We generalize Forman’s discrete Morse theory, on one end by developing a discrete analogue of Morse-Bott theory for CW complexes, motivated by Morse-Bott theory in the smooth setting. On the other, motivated by J-N. Corvellec’s Morse theory for continuous functionals, we generalize Forman’s discrete Morse-floer theory by considering a vector field more general than the one extracted from a discrete Morse function, and defining a boundary operator from which the Betti numbers of the CW complex are obtained. We also do some Conley theory analysis.

Dans cette thèse, nous développons de nouveaux outils pour relier les dynamiques qualitatives des systèmes hamiltoniens sur des surfaces aux propriétés algèbriques de leurs complexes de Floer - un objet algébrique qui encode l'information sur la façon dont les orbites 1-périodiques d'un système sont reliées par des cylindres satisfaisant une équation différentielle partielle elliptique appelée l'équation de Floer. L'idée principale est de considérer --- pour un hamiltonian \(H \in C^\infty(S^1 \times \Sigma)\) sur une surface symplectique \((\Sigma, \omega)\) --- les graphes des orbites contractiles 1-périodiques de l'isotopie \((\phi^H_t)_{t \in [0,1]}\) comme définissant une tresse \(P^H\) dans \(S^1 \times \Sigma\). En choisissant des capuchons pour chacune de ces orbites 1-périodiques, nous obtenons un objet que nous appelons une tresse encapuchonnée \(\hat{P}^H\), qui est muni d'une fonction d'indexation \(\mu_{CZ}: \hat{P}^H \rightarrow \mathbb{Z}\) obtenue en assignant à chaque brin encapuchonné l'indice de Conley-Zehnder de l'orbite encapuchonnée associée. L'idée est alors de s'interroger sur la relation entre l'information topologique encodée dans la tresse encapuchonnée indexée \((\hat{P}^H,\mu_{CZ})\) et la structure du complexe de Floer \(CF_*(H,J)\) pour une structure presque complexe générique \(J\). À cette fin, nous aurons recours à: un nouvel invariant relatif pour les paires de tresses encapuchonnées que nous appelons le nombre d'enlacement homologique, un cercle d'idées concernant le comportement asymptotique des courbes pseudo-holomorphes développé par Hofer-Wysocki-Zehnder dans leur série d'articles [8], [10], [12] et aussi [11] (ainsi qu'un raffinement supplémentaire dans le cas relatif dû à Siefring dans [32]), et une nouvelle technique en basses dimensions pour la construction de morphismes de continuation de Floer qui ont un comportement prescrit. En conséquence de ces techniques, nous établissons l'existence --- pour des systèmes hamiltoniens génériques sur une surface fermée arbitraire --- de certaines feuilletages singulières spéciaux sur \(S^1 \times \Sigma\) dont le comportement est étroitement lié à la fois à la dynamique sous-jacente et à la structure du complexe de Floer du système. La construction de tels feuilletages dans le cas particulier des pseudo-rotations d'un disque, par des méthodes très différentes des nôtres, a été au coeur des progrès significatifs récents de Bramham dans [3] sur une célèbre question de Katok concernant les systèmes conservatifs de basse dimension et d'entropie nulle. Ces feuilletages fournissent également, pour les systèmes hamiltoniens lisses génériques, une construction Floer-théorique des feuilletages positivement transversaux sur \(\Sigma\) qui ont été construits originellement (pour les homéomorphismes de surface généraux) par Le Calvez à travers d'une extension substantielle de la théorie de Brouwer classique pour les homéomorphismes de surface dans [16]. En plus de fournir un pont géométrique entre la dynamique d'une isotopie hamiltonienne et l'information algébrique contenue dans son complexe de Floer, les techniques développées dans cette thèse permettent également de donner une caractérisation --- purement en termes de la dynamique de l'isotopie hamiltonienne sous-jacente --- des cycles de Floer dans \(CF_*(H,J)\) qui représentent la classe fondamentale de la surface et qui de plus se trouvent dans l'image d'un morphisme de PSS au niveau des chaines. Finalement, ces techniques permettent de définir une nouvelle famille d'invariants d'un système hamiltonien (sur une variété symplectique arbitraire) qui se comporte formellement de manière similaire à une famille bien étudiée de tels invariants connue comme les invariants spectraux de Oh-Schwarz. L'avantage de nos nouveaux invariants est que nous sommes capable de calculer explicitement les plus importants d'entre eux pour des systèmes hamiltoniens génériques sur des surfaces arbitraires, ce uniquement en termes de topologie relative des orbites périodiques du système (avec leurs indices de Conley-Zehnder). Ceci généralise un résultat de Humilière-Le Roux-Seyfaddini dans [13] dans lequel ils ont donné une caractérisation dynamique du principal invariant spectral de Oh-Schwarz dans le cas de systèmes hamiltoniens autonomes sur des surfaces de genre positif. / In this thesis, we develop novel tools for relating the qualitative dynamics of Hamiltonian systems on surfaces to the algebraic properties of their Floer complexes --- an algebraic object which encodes information about the ways in which a system’s 1-periodic orbits are connected by cylinders satisfying an elliptic partial differential equation known as Floer’s equation. The main idea is to consider --- for a generic Hamiltonian \(H \in C^\infty(S^1 \times \Sigma)\) on a symplectic surface \((\Sigma, \omega)\) --- the graphs of the contractible time-1 periodic orbits of the isotopy \((\phi^H_t)_{t \in [0,1]}\) as defining a braid \(P^H\) in \(S^1 \times \Sigma\). Upon choosing cappings for each such 1-periodic orbit, we obtain an object which we term a capped braid \(\hat{P}^H\), which comes equipped with an indexing function \(\mu_{CZ}: \hat{P}^H \rightarrow \mathbb{Z}\) given by assigning to each (capped) strand of the braid the Conley-Zehnder index of the associated capped orbit. The idea is then to enquire into the relation of the topological information encoded in the indexed capped braid \((\hat{P}^H,\mu_{CZ})\) and the structure of the Floer complex \(CF_*(H,J)\) for a generic \(J\). The main tools employed to this end are: a novel relative invariant for pairs of capped braids which we term the homological linking number, a circle of ideas about the asymptotic behaviour of pseudo-holomorphic curves pioneered by Hofer-Wysocki-Zehnder in their series of papers [8], [10], [12] as well as in [11] (along with a further refinement to the relative case by Siefring in [32]), and a novel technique for the construction of regular Floer continuation maps in low-dimensions having prescribed behaviour. As a consequence of these techniques, we establish the existence --- for generic Hamiltonian systems on an arbitrary closed surface \(\Sigma\) --- of certain special singular foliations on \(S^1 \times \Sigma\) whose behaviour is tightly related to both the underlying dynamics, as well as the structure of the system’s Floer complex. The construction of such foliations (by very different methods) in the particular case of pseudo-rotations on a disk was the crux of Bramham’s recent significant progress in [3] on a famous question due to Katok about low-dimensional conservative systems with vanishing entropy. These foliations also provide, for generic smooth Hamiltonian systems, 7 a Floer-theoretic construction of the positively transverse foliations on \(\Sigma\) which were originally constructed (for general surface homeomorphisms) by Le Calvez through a significant extension of classical Brouwer theory for surface homeomorphisms in [16]. In addition to providing a geometric bridge between the dynamics of a Hamiltonian isotopy and the algebraic information contained in its associated Floer complex, the techniques developed in this dissertation also permit a characterization --- purely in terms of the dynamics of the underlying Hamiltonian isotopy --- of those Floer cycles in \(CF_*(H,J)\) which represent the fundamental class of the surface, and which moreover lie in the image of some chain-level PSS map. Finally, these techniques permit the definition of a new family of invariants of a Hamiltonian system (on an arbitrary symplectic manifold) which behave formally similarly to a well-studied family of such invariants known as ‘Oh-Schwarz spectral invariants’ (and which agree with them in all known cases). The advantage of these novel spectral invariants is that we are able to explicitly compute the most important of these spectral invariants for generic Hamiltonian systems on arbitrary surfaces purely in terms of the relative topology of the system’s periodic orbits (together with their Conley-Zehnder indices). This considerably generalizes a result by Humilière-Le Roux-Seyfaddini in [13] in which they gave a dynamical characterization of the main Oh-Schwarz spectral invariant in the case of time-independent Hamiltonian systems on surfaces with positive genus.

Cette thèse contient quatre articles qui étudient les phénomènes de rigidité des transforma- tions hamiltoniennes des variétés symplectiques. Le premier article, rédigé en collaboration avec Egor Shelukhin, examine les obstructions à l’existence de symétries hamiltoniennes d’ordre fini sur une variété symplectique fermée (M,ω); c’est-à-dire de torsion hamiltonienne. En d’autres termes, nous étudions les sous- groupes finis du groupe des difféomorphismes hamiltoniens Ham(M,ω). Nous identifions trois sources principales d’obstructions: Contraintes topologiques. Inspirés par un résultat de Polterovich montrant que les variétés symplectiques asphériques n’admettent pas de torsion hamiltonienne, nous établissons que la présence d’un sous-groupe fini non trivial de Ham(M, ω) implique l’existence d’une sphère A ∈ π2(M) avec ⟨[ω],A⟩ > 0 et ⟨c1(M),A⟩ > 0. En particulier, les variétés symplectiques négativement monotones et les variétés symplectiques Calabi-Yau n’admettent pas de torsion hamiltonienne. Présence de courbes J-holomorphes. De manière générale, il y a de nombreux exemples de torsion hamiltonienne, par exemple toute rotation de la sphère de dimension deux par une fraction irrationnelle de π. Lorsque (M,ω) est positivement monotone, nous montrons que l’existence de torsion hamiltonienne impose une condition géométrique qui implique que les sphères J-holomorphes non constantes sont présentes partout. Ce phénomène était prédit dans une liste de problèmes contenue dans la monographie d’introduction de McDuff et de Salamon. Rigidité métrique spectrale. Notre analyse révèle que, pour les variétés symplectiques posi- tivement monotones, il existe un voisinage de l’identité dans Ham(M,ω) dans la topologie induite par la métrique spectrale qui ne contient aucun sous-groupe fini non trivial. Le principal résultat du deuxième article établit que, pour une large classe de variétés sym- plectiques, le flux d’un lacet de difféomorphismes symplectiques est entièrement déterminé par la classe d’homotopie de ses orbites. Comme application, nous obtenons de nouveaux exemples où l’existence d’un point fixe d’une action symplectique du cercle implique qu’elle est hamiltonienne et de nouvelles conditions assurant que le groupe de flux est trivial. De plus, nous obtenons des obstructions à l’existence d’éléments non triviaux de Symp0(M,ω) ayant un ordre fini. Le troisième article, rédigé en collaboration avec Han Lou, démontre une version de la conjecture de Hofer-Zehnder pour les variétés symplectiques fermées semi-positives dont l’homologie quantique est semi-simple; ce résultat généralise le travail révolutionnaire de Shelukhin sur les variétés symplectiques monotones. Le résultat montre qu’un difféomor- phisme hamiltonien possédant plus de points fixes contractiles, comptés homologiquement, que le nombre total de Betti de la variété doit avoir une infinité de points périodiques. La composante clé de la preuve est une nouvelle étude de l’effet de la réduction modulo p, un nombre premier, sur les bornes de l’homologie de Floer filtrée qui proviennent de la semi- simplicité. Cette étude repose sur la théorie des extensions algébriques des corps équipés d’une norme non-archimédienne. Le quatrième article, écrit en collaboration avec Habib Alizadeh et Dylan Cant, examine la déplaçabilité d’une sous-variété lagrangienne fermée L d’une variété symplectique convexe á l’infini par un difféomorphisme hamiltonien à support compact. Nous concluons qu’un difféomorphisme hamiltonien φ dont la norme spectrale est plus petite qu’un ħ(L) > 0 ne dépendant que de L ⊆ W ne peut pas déplacer L. De plus, nous établissons une estimation du nombre de valeurs d’action en terme de la longueur du cup-produit pour le nombre de valeurs d’action; lorsque L est rationnelle, cela implique une estimation du nombre de points d’intersection L ∩ φ(L) en terme de la longueur du cup-produit. Ainsi, nous montrons que le nombre de points fixes d’un difféomorphisme hamiltonien d’une variété symplectique fermée rationnelle (M, ω) dont la norme spectrale est plus petite que la constante de rationalité est au moins de 1 plus la longueur du cup-produit de M. / This thesis comprises four articles that study rigidity phenomena of Hamiltonian transfor- mations of symplectic manifolds. The first article, co-authored with Egor Shelukhin, examines obstructions to the existence of Hamiltonian symmetries of finite order on a closed symplectic manifold (M,ω); Hamil- tonian torsion. In other words, we study the finite subgroups of the group of Hamiltonian diffeomorphisms Ham(M, ω). We identify three primary sources of obstructions: Topological constraints. Inspired by a result of Polterovich showing that symplectically aspherical symplectic manifolds do not admit Hamiltonian torsion, we establish that the presence of a non-trivial finite subgroup of Ham(M,ω) implies that there exists a sphere A ∈ π2(M) with ⟨[ω],A⟩ > 0 and ⟨c1(M),A⟩ > 0. In particular, symplectically Calabi-Yau, and spherically negative-monotone symplectic manifolds do not admit Hamiltonian torsion. The presence of J-holomorphic curves. For general closed symplectic manifolds, there are plenty of examples of Hamiltonian torsion, for instance, any rotation of the two-sphere by an irrational fraction of π. When (M, ω) is spherically positive-monotone, we show the existence of Hamiltonian torsion imposes geometrical uniruledness, which implies that non-constant J-holomorphic spheres are ubiquitous. This phenomenon was predicted in a list of problems contained in the introductory monograph of McDuff and Salamon. The spectral metric rigidity. Our study reveals that for spherically positive-monotone (M, ω), there exists a neighbourhood of the identity in Ham(M,ω), in the topology induced by the spectral metric, that does not contain any non-trivial finite subgroup. The main result of the second article establishes that for a broad class of symplectic manifolds the flux of a loop of symplectic diffeomorphisms is completely determined by the homotopy class of its orbits. As an application, we obtain a new vanishing result for the flux group and new instances where the existence of a fixed point of a symplectic circle action implies that it is Hamiltonian. Moreover, we obtain obstructions to the existence of non-trivial elements of Symp0(M,ω) that have finite order. The third article, co-authored with Han Lou, proves a version of the Hofer-Zehnder conjec- ture for closed semipositive symplectic manifolds whose quantum homology is semisimple; this result generalizes the groundbreaking work of Shelukhin in the spherically positive- monotone setting. The result shows that a Hamiltonian diffeomorphism possessing more contractible fixed points, counted homologically, than the total Betti number of the mani- fold, must have infinitely many periodic points. The key component of the proof is a new study of the effect of reduction modulo a prime on the bounds on filtered Floer homology that arise from semisimplicity. It relies on the theory of algebraic extensions of non-Archimedean normed fields. The fourth article, co-authored with Habib Alizadeh and Dylan Cant, investigates the dis- placeability of a closed Lagrangian submanifold L of a convex-at-infinity symplectic manifold by a compactly supported Hamiltonian diffeomorphism. We conclude that a Hamiltonian diffeomorphism φ whose spectral norm is smaller than some ħ(L) > 0, depending only on L ⊂ W , cannot displace L. Furthermore, we establish a cup-length estimate for the number of action values; when L is rational, this implies a cup-length estimate on the number of intersection points L ∩ φ(L). As a corollary, we demonstrate that the number of fixed points of a Hamiltonian diffeomorphism of a closed rational symplectic manifold (M,ω), whose spectral norm is smaller than the rationality constant, is bounded below by one plus the cup-length of M.

Cette thèse explore les propriétés de rigidité et de flexibilité des cobordismes lagrangiens immergés entre sous-variétés lagrangiennes de variétés symplectiques. Dans le premier article de cette thèse, intitulé On cobordism groups of Lagrangian immersions, on s’intéresse aux aspects flexibles des cobordismes lagrangiens. On y étudie les groupes de cobordisme d’immersions lagrangiennes \( \Omega^{\operatorname{lag}}(M) \) d’une variété symplectique \( M \). Il s’agit d’un sujet classique dont l’étude a été initiée par Arnold au début des années 80. Étendant un théorème dû à Eliashberg dans le cas des variétés symplectiques exactes, nous démontrons que le calcul de \( \Omega^{\operatorname{lag}}(M) \) se réduit à un problème de théorie de l’homotopie stable. Plus précisément, nous associons à toute variété symplectique \( M \) un spectre de Thom et démontrons que le groupe \( \Omega^{\operatorname{lag}}(M) \) s’exprime en terme des groupes d’homotopie stables de ce spectre. L’ingrédient principal de la preuve est le h-principe de Gromov- Lees, qui a pour conséquence que le problème d’existence des immersions lagrangiennes se réduit à un problème de topologie algébrique. Dans le second article de cette thèse, intitulé Unobstructed Lagrangian cobordism groups of surfaces, on s’intéresse aux aspects rigides des cobordismes lagrangiens dans le cas de surfaces symplectiques \( \Sigma \) de genre \( g \geq 2 \). On y étudie une classe de cobordismes lagrangiens immergés qui satisfont une contrainte sur les disques holomorphes qu’ils bordent, ce qui permet de leur appliquer les techniques de la théorie de Floer. On dit alors de ces cobordismes qu’ils sont non-obstrués. Les principaux résultat de ce second article sont, d’une part, le calcul du groupe de cobordisme non-obstrué \( \Omega_{\operatorname{unob}}(\Sigma) \) et, d’autre part, la construction d’un isomorphisme naturel entre \( \Omega_{\operatorname{unob}}(\Sigma) \) et le groupe de Grothendieck de la catégorie de Fukaya dérivée de \( \Sigma \). Cela résout, dans le cas des surfaces fermées de genre \( g \geq 2\), un problème posé par Biran et Cornea. / This thesis explores the rigidity and flexibility properties of immersed Lagrangian cobordisms between Lagrangian submanifolds of symplectic manifolds. In the first article of this thesis, titled On cobordism groups of Lagrangian immersions, we are interested in the flexible aspects of Lagrangian cobordisms. We study the cobordism group of Lagrangian immersions \( \Omega^{\operatorname{lag}}(M) \) of a symplectic manifold \( M \). This is a classical topic in symplectic topology, whose study was initiated by Arnold in the 80s. Generalizing a theorem due to Eliashberg in the exact case, we show that the computation of \( \Omega^{\operatorname{lag}}(M) \) reduces to a problem in stable homotopy theory. More precisely, we associate to every symplectic manifold \( M\) a Thom spectrum and show that the group \( \Omega^{\operatorname{lag}}(M) \) can be expressed in terms of the stable homotopy groups of this spectrum. The main ingredient of the proof is the celebrated h-principle of Gromov-Lees, which reduces the existence problem for Lagrangian immersions to a purely topological problem. In the second article of this thesis, titled Unobstructed Lagrangian cobordism groups of surfaces, we are interested in the rigid aspects of Lagrangian cobordisms in the case of symplectic surfaces \( \Sigma \) of genus \( g \geq 2 \). We study a class of immersed Lagrangian cobordism satisfying a constraint on the holomorphic disks that they bound, which makes them amenable to Floer-theoretic methods. Such cobordisms are called unobstructed. The main results of the second article are, on one hand, the computation of the unobstructed cobordism group \( \Omega_{\operatorname{unob}}(\Sigma) \) and, on the other hand, the construction of a natural isomorphism between \( \Omega_{\operatorname{unob}}(\Sigma) \) and the Grothendieck group of the derived Fukaya category of \(\Sigma \). This provides an answer, in the case of surfaces of genus \( g \geq 2\), to a question posed by Biran and Cornea.