No presente trabalho apresentamos um estudo sobre a dinâmica de homeomorfismos do toro homotópicos à Dehn twists. No caso conservativo, provamos que se $f$ preserva área e tem um levantamento $\\hat$ para o cilindro com fluxo zero, então, precisamente, ou $f$ é um homeomorfismo do anel, ou possui pontos no cilindro com velocidades verticais positiva e negativa, por iteradas de $\\hat$. Isso resolve a conjectura de Boyland para essa classe de homotopia. Já no caso geral, mostramos um resultado análogo. Além disso, fornecemos uma condição extremamente simples que, quando satisfeita, implica que o conjunto de rotação vertical contém um intervalo e, portanto, que $f$ tem entropia topológica positiva. / The present thesis is concerned with the dynamics of homeomorphisms of the torus homotopic to Dehn twists. We prove that if $f$ is area preserving and it has a lift $\\hat$ to the cylinder with zero flux, then either $f$ is an annulus homeomorphism, or there are points in the cylinder with positive vertical velocity and others with negative vertical velocity, for iterates of $\\hat$. This solves a version of Boyland\'s conjecture to this setting. We extend some theorems we already obtained for Dehn twists with the area preservation hypothesis to a more general class. Finally, we also give a simple explicit condition which, when satisfied, implies that the vertical rotation set contains an interval and thus also implies positive topological entropy.

No presente trabalho apresentamos um estudo sobre a dinâmica de homeomorfismos do toro homotópicos à Dehn twists. No caso conservativo, provamos que se $f$ preserva área e tem um levantamento $\\hat$ para o cilindro com fluxo zero, então, precisamente, ou $f$ é um homeomorfismo do anel, ou possui pontos no cilindro com velocidades verticais positiva e negativa, por iteradas de $\\hat$. Isso resolve a conjectura de Boyland para essa classe de homotopia. Já no caso geral, mostramos um resultado análogo. Além disso, fornecemos uma condição extremamente simples que, quando satisfeita, implica que o conjunto de rotação vertical contém um intervalo e, portanto, que $f$ tem entropia topológica positiva. / The present thesis is concerned with the dynamics of homeomorphisms of the torus homotopic to Dehn twists. We prove that if $f$ is area preserving and it has a lift $\\hat$ to the cylinder with zero flux, then either $f$ is an annulus homeomorphism, or there are points in the cylinder with positive vertical velocity and others with negative vertical velocity, for iterates of $\\hat$. This solves a version of Boyland\'s conjecture to this setting. We extend some theorems we already obtained for Dehn twists with the area preservation hypothesis to a more general class. Finally, we also give a simple explicit condition which, when satisfied, implies that the vertical rotation set contains an interval and thus also implies positive topological entropy.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第19467号 / 理博第4127号 / 新制||理||1594(附属図書館) / 32503 / 京都大学大学院理学研究科数学・数理解析専攻 / (主査)准教授 高村 茂, 教授 上 正明, 教授 加藤 毅 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

Cette thèse présente quelques propriétés des sous-variétés lagrangiennes monotones. On résoud d'abord une conjecture de Barraud et Cornea dans le cadre monotone en montrant que le rayon de Gromov relatif à deux lagrangiennes dans la même classe d'isotopie hamiltonienne donne une borne inférieure à la distance de Hofer entre ces deux mêmes lagrangiennes. Le cas non-monotone de cette conjecture reste ouvert encore. On définit toutes les structures nécessaires à l'énoncé et à la preuve de cette conjecture. Deuxièmement, on définit une nouvelle version d'un morphisme de Seidel relatif à l'aide des cobordismes lagrangiens de Biran et Cornea. On montre que cette version est chaîne-homotope aux différentes autres versions apparaissant dans la littérature. Que toutes ces définitions sont équivalentes fait partie du folklore mais n'apparaît pas dans la littérature. On conclut par une conjecture qui identifie un triangle exact obtenu par chirurgie lagrangienne et un autre dû à Seidel et faisant intervenir le twist de Dehn symplectique. / We present in this thesis a few properties of monotone Lagrangian submanifolds. We first solve a conjecture of Barraud and Cornea in the monotone setting by showing that the relative Gromov radius of two Hamiltonian-isotopic Lagrangians gives a lower bound on the Hofer distance between them. The general non-monotone case remains open to this day. We define all the structures relevant to state and prove the conjecture. We then define a new version of a Lagrangian Seidel morphism through the recently introduced Lagrangian cobordisms of Biran and Cornea. We show that this new version is chain-homotopic to various other versions appearing in the litterature. That all these previous versions are the same is folklore but did not appear in the litterature. We conclude with a conjecture claiming that an exact triangle obtained by Lagrangian surgery is isomorphic to an exact triangle of Seidel involving the symplectic Dehn twist.

Cette thèse présente quelques propriétés des sous-variétés lagrangiennes monotones. On résoud d'abord une conjecture de Barraud et Cornea dans le cadre monotone en montrant que le rayon de Gromov relatif à deux lagrangiennes dans la même classe d'isotopie hamiltonienne donne une borne inférieure à la distance de Hofer entre ces deux mêmes lagrangiennes. Le cas non-monotone de cette conjecture reste ouvert encore. On définit toutes les structures nécessaires à l'énoncé et à la preuve de cette conjecture. Deuxièmement, on définit une nouvelle version d'un morphisme de Seidel relatif à l'aide des cobordismes lagrangiens de Biran et Cornea. On montre que cette version est chaîne-homotope aux différentes autres versions apparaissant dans la littérature. Que toutes ces définitions sont équivalentes fait partie du folklore mais n'apparaît pas dans la littérature. On conclut par une conjecture qui identifie un triangle exact obtenu par chirurgie lagrangienne et un autre dû à Seidel et faisant intervenir le twist de Dehn symplectique. / We present in this thesis a few properties of monotone Lagrangian submanifolds. We first solve a conjecture of Barraud and Cornea in the monotone setting by showing that the relative Gromov radius of two Hamiltonian-isotopic Lagrangians gives a lower bound on the Hofer distance between them. The general non-monotone case remains open to this day. We define all the structures relevant to state and prove the conjecture. We then define a new version of a Lagrangian Seidel morphism through the recently introduced Lagrangian cobordisms of Biran and Cornea. We show that this new version is chain-homotopic to various other versions appearing in the litterature. That all these previous versions are the same is folklore but did not appear in the litterature. We conclude with a conjecture claiming that an exact triangle obtained by Lagrangian surgery is isomorphic to an exact triangle of Seidel involving the symplectic Dehn twist.

La dynamique des systèmes hyperboliques est considérée bien comprise du point de vue topologique aussi bien que du point de vue stochastique. S. Smale et R. Abraham ont donné un exemple montrant que, en général, les systèmes hyperboliques ne sont pas denses parmi tous les systèmes diffélrentiables. Dans les années 1970, M. Brin et Y. Pesin ont proposé une nouvelle notion: hyperbolicité partielle pour affaiblir la notion d’hyperbolicité. Un but de cette thèse est de comprendre la dynamique de certains systèmes partiellement hyperboliques du point de vue stochastique aussi bien que du point de vue topologique. Du point de vue stochastique, nous démontrons les résultats suivants: — Il existe un sous-ensemble U ouvert et dense de difféomorphismes non hyperboliques robustement transitifs loin de tangences homocliniques, tels que pour tout f ∈ U, il existe des mesures ergodiques non hyperboliques qui sont limite faible des mesures périodiques, avec un seul exposant de Lyapunov nul, et dont les supports sont la variété entière; — Il existe un sous-ensemble ouvert et dense de l’ensemble des difféomorphismes partiellement hyperboliques (mais non hyperboliques) de dimension centrale un dont les feuilletages forts sont robustement minimaux, de sorte que la fermeture de l’ensemble des mesures ergodiques est l’union de deux convexes qui sont la fermeture des ensembles de mesures ergodiques hyperboliques de deux s-indices différents respectivement; ces deux ensembles convexes se coupent le long de la fermeture de l’ensemble des mesures ergodiques non hyperboliques. Par conséquent, toute mesure ergodique non hyperbolique est approchée par des mesures périodiques. C’est le cas pour une perturbation robustement transitive du temps un d’un flot d’Anosov transitif, ou du produit fibré d’un difféomorphisme d’Anosov sur le tore par une rotation du cercle. Ces résultats sont basés sur des résultats locaux dont les démonstrations impliquent beaucoup de définitions techniques. Du point de vue topologique, pour tout flot d’Anosov non transitif sur des variétés de dimension 3 orientables, nous construisons de nouveaux difféomorphismes partiellement hyperboliques en composant le temps t des flots d’Anosov (pour t > 0 large) avec des twists de Dehn le long des tores transversaux. Ces nouveaux difféomorphismes partiellement hyperboliques sont robustement dynamiquement cohérents. Cela généralise dans un cas général le processus spécial dans [BPP] pour construire de nouveaux difféomorphismes partiellement hyperboliques. De plus, nous démontrons que pour les nouveaux difféomorphismes partiellement hyperboliques que nous avons construits, leurs feuilletages centraux sont topologiquement équivalentes aux flots d’Anosov utilisés pour les construire. En conséquence, la structure des feuilles centrales des nouveaux difféomorphismes partiellement hyperboliques est la même que la structure des orbites d’un flot d’Anosov. La présence de mesures ergodiques non hyperboliques montre la non hyperbolicité des systémes. Dans cette thése, nous cherchons également à comprendre: dans quelle mesure la présence de mesures ergodiques non hyperboliques peut-elle caractériser le degré de non-hyperbolicité des systèmes? Nous démontrons que, pour les difféomorphismes génériques, si une classe homoclinique contient des orbites périodiques d’indices différents et sans certaines dominations, il existe une mesure ergodique non hyperbolique avec plus d’un exposant de Lyapunov qui s’annule et dont le support est la classe homoclinique entière. Le nombre d’exposants de Lyapunov nuls montre combien d’hyperbolicité a été perdue dans un tel type de systèmes. / The dynamics of hyperbolic systems is considered well understood from topological point of view as well as from stochastic point of view. S. Smale and R. Abraham gave an example showing that, in general, the hyperbolic systems are not dense among all differentiable systems. In 1970s, M. Brin and Y. Pesin proposed a new notion: partial hyperbolicity to release the notion of hyperbolicity. One aim of this thesis is to understand the dynamics of certain partially hyperbolic systems from stochastic point of view as well as from topological point of view. From stochastic point of view, we prove the following results: — There exists an open and dense subset U of robustly transitive nonhyperbolic diffeomorphisms far from homoclinic tangency, such that forany f ∈ U, there exist non-hyperbolic ergodic measures as the weak*- limit of periodic measures, with only one vanishing Lyapunov exponent, and whose supports are the whole manifold; — There exists an open and dense subset of partially hyperbolic (but nonhyperbolic) diffeomorphisms with center dimension one whose strong foliations are robustly minimal, such that the closure of the set of ergodic measures is the union of two convex sets which are the closure of the sets of hyperbolic ergodic measures of two different s-indices respectively; these two convex sets intersect along the closure of the set of nonhyperbolic ergodic measures. As a consequence, every non-hyperbolic ergodic measure is approximated by periodic measures. That is the case for robustly transitive perturbation of the time one map of a transitive Anosov flow, or of the skew product of an Anosov torus diffeomorphism by a rotation of the circle. These results are based on some local results whose statements involve in lots of technical definitions. From topological point of view, for any non-transitive Anosov flow on orientable 3-manifolds, we build new partially hyperbolic diffeomorphisms by composing the time t-map of the Anosov flow (for t > 0 large) with Dehn twists along transverse tori. These new partially hyperbolic diffeomorphisms are robustly dynamically coherent. This generalizes the special process in [BPP] for constructing new partially hyperbolic diffeomorphisms to a general case. Furthermore, we prove that for the new partially hyperbolic diffeomorphisms we built, their center foliations are topologically equivalent to the Anosov flows used for building them. As a consequence, one has that the structure of the center leaves of the new partially hyperbolic diffeomorphisms is the same asthe structure of the orbits of an Anosov flow. The presence of non-hyperbolic ergodic measures shows the non-hyperbolicity of the systems. In this thesis, we also attempt to understand: to what extent, can the presence of non-hyperbolic ergodic measures character how far from hyperbolicity the systems are? We prove that, for generic diffeomorphisms, if a homoclinic class contains periodic orbits of different indices and without certain dominations, then there exists a non-hyperbolic ergodic measure with more than one vanishing Lyapunov exponents and whose support is the whole homoclinic class. The number of vanishing Lyapunov exponents shows how much hyperbolicity has been lost in such kind of systems.

Un automorphisme (extérieur) $phi $ d'un groupe libre $F_n$ de rang fini $ngeq 2$ est dit géométrique s'il est induit par un homéomorphisme d'une surface. La question à laquelle nous intéressons est la suivante: Quels sont les automorphismes de $F_n$ qui sont géométriques?Nous donnons une réponse algorithmique pour la classe des automorphismes à croissance polynomiale (en s'autorisant à remplacer un automorphisme par une puissance).Pour cela, nous sommes amenés à étudier les automorphismes de graphes de groupes. En particulier, nous introduisons deux transformations élémentaires d'automorphismes de graphes de groupes: les quotients et les éclatements.Pour le cas particulier où l'automorphisme est un twist de Dehn partiel, on obtient un critère pour décider quand un tel twist de Dehn partiel est un véritable twist de Dehn.En appliquant le critère à plusieurs reprises sur un twist de Dehn cumulé, nous montrons que soit on peut ＂déplier＂ ce twist de Dehn cumulé jusqu'à obtenir un twist de Dehn ordinaire, soit que $phi$ est à croissance au moins quadratique (et par conséquent, n'est pas géométrique).Cela montre, au passage, que tout automorphisme du groupe libre à croissance linéaire admet une puissance qui est un twist de Dehn. Ce fait est connu des experts, et souvent utilisé, bien qu'il n'en existait pas de preuve formelle dans la littérature (à la connaissance de l'auteur).Pour conclure, on applique l'algorithme de Cohen-Lustig pour le transformer en twist de Dehn efficace, puis on applique l'algorithme Whitehead et des théorèmes classiques de Nielsen-Baer et Zieschang pour construire un modèle géométrique ou pour montrer qu'il n'est pas géométrique. / An automorphism $phi$ of a free group $F_n$ of finite rank $n geq 2$ is said to be geometric it is induced by a homeomorphism on a surface.In this thesis we concern ourselves with answering the question:Which precisely are the outer automorphisms of $F_n$ that are geometric?to which we give an algorithmical decision for the case of polynomially growing outer automorphisms, up to raising to certain positive power.In order to realize this algorithm, we establish the technique of quotient and blow-up automorphisms of graph-of-groups, which when apply for the special case of partial Dehn twist enables us to develop a criterion to decide whether the induced outer automorphism is an actual Dehn twist.Applying the criterion repeatedly on the special topological representative deriving from relative train track map, we are now able to either “unfold” this iterated relative Dehn twist representative level by level until eventually obtain an ordinary Dehn twist representative or show that $hat{phi}$ has at least quadratic growth hence is not geometric.As a side result, we also proved that every linearly growing automorphism of free group has a positive power which is a Dehn twist automorphism. This is a fact that has been taken for granted by many experts, although has no formal proof to be found in the literature.In the case of Dehn twist automorphisms, we then use the known algorithm to make the given Dehn twist representative efficient and apply the Whitehead algorithm as well as the classical theorems by Nielsen, Baers, Zieschangs and others to construct its geometric model or to show that it is not geometric.