The primary topic of this thesis is the construction of explicit projective equations for the modular curves $X_0(N)$. The techniques may also be used to obtain equations for $X_0^+(p)$ and, more generally, $X_0(N) / W_n$. The thesis contains a number of tables of results. In particular, equations are given for all curves $X_0(N)$ having genus $2 le g le 5$. Equations are also given for all $X_0^+(p)$ having genus 2 or 3, and for the genus 4 and 5 curves $X_0^+(p)$ when $p le 251$. The most successful tool used to obtain these equations is the canonical embedding, combined with the fact that the differentials on a modular curve correspond to the weight 2 cusp forms. A second method, designed specifically for hyperelliptic curves, is given. A method for obtaining equations using weight 1 theta series is also described. Heights of modular curves are studied and a discussion is given of the size of coefficients occurring in equations for $X_0(N)$. Finally, the explicit equations are used to study the rational points on $X_0^+(p)$. Exceptional rational points on $X_0^+(p)$ are exhibited for $p = 73,103,137$ and 191.

The Harris-Venkatesh conjecture posits a relationship between the action of derived Hecke operators on weight-one modular forms and Stark units. We prove the full Harris-Venkatesh conjecture for all CM dihedral weight-one modular forms. This reproves results of Darmon-Harris-Rotger-Venkatesh, extends their work to the adelic setting, and removes all assumptions on primality and ramification from the imaginary dihedral case of the Harris-Venkatesh conjecture. This is done by introducing the Harris-Venkatesh period on cuspidal one-forms on modular curves, introducing two-variable optimal modular forms, evaluating GL(2) × GL(2) Rankin-Selberg convolutions on optimal forms and newforms, and proving a modulo-ℓᵗ comparison theorem between the Harris-Venkatesh and Rankin-Selberg periods. Furthermore, these methods explicitly describe local factors appearing in the constant of proportionality prescribed by the Harris-Venkatesh conjecture. We also look at the application of our methods to non-dihedral forms.

Nous démontrons une version pour la caractéristique p d'un cas spécial de la conjecture d'André-Oort. Plus précisement, soit Z le produit de n courbes modulaires de Drinfeld, et soit X une sous-variété algébrique irréductible de Z. Alors nous démontrons que X contient un ensemble Zariski-dense de points CM (c.a.d. points correspondant aux n-uples de A-modules de Drinfeld de rang 2 avec mulitplications complexes, où A=F_q[T], et q est une puissance d'un nombre prémier impair) si et seulement si X est une sous-variété dite modulaire. Notre approche répose sur une approche (en caractéristique 0) due à Edixhoven.

Let X be an Atkin-Lehner quotient of the modular curve X_0(N) whose Jacobian J_f is a simple quotient of J_0(N)^{new} over Q. We give analytic methods for determining the rational points of X using quadratic Chabauty by explicitly computing two p-adic Gross--Zagier formulas for the newform f of level N and weight 2 associated with J_f when f has analytic rank 1. Combining results of Gross-Zagier and Waldspurger, one knows that for certain imaginary quadratic fields K, there exists a Heegner divisor in J_0(N)(K) whose image is finite index in J_f(Q) under the action of Hecke. We give an algorithm to compute the special value of the anticyclotomic p-adic L-function of f constructed by Bertolini, Darmon, and Prasanna, assuming some hypotheses on the prime p and on K. This value is proportional to the logarithm of the Heegner divisor on J_f with respect to the differential form f dq/q. We also compute the p-adic height of the Heegner divisor on J_f using a p-adic Gross-Zagier formula of Perrin-Riou. Additionally, we give algorithms for the geometric quadratic Chabauty method of Edixhoven and Lido. Our algorithms describe how to translate their algebro-geometric method into calculations involving Coleman-Gross heights, logarithms, and divisor arithmetic. We achieve this by leveraging a map from the Poincaré biextension to the trivial biextension.

In our study Fq denotes the finite field with q elements. It is interesting to construct curves of given genus over Fq with many Fq -rational points. Drinfeld modular curves can be used to construct that kind of curves over Fq . In this study we will use reductions of the Drinfeld modular curves X_{0} (n) to obtain curves over finite fields with many rational points. The main idea is to divide the Drinfeld modular curves by an Atkin-Lehner involution which has many fixed points to obtain a quotient with a better #{rational points} /genus ratio. If we divide the Drinfeld modular curve X_{0} (n) by an involution W, then the number of rational points of the quotient curve WX_{0} (n) is not less than half of the original number. On the other hand, if this involution has many fixed points, then by the Hurwitz-Genus formula the genus of the curve WX_{0} (n) is much less than half of the g (X_{0}(n)).

Nous étudions ici deux problèmes diophantiens distincts. Le premier concerne les points entiers sur les courbes modulaires associées au normalisateur de sous-groupe de Cartan non déployé. Le deuxième concerne la recherche de point de multiplication complexe sur les droites. Dans les deux cas la méthode de résolution est algorithmique. On utilise la méthode de Baker sur les formes linéaires en logarithmes ainsi que des méthodes de réduction effectives. En particulier cette méthode permet d’obtenir les points entiers sur la courbe associée au normalisateur de sous-groupe de Cartan non déployé pour les niveaux compris entre 7 et 71. / We study here two diophantine problem. The first one deals with integral point on modular curves associated to normalizer of non-split Cartan subgroup. The second one is about finding singular moduli on straight line. In both cases, we solve theproblem in an algorithmic way. We use Baker’s method on linear form in logarithm and some effective technical of reduction. In particular this method gives integral points on the curve associated to normalizer of non-split Cartan subgroup for level between 7 and 71.

Eine wichtige Invariante von Modulkurven ist die arithmetische Selbstschnittzahl der relativ dualisierenden Garbe. Auf dem minimalen regulären Modell von X(N) ist diese Selbstschnittzahl durch den gewöhnlichen Schnitt einiger ausgezeichneter vertikaler Divisoren (dem geometrischen Beitrag) und durch die Auswertung der kanonischen Greenschen Funktion an einigen Spitzen (dem analytischen Beitrag) vollständig festgelegt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, jeden dieser Beiträge in Abhängigkeit von der Stufe N zu bestimmen und das asymptotische Verhalten der Selbstschnittzahl zu studieren, wenn die Stufe N gegen unendlich geht. / An important invariant of modular curves is the arithmetic self-intersection of the relative dualizing sheaf. On the minimal regular model of X(N) this self-intersection is completely described by the usual intersection of some distinguished vertical divisors (geometric contribution) and the evaluation of the canonical Green’s function at certain cusps (analytic contribution). The aim of this thesis is to determine each of these contributions in terms of the level N and study the asymptotic behaviour of the self-intersection as N tends to infinity.

Dans cette thèse, on étudie les représentations 2-dimensionnelles continues du groupe de Galois absolu d'une clôture algébrique fixée de Q sur les corps finis qui sont modulaires et leurs images. Ce manuscrit se compose de deux parties.Dans la première partie, on étudie un problème local-global pour les courbes elliptiques sur les corps de nombres. Soit E une courbe elliptique sur un corps de nombres K, et soit l un nombre premier. Si E admet une l-isogénie localement sur un ensemble de nombres premiers de densité 1 alors est-ce que E admet une l-isogénie sur K ? L'étude de la repréesentation galoisienne associéee à la l-torsion de E est l'ingrédient essentiel utilisé pour résoudre ce problème. On caractérise complètement les cas où le principe local-global n'est pas vérifié, et on obtient une borne supérieure pour les valeurs possibles de l pour lesquelles ce cas peut se produire.La deuxième partie a un but algorithmique : donner un algorithme pour calculer les images des représentations galoisiennes 2-dimensionnelles sur les corps finis attachées aux formes modulaires. L'un des résultats principaux est que l'algorithme n'utilise que des opérateurs de Hecke jusqu'à la borne de Sturm au niveau donné n dans presque tous les cas. En outre, presque tous les calculs sont effectués en caractéristique positive. On étudie la description locale de la représentation aux nombres premiers divisant le niveau et la caractéristique. En particulier, on obtient une caractérisation précise des formes propres dans l'espace des formes anciennes en caractéristique positive.On étudie aussi le conducteur de la tordue d'une représentation par un caractère et les coefficients de la forme de niveau et poids minimaux associée. L'algorithme est conçu à partir des résultats de Dickson, Khare-Wintenberger et Faber sur la classification, à conjugaison près, des sous-groupes finis de $\PGL_2(\overline{\F}_\ell)$. On caractérise chaque cas en donnant une description et des algorithmes pour le vérifier. En particulier, on donne une nouvelle approche pour les représentations irréductibles avec image projective isomorphe soit au groupe symétrique sur 4 éléments ou au groupe alterné sur 4 ou 5 éléments. / In this thesis we investigate $2$-dimensional, continuous, odd, residual Galois representations and their images. This manuscript consists of two parts.In the first part of this thesis we analyse a local-global problem for elliptic curves over number fields. Let $E$ be an elliptic curve over a number field $K$, and let $\ell$ be a prime number. If $E$ admits an $\ell$-isogeny locally at a set of primes with density one then does $E$ admit an $\ell$-isogeny over $K$? The study of the Galois representation associated to the $\ell$-torsion subgroup of $E$ is the crucial ingredient used to solve the problem. We characterize completely the cases where the local-global principle fails, obtaining an upper bound for the possible values of $\ell$ for which this can happen.In the second part of this thesis, we outline an algorithm for computing the image of a residual modular $2$-dimensional semi-simple Galois representation. This algorithm determines the image as a finite subgroup of $\GL_2(\overline{\F}_\ell)$, up to conjugation, as well as certain local properties of the representation and tabulate the result in a database. In this part of the thesis we show that, in almost all cases, in order to compute the image of such a representation it is sufficient to know the images of the Hecke operators up to the Sturm bound at the given level $n$. In addition, almost all the computations are performed in positive characteristic.In order to obtain such an algorithm, we study the local description of the representation at primes dividing the level and the characteristic: this leads to a complete description of the eigenforms in the old-space. Moreover, we investigate the conductor of the twist of a representation by characters and the coefficients of the form of minimal level and weight associated to it in order to optimize the computation of the projective image.The algorithm is designed using results of Dickson, Khare-Wintenberger and Faber on the classification, up to conjugation, of the finite subgroups of $\PGL_2(\overline{\F}_\ell)$. We characterize each possible case giving a precise description and algorithms to deal with it. In particular, we give a new approach and a construction to deal with irreducible representations with projective image isomorphic to either the symmetric group on $4$ elements or the alternating group on $4$ or $5$ elements.

Cette thèse porte sur l'étude des points entiers et rationnels de certaines courbes et variétés modulaires. Après une brève introduction décrivant les motivations et le cadre de ce genre d'études ainsi que les résultats principaux de la thèse, le manuscrit se divise en trois parties. Le premier chapitre s'intéresse aux Q-courbes, et aux morphismes Gal(Q/Q) -> PGL2(Fp) qu'on peut leur associer pour tout p premier. Nous montrons que sous de bonnes hypothèses, pour p assez grand par rapport au discriminant du corps de définition de la Q-courbe, ce morphisme est surjectif, ce qui résout un cas particulier du problème d'uniformité de Serre (toujours ouvert en général). Les outils principaux du chapitre sont la méthode de Mazur (basée ici sur des résultats d'Ellenberg), la méthode de Runge et des théorèmes d'isogénie, suivant la structure de preuve de Bilu et Parent. Le second chapitre consiste en des estimations analytiques de sommes pondérées de valeurs de fonctions L de formes modulaires, dans l'esprit de techniques développées par Duke et Ellenberg. La motivation de départ d'un tel résultat est l'application de la méthode de Mazur dans le premier chapitre. Le troisième chapitre est consacré à la recherche de généralisations de la méthode de Runge pour des variétés de dimension supérieure. Nous y redémontrons un résultat de Levin inspiré de cette méthode, avant d'en prouver une forme assouplie dite "de Runge tubulaire", plus largement applicable. Dans l'optique de recherche de points entiers de variétés modulaires, nous en donnons enfin un exemple d'utilisation à la réduction d'une surface abélienne en produit de courbes elliptiques. / This thesis concerns the study of integral and rational points on some modular curves and varieties. After a brief introduction which describes the motivation and the setting of this topic as well as the main results of this thesis, the manuscript follows a threefold development. The first chapter focuses on Q-curves, and on the morphisms Gal(Q/Q) -> PGL2(Fp) that we can build with a Q-curve for every prime p. We prove that, under good hypotheses, for p large enough with respect to the discriminant of the definition field of the Q-curve, such a morphism is surjective, which solves a particular case of Serre's uniformity problem (still open in general). The main tools of the chapter are Mazur's method (based here on results of Ellenberg), Runge's method, and isogeny theorems, following the strategy of Bilu and Parent. The second chapter covers analytic estimates of weighted sums of L-function values of modular forms, in the fashion of techniques designed by Duke and Ellenberg. The initial goal of such a result is the application of Mazur's method in the first chapter. The third chapter is devoted to the search for generalisations of Runge's method for higherdimensional varieties. Here we prove anew a result of Levin inspired by this method, before proving an enhanced version called "tubular Runge", more generally applicable. In the perspective of studying integral points of modular varieties, we finally give an example of application of this theorem to the reduction of an abelian surface in a product of elliptic curves.