Dans cette thèse, nous étudions les équations d’ondes non-linéaires discrètes dans des réseaux finis arbitraires. C’est un modèle général, où le Laplacien continu est remplacé par le Laplacien de graphe. Nous considérons une telle équation d’onde avec une non-linéarité cubique sur les nœuds du graphe, qui est le modèle φ4 discret, décrivant un réseau mécanique d’oscillateurs non-linéaires couplés ou un réseau électrique où les composantes sont des diodes ou des jonctions Josephson. L’équation d’onde linéaire est bien comprise en termes de modes normaux, ce sont des solutions périodiques associées aux vecteurs propres du Laplacien de graphe. Notre premier objectif est d’étudier la continuation des modes normaux dans le régime non-linéaire et le couplage des modes en présence de la non-linéarité. En inspectant les modes normaux du Laplacien de graphe, nous identifions ceux qui peuvent être étendus à des orbites périodiques non-linéaires. Il s’agit des modes normaux dont les vecteurs propres du Laplacien sont composés uniquement de {1}, {-1,+1} ou {-1,0,+1}. Nous effectuons systématiquement une analyse de stabilité linéaire (Floquet) de ces orbites et montrons le couplage des modes lorsque l’orbite est instable. Ensuite, nous caractérisons tous les graphes pour lesquels il existe des vecteurs propres du Laplacien ayant tous leurs composantes dans {-1,+1} ou {-1,0,+1}, en utilisant la théorie spectrale des graphes. Dans la deuxième partie, nous étudions des solutions périodiques localisées spatialement. En supposant une condition initiale de grande amplitude localisée sur un nœud du graphe, nous approchons l’évolution du système par l’équation de Duffing pour le nœud excité et un système linéaire forcé pour le reste du réseau. Cette approximation est validée en réduisant l’équation φ4 discrète à l’équation de Schrödinger non-linéaire de graphes et par l’analyse de Fourier de la solution numérique. Les résultats de cette thèse relient la dynamique non-linéaire à la théorie spectrale des graphes. / In this thesis, we study the discrete nonlinear wave equations in arbitrary finite networks. This is a general model, where the usual continuum Laplacian is replaced by the graph Laplacian. We consider such a wave equation with a cubic on-site nonlinearity which is the discrete φ4 model, describing a mechanical network of coupled nonlinear oscillators or an electrical network where the components are diodes or Josephson junctions. The linear graph wave equation is well understood in terms of normal modes, these are periodic solutions associated to the eigenvectors of the graph Laplacian. Our first goal is to investigate the continuation of normal modes in the nonlinear regime and the modes coupling in the presence of nonlinearity. By inspecting the normal modes of the graph Laplacian, we identify which ones can be extended into nonlinear periodic orbits. They are normal modes whose Laplacian eigenvectors are composed uniquely of {1}, {-1,+1} or {-1,0,+1}. We perform a systematic linear stability (Floquet) analysis of these orbits and show the modes coupling when the orbit is unstable. Then, we characterize all graphs for which there are eigenvectors of the graph Laplacian having all their components in {-1,+1} or {-1,0,+1}, using graph spectral theory. In the second part, we investigate periodic solutions that are spatially localized. Assuming a large amplitude localized initial condition on one node of the graph, we approximate its evolution by the Duffing equation. The rest of the network satisfies a linear system forced by the excited node. This approximation is validated by reducing the discrete φ4 equation to the graph nonlinear Schrödinger equation and by Fourier analysis. The results of this thesis relate nonlinear dynamics to graph spectral theory.

Après une présentation des notations usuelles de la théorie des graphes, on étudie l'ensemble des fonctions harmoniques sur les graphes, c'est à dire des fonctions dont le laplacien est nul. Ces fonctions forment un espace vectoriel et sur un graphe uniformément localement fini, on montre que cet espace vectoriel est soit de dimension un, soit de dimension infinie. Lorsque le graphe comporte une infinité de cycles, ce résultat tombe en défaut et on exhibe des exemples qui montrent qu'il existe un graphe sur lequel les harmoniques forment un espace vectoriel de dimension n, pour tout n. Un exemple de graphe périodique est également traité. Ensuite, toujours pour le laplacien, on étudie plus précisément sur les arbres uniformément localement finis les valeurs propres dont l'espace propre est de dimension infini. Dans ce cas, il est montré que l'espace propre contient un sous-espace isomorphe à l'ensemble des suites réelles bornées. Une inégalité concernant le spectre est donnée dans le cas spécial où les arêtes sont de longueur un. Des exemples montrent que ces inclusions sont optimales. Dans le chapitre suivant, on étudie le comportement asymptotique des valeurs propres pour des opérateurs elliptiques d'ordre 2 quelconques sous des conditions de Kirchhoff dynamiques. Après réécriture du problème sous la forme d'un opérateur de Sturm-Liouville, on écrit le problème de façon matricielle. Puis on trouve une équation caractéristique dont les zéros correspondent aux valeurs propres. On en déduit une formule pour l'asymptotique des valeurs propres. Dans le dernier chapitre, on étudie la stabilité de solutions stationnaires pour certains problèmes de réaction-diffusion où le terme de non linéarité est polynomial. / After a quick presentation of usual notations for the graph theory, we study the set of harmonic functions on graphs, that is, the functions whose laplacian is zero. These functions form a vectorial space. On a uniformly locally finite tree, we shaw that this space has dimension one or infinity. When the graph has an infinite number of cycles, this result change and we describe some examples showing that there exists a graph on which the harmonic functions form a vectorial space of dimension n, for all n. We also treat the case of a particular periodic graph. Then, we study more precisely the eigenvalues of infinite dimension. In this case, the eigenspace contains a subspace isomorphic to the set of bounded sequences. An inequality concerning the spectral is given when edges length is equal to one. Examples show that these inclusions are optimal. We also study the asymptotic behavior of eigenvalues for elliptic operators under dynamical Kirchhoff node conditions. We write the problem as a Sturm-Liouville operator and we transform it in a matrix problem. Then we find a characteristic equation whose zeroes correspond to eigenvalues. We deduce a formula for the asymptotic behavior. In the last chapter, we study the stability of stationary solutions for some reaction-diffusion problem whose the non-linear term is polynomial.

This Master Thesis deals with the drawing algorithms of graphs known from the mathematical theory. These algorithms deals with an appropriate distribution of the graph vertices in order to obtain the most clear and readable graphs for human readers. The main objective of this work was also to implement the drawing algorithm in the application that would allow to edit the graph. This work deals also with graphs representation in computers.