme la généralisation du 3ème Problème de Hilbert. Nous complétons les travaux de J. Wan dans le développement d'une théorie du degré pour les périodes, basée sur la dimension minimale de l'espace ambiance nécessaire pour obtenir une telle réduction compacte, en donnant une première notion géométrique sur la transcendance de périodes. Nous étendons cet étude en introduisant des notions de complexité géométrique et arithmétique pour le périodes basées sur la complexité polynomiale minimale parmi les réductions semi-canoniques d'une période. La seconde partie s'occupe de la compréhension d'objets provenant de la géométrie algébrique avec une forte connexion avec la géométrique combinatoire, pour lesquels nous avons développé une approche dynamique. Les champs de vecteurs logarithmiques sont un outils algébro-analytique utilisés dans l'étude des sous-variétés et des germes dans des variétés analytiques. Nous nous sommes concentré sur le cas des arrangements de droites dans des espaces affines ou projectifs. On s'est plus particulièrement intéressé à comprendre comment la combinatoire d'un arrangement détermine les relations entre les champs de vecteurs logarithmiques associés: ce problème est connu sous le nom de conjecture de Terao. Nous étudions le module des champs de vecteurs logarithmiques d'un arrangement de droites affin en utilisant la filtration induite par le degré des composantes polynomiales. Nous déterminons qu'il n'existent que deux types de champs de vecteurs polynomiaux qui fixent une infinité de droites. Ensuite, nous décrivons l'influence de la combinatoire de l'arrangement de droites sur le degré minimal attendu pour ce type de champs de vecteurs. Nous prouvons que la combinatoire ne détermine pas le degré minimal des champs de vecteurs logarithmiques d'un arrangement de droites affin, en présentant deux pairs de contre-exemples, chaque qu'un d'eux correspondant à une notion différente de combinatoire. Nous déterminons que la dimension des espaces de filtration suit une croissance quadratique à partir d'un certain degré, en dépendant uniquement de la combinatoire de l'arrangement. A fin d'étudier de façon calculatoire une telle filtration, nous développons une librairie de fonctions sur le software de calcul formel Sage. / The first part concerns a problem of number theory, for which we develop a geometrical approach based on tools coming from algebraic geometry and combinatorial geometry. Introduced by M. Kontsevich and D. Zagier in 2001, periods are complex numbers expressed as values of integrals of a special form, where both the domain and the integrand are expressed using polynomials with rational coefficients. The Kontsevich-Zagier period conjecture affirms that any polynomial relation between periods can be obtained by linear relations between their integral representations, expressed by classical rules of integral calculus. Using resolution of singularities, we introduce a semi-canonical reduction for periods focusing on give constructible and algorithmic methods respecting the classical rules of integral transformations: we prove that any non-zero real period, represented by an integral, can be expressed up to sign as the volume of a compact semi-algebraic set. The semi-canonical reduction permit a reformulation of the Kontsevich-Zagier conjecture in terms of volume-preserving change of variables between compact semi-algebraic sets. Via triangulations and methods of PL–geometry, we study the obstructions of this approach as a generalization of the Third Hilbert Problem. We complete the works of J. Wan to develop a degree theory for periods based on the minimality of the ambient space needed to obtain such a compact reduction, this gives a first geometric notion of transcendence of periods. We extend this study introducing notions of geometric and arithmetic complexities for periods based in the minimal polynomial complexity among the semi-canonical reductions of a period. The second part deals with the understanding of particular objects coming from algebraic geometry with a strong background in combinatorial geometry, for which we develop a dynamical approach. The logarithmic vector fields are an algebraic-analytic tool used to study sub-varieties and germs of analytic manifolds. We are concerned with the case of line arrangements in the affine or projective space. One is interested to study how the combinatorial data of the arrangement determines relations between its associated logarithmic vector fields: this problem is known as the Terao conjecture. We study the module of logarithmic vector fields of an affine line arrangement by the filtration induced by the degree of the polynomial components. We determine that there exist only two types of non-trivial polynomial vector fields fixing an infinitely many lines. Then, we describe the influence of the combinatorics of the arrangement on the expected minimal degree for these kind of vector fields. We prove that the combinatorics do not determine the minimal degree of the logarithmic vector fields of an affine line arrangement, giving two pair of counter-examples, each pair corresponding to a different notion of combinatorics. We determine that the dimension of the filtered spaces follows a quadratic growth from a certain degree, depending only on the combinatorics of the arrangements. We illustrate these formula by computations over some examples. In order to study computationally these filtration, we develop a library of functions in the mathematical software Sage.

La majorité des courbes et surfaces rencontrées dans la modélisation géométrique sont définies comme l'ensemble des solutions d'un système d'équations et d'inéquations algébriques (ensemble semi-algébrique). De nombreux problèmes dans différentes disciplines scientifiques font appel à des requètes de proximité telles que la recherche du ou des voisins les plus proches ou la quantification du voisinage de deux objets.<br /><br />Le diagramme de Voronoï d'un ensemble d'objets est une décomposition de l'espace en zones de proximité. La zone de proximité d'un objet est l'ensemble des points plus proches de cet objet que de tout autre objet. Les diagrammes de Voronoï permettent de répondre aux requètes de proximité après avoir identifié la zone de proximité à laquelle le point objet de la requète appartient. Le graphe dual du diagramme de Voronoï est appelé le graphe de Delaunay. Seules les approximations par des coniques peuvent garantir un ordre de continuité approprié au niveau des points de contact, ce qui est nécessaire pour garantir l'exactitude du graphe de Delaunay.<br /><br />L'objectif théorique de cette thèse est la mise en évidence des propriétés algébriques et géométriques élémentaires de la courbe déplacée d'une courbe algébrique et de réduire le calcul semi-algébrique du graphe de Delaunay à des calculs de valeurs propres. L'objectif pratique de cette thèse est le calcul certifié du graphe de Delaunay pour des ensembles semi-algébriques de faible degré dans le plan euclidien.<br /><br />La méthodologie associe l'analyse par intervalles et la géométrie algébrique algorithmique. L'idée centrale de cette thèse est qu'un pré-traitement symbolique unique peut accélérer l'évaluation numérique certifiée du détecteur de conflits dans le graphe de Delaunay. Le pré-traitement symbolique est le calcul de l'équation implicite de la courbe déplacée généralisée d'une conique. La réduction du problème semi-algébrique de la détection de conflits dans le graphe de Delaunay à un problème d'algèbre linéaire a été possible grâce à la considération du sommet de Voronoï généralisé (un concept introduit dans cette thèse).<br /><br />Le calcul numérique certifié du graphe de Delaunay a été éffectué avec une librairie de résolution de systèmes zéro-dimensionnels d'équations et d'inéquations algébriques basée sur l'analyse d'intervalles (ALIAS). Le calcul certifié du graphe de Delaunay repose sur des théorèmes sur l'unicité de racines dans des intervalles donnés (Kantorovitch et Moore-Krawczyk). Pour les coniques, les calculs sont accélérés lorsque l'on ne considère que les équations implicites des courbes déplacées.

Les fonctions D-finies (ou holonomes) à une variable sont les solutions d'équations différentielles linéaires à coefficients polynomiaux. En calcul formel, il s'est avéré fructueux depuis une vingtaine d'années d'en développer un traitement algorithmique unifié. Cette thèse s'inscrit dans cette optique, et s'intéresse à l'évaluation numérique des fonctions D-finies ainsi qu'à quelques problèmes apparentés. Elle explore trois grandes directions. La première concerne la majoration des coefficients des développements en série de fonctions D-finies. On aboutit à un algorithme de calcul automatique de majorants accompagné d'un résultat de finesse des bornes obtenues. Une seconde direction est la mise en pratique de l'algorithme " bit burst " de Chudnovsky et Chudnovsky pour le prolongement analytique numérique à précision arbitraire des fonctions D-finies. Son implémentation est l'occasion de diverses améliorations techniques. Ici comme pour le calcul de bornes, on s'attache par ailleurs à couvrir le cas des points singuliers réguliers des équations différentielles. Enfin, la dernière partie de la thèse développe une méthode pour calculer une approximation polynomiale de degré imposé d'une fonction D-finie sur un intervalle, via l'étude des développements en série de Tchebycheff de ces fonctions. Toutes les questions sont abordées avec un triple objectif de rigueur (résultats numériques garantis), de généralité (traiter toute la classe des fonctions D-finies) et d'efficacité. Pratiquement tous les algorithmes étudiés s'accompagnent d'implémentations disponibles publiquement.

Le sujet de cette thèse est la conception et l'implantation d'algorithmes efficaces pour des opérations de base en calcul formel, ainsi que leurs applications à des domaines connexes, comme la théorie algorithmique des nombres et la cryptographie. Une première partie traite de l'algorithmique de base sur les polynômes à une variable. L'outil systématiquement mis en oeuvre est une version constructive du principe de transposition de Tellegen, qui permet d'obtenir de nouveaux algorithmes pour l'évaluation multipoint et l'interpolation (dans diverses bases polynomiales et pour diverses familles de points d'évaluation), ainsi qu'un théorème d'équivalence entre les complexités de ces deux problèmes. La deuxième partie est consacrée à l'algorithmique des nombres algébriques. Nous étudions d'abord certaines opérations élémentaires, comme la somme, le produit et leur généralisation, le produit diamant de Brawley et Carlitz. Leur calcul repose sur l'utilisation de l'opérateur de Newton formel et de la dualité algébrique, traduite algorithmiquement par l'emploi du principe de transposition et des méthodes de type pas de bébés / pas de géants. Ces méthodes sont ensuite généralisées au cadre des systèmes de polynômes de dimension zéro, pour le calcul de polynômes minimaux dans des algèbres quotient, ainsi que de paramétrisations rationnelles. Dans la troisième partie, nous étudions la question du calcul d'un terme d'une suite récurrente linéaire à coefficients polynomiaux. Comme application, nous obtenons des améliorations théoriques et pratiques des méthodes de comptage de points utilisées en cryptographie. Nous proposons ensuite une méthode de type évaluation-interpolation pour certaines opérations usuelles sur les opérateurs différentiels linéaires à coefficients polynomiaux.

Cette thèse traite de certains aspects particuliers de la résolution des systèmes algébriques. Dans un premier temps, nous présentons une façon de minimiser le nombres de variables additives apparaissant dans un système algébrique. Nous utilisons pour cela deux invariants de variété introduits par Hironaka : le faîte et la directrice. Dans un second temps, nous proposons une arithmétique rapide, dite détendue, pour les entiers p-adiques. Cette arithmétique nous permet ensuite de résoudre efficacement un système algébrique à coefficients rationnels localement, c'est-à-dire sur les entiers p-adiques. En quatrième partie, nous nous intéressons à la factorisation d'un polynôme à deux variables qui est une brique élémentaire pour la décomposition en composantes irréductibles des hypersurfaces. Nous proposons un algorithme réduisant la factorisation du polynôme donné en entrée à celle d'un polynôme dont la taille dense est essentiellement équivalente à la taille convexe-dense de celui donné en entrée. Dans la dernière partie, nous considérons la résolution en moyenne des systèmes algébriques réels. Nous proposons un algorithme probabiliste calculant un zéro approché complexe du système algébrique réel donné en entrée.

Cette thèse traite de certains aspects particuliers de la résolution des systèmes algébriques. Dans un premier temps, nous présentons une façon de minimiser le nombres de variables additives apparaissant dans un système algébrique. Nous utilisons pour cela deux invariants de variété introduits par Hironaka : le faîte et la directrice. Dans un second temps, nous proposons une arithmétique rapide, dite détendue, pour les entiers p-adiques. Cette arithmétique nous permet ensuite de résoudre efficacement un système algébrique à coefficients rationnels localement, c'est-à-dire sur les entiers p-adiques. En quatrième partie, nous nous intéressons à la factorisation d'un polynôme à deux variables qui est une brique élémentaire pour la décomposition en composantes irréductibles des hypersurfaces. Nous proposons un algorithme réduisant la factorisation du polynôme donné en entrée à celle d'un polynôme dont la taille dense est essentiellement équivalente à la taille convexe-dense de celui donné en entrée. Dans la dernière partie, nous considérons la résolution en moyenne des systèmes algébriques réels. Nous proposons un algorithme probabiliste calculant un zéro approché complexe du système algébrique réel donné en entrée.

Dans cette thèse, nous étudions les notions de déterminisme et de confluence dans des systèmes concurrents et synchrones. Ces derniers sont des variantes du pi-calcul qui ont été étendues avec une notion de temps. Le premier modèle étudié, le S-pi-calcul, est une extension du modèle SL où la réaction à l'absence d'un signal se fait à la fin de l'instant et où les signaux sont considérés comme des valeurs de première classe. Ce modèle utilise les signaux comme mécanisme de communication de base. Dans le cadre du S-pi-calcul, nous avons cherché à développer une théorie compositionnelle de l'équivalence des programmes basée sur la notion de bisimulation. Ensuite, nous avons conçu un système de types en se basant sur une notion d'usage affine pour les signaux que nous avons introduit. Dans ce système, nous avons montré que tout programme typable est déterministe. Le second modèle, TAPIS, est une autre variante du pi-calcul où les canaux sont utilisés pour la communication. Dans ce cadre, nous avons adapté la théorie des types précedemment introduite pour le S-pi-calcul au cas des canaux et montré que les programmes typables sont confluents. Le système développé dans ce contexte ainsi que la preuve du lemme de préservation du typage ont été formalisés dans Coq.