We study the K-theory and cohomology of spaces of aperiodic and repetitive tilings with finite local complexity. Given such a tiling, we build a spectral sequence converging to its K-theory and define a new cohomology (PV cohomology) that appears naturally in the second page of this spectral sequence. This spectral sequence can be seen as a generalization of the Leray-Serre spectral sequence and the PV cohomology generalizes the cohomology of the base space of a Serre fibration with local coefficients in the K-theory of its fiber. We prove that the PV cohomology of such a tiling is isomorphic to the Cech cohomology of its hull. We give examples of explicit calculations of PV cohomology for a class of 1-dimensional tilings (obtained by cut-and-projection of a 2-dimensional lattice). We also study the groupoid of the transversal of the hull of such tilings and show that they can be recovered: 1) from inverse limit of simpler groupoids (which are quotients of free categories generated by finite graphs), and 2) from an inverse semi group that arises from PV cohomology. The underslying Delone set of punctures of such tilings modelizes the atomics positions in an aperiodic solid at zero temperature. We also present a study of (classical and harmonic) vibrational waves of low energy on such solids (acoustic phonons). We establish that the energy functional (the "matrix of spring constants" which describes the vibrations of the atoms around their equilibrium positions) behaves like a Laplacian at low energy.

La modélisation et la simulation de dynamiques spatiales, en particulier pour l'étude de l'évolution de paysages ou de problématiques environnementales pose la question de l'intégration des différentes formes de représentation de l'espace au sein d'un même modèle. Ocelet est une approche de modélisation de dynamiques spatiales basée sur le concept original de graphe d'interaction. Le graphe porte à la fois la structure d'une relation entre entités d’un modèle et la sémantique décrivant son évolution. Les relations entre entités spatiales sont ici traduites en graphes d'interactions et ce sont ces graphes que l'on fait évoluer lors d'une simulation. Les concepts à la base d'Ocelet peuvent potentiellement manipuler les deux formes de représentation spatiale connues, celle aux contours définis (format vecteur) ou la discrétisation en grille régulière (format raster). Le format vecteur est déjà intégré dans la première version d'Ocelet. L'intégration du format raster et la combinaison des deux restaient à étudier et à réaliser. L'objectif de la thèse est d'abord étudier les problématiques liées à l'intégration des champs continus et leur représentation discrétisée en pavage régulier, à la fois dans le langage Ocelet et dans les concepts sur lesquels il repose. Il a fallu notamment prendre en compte les aspects dynamiques de cette intégration, et d'étudier les transitions entre données géographiques de différentes formes et graphe d'interactions à l'aide de concepts formalisés. Il s'est agi ensuite de réaliser l'implémentation de ces concepts dans la plateforme de modélisation Ocelet, en adaptant à la fois son compilateur et son moteur d'exécution. Enfin, ces nouveaux concepts et outils ont été mis à l'épreuve dans trois cas d'application très différents : deux modèles sur l’île de la Réunion, le premier simulant le ruissellement dans le bassin versant de la Ravine Saint Gilles s'écoulant vers la Côte Ouest de l'île, l’autre simulant la diffusion de plantes invasives dans les plaines des hauts à l'intérieur du Parc National de La Réunion. Le dernier cas décrit la spatialisation d'un modèle de culture et est appliqué ici pour simuler les rendements de cultures céréalières sur l’ensemble de l’Afrique de l’Ouest, dans le contexte d'un système d'alerte précoce de suivi des cultures à l'échelle régionale. / The modelling and simulation of spatial dynamics, particularly for studying landscape changes or environmental issues, raises the question of integrating different forms of spatial representation within the same model. Ocelet is an approach for modelling spatial dynamics based on the original concept of interaction graph. Such a graph holds both the structure of a relation between entities of a model and the semantics describing its evolution. The relationships between spatial entities are here translated into interaction graphs and these graphs are made to evolve during a simulation. The concepts on which Ocelet is based can potentially handle two known forms of spatial representation: shapes with contours (vector format) or regular grid cells (raster). The vector format is already integrated in the first version of Ocelet. The integration of raster and the combination of the two remained to be studied and carried out. The aim of the thesis is to first study the issues related to the integration of continuous fields and their representation by regular tiling, both in the Ocelet language and the concepts on which it is based. The dynamic aspects of this integration had to be taken into account and transitions between different forms of geographic data and interaction graphs had to be studied in the light of the concepts formalized. The concepts were then implemented in the Ocelet modelling platform, with the adaptation of both its compiler and runtime. Finally, these new concepts and tools were tested in three very different cases: two models on Reunion Island, the first simulating runoff in Ravine Saint Gilles watershed in the West Coast of the island, the other simulating the spread of invasive plants in the high plains inside the Reunion National Park. The last case describes the spatialisation of a crop model and is applied here to simulate the cereal crop yields in West Africa, in the context of an early warning system for regional crop monitoring.

La théorie des pavages apériodiques a connu des développements rapides depuis les années 1980, avec la découvertes d'alliages métalliques cristallisant dans une structure quasi-périodique.Dans cette thèse, on étudie particulièrement deux méthodes de construction de pavages : par coupe et projection, et par substitution. Deux angles d'approche sont développés : l'étude de la fonction de complexité, et l'étude métrique de l'espace de pavages.Dans une première partie, on calcule l'asymptotique de la fonction de complexité pour des pavages coupe et projection, généralisant ainsi des résultats connus en dynamiques symbolique pour la dimension 1. On montre que pour un pavage coupe et projection canonique N sur d sans période, la complexité croît (à des constantes près) comme n à la puissance a, où a est un entier compris entre d et N-d.Ensuite, on se base sur une construction de Pearson et Bellissard qui construisent un triplet spectral sur les ensembles de Cantor ultramétriques. On suit leur construction dans le cas d'ensembles de Cantor auto-similaires. Elle s'applique en particulier aux transversales d'espaces de pavages de substitution.Enfin, on fait le lien entre la distance usuelle sur l'enveloppe d'un pavage et la complexité de ce pavage. Les liens entre complexité et métrique permettent de donner une preuve directe du fait suivant : la complexité des pavages de substitution apériodiques de dimension d croît comme n à la puissance d.La question de liens entre la complexité et la topologie (et pas seulement avec la distance) reste ouverte. Nous apportons cependant des réponses partielles dans cette direction. / Since the 1980s, the theory of aperiodic tilings developed quickly, motivated by the discovery of metallic alloys which crystallize in an aperiodic structure. This highlighted the need for new models of crystals.Two models of aperiodic tilings are specifically studied in this dissertation. First, the cut-and-project method, then the inflation and substitution method. Two point of view are developed for the study of these objects: the study of the complexity function associated to a tiling, and the metric study of the associated tiling space.In a first part, the asymptotic behaviour of the complexity function for cut-and-project tilings is studied. The results stated here generalize formerly known results in the specific case of dimension 1. It is proved that for an (N,d) canonical projection tiling without periods, the complexity grows like n to the a, with a an integer greater or equal to d but lesser or equal to N-d.A second part is based on a construction by Pearson and Bellissard of a spectral triple for ultrametric Cantor sets. Their construction is applied to self-similar Cantor sets. It applies in particular to the transversal of substitution tiling spaces.In a last part, the links between the complexity function of a tiling and the usual distance on its associated tiling space are made explicit. These links can provide a direct and complete proof of the following fact: the complexity of an aperiodic d-dimensional substitution tiling grows asymptotically as n to the d, up to constants. These links between complexity and distance raises the question of links between complexity and topology. Partial answers are given in this direction.

Dans cette thèse nous étudions deux types de pavages : des pavages par une paire de carres et des pavages sur le réseau tri-hexagonal (Kagome). Nous considérons différents problèmes combinatoires et probabilistes. Nous commençons par le cas des carres 1x1 et 2x2 sur des bandes infinies de hauteur k et obtenons des résultats sur la proportion moyenne des carres 1x1 pour les cas planaire et cylindrique pour k < 11. Nous considérons également des questions échantillonnage et comptage approximatif. Pour obtenir un échantillon aléatoire nous définissons des chaines de Markov pour les pavages par des carres et sur le réseau Kagome. Nous montrons des bornes polynomiales pour le temps de mélange pour les pavages par des carres 1x1 et sxs des régions n log net les pavages Kagome des régions en forme de losange. Nous considérons aussi des chaines de Markov avec des poids w sur les tuiles. Nous montrons le mélange rapide avec des conditions spécifiques sur w pour les pavages par des carres 1x1 et sxs et pavages Kagome. Nous présentons des simulations qui suggèrent plusieurs conjectures, notamment l'existence des régions gelées pour les pavages aléatoires par des carres et sur le réseau Kagome des régions avec des bords non plats. / In this thesis we study two types of tilings : tilings by a pair of squares and tilings on the tri-hexagonal (Kagome) lattice. We consider different combinatorial and probabilistic problems. First, we study the case of 1x1 and 2x2 squares on infinite stripes of height k and get combinatorial results on proportions of 1x1 squares for k < 11 in plain and cylindrical cases. We generalize the problem for bigger squares. We consider questions about sampling and approximate counting. In order to get a random sample, we define Markov chains for square and Kagome tilings. We show ergodicity and find polynomial bounds on the mixing time for nxlog n regions in the case of tilings by 1x1 and sxs squares and for lozenge regions in the case of restrained Kagome tilings. We also consider weighted Markov chains where weights are put on the tiles. We show rapid mixing with conditions on for square tilings by 1x1 and sxs squares and for Kagome tilings. We provide simulations that suggest different conjectures, one of which existence of frozen regions in random tilings by squares and on the Kagome lattice of regions with non flat boundaries.

Nous étudions dans cette thèse la notion de quasipériodicité,introduite par Apostolico et Ehrenfeucht au début des années 1990,puis étendue aux mots infinis par Solomon Marcus au début des années2000. Un mot (fini ou infini) w est quasipériodique s'il peut êtrecouvert par des occurrences, éventuellement chevauchantes, d'un autremot, fini, appelé sa quasipériode. En 2006, Monteil etMarcus ont introduit la notion plus forte de quasipériodicitémulti-échelles : le fait d'avoir une infinité de quasipériodes.Dans un premier temps, nous étudions la quasipériodicité des motsinfinis bidimensionnels. Nous montrons que, contrairement au casunidimensionnel où la quasipériodicité ne force aucune propriété fortedes mots infinis, il existe des quasipériodes q qui forcent les mots2D q-quasipériodiques à être d'entropie nulle. Nous montrons égalementque la quasipériodicité multi-échelles en deux dimensions forcel'existence de fréquences uniformes pour les facteurs.Dans un deuxième temps, nous donnons des résultats sur les motsinfinis en une dimension. Nous donnons notament une approchepermettant de déterminer les quasipériodes d'un mot infini à partir deses facteurs carrés et de ses facteurs spéciaux. Nous montrons ensuiteque la famille des mots périodiques, ainsi que celle des mots standardsturmiens, peuvent être caractérisées en termes de quasipériodicitémulti-échelles. / We study the notion of quasiperiodicity, introduced by Apostolico and Ehrenfeucht at the beginning of the 1990's, then extended to infinite words by Solomon Marcus at the beginning of the 2000's. A (finite or infinite) word w is quasiperiodic if it can be covered by occurrences, possibly overlapping, of another finite word, call its quasiperiod. In 2006, Monteil and Marcus introduced a stronger notion: multi-scale quasiperiodicity, the property of having infinitely many quasiperiods.First we study quasiperiodicity of two-dimensional infinite words. We show that, by contrast with the one-dimensional case where quasiperiodicity do not force any property on infinite words, there exist quasiperiods q which force 2D q-quasiperiodic words to have zero entropy. We also show that multi-scale quasiperiodicity in two dimension force the existence of uniform frequencies for factors.Then we give results on infinite words in one dimension. Most notably we give a method to determine the quasiperiods of an infinite words from its square and special factors. We show that the family of periodic words and standard Sturmian words are characterizable in terms of multi-scale quasiperiodicity.

Dans cette thèse, nous construisons des pavages de la droite réelle et du demi-plan hyperbolique à l’aide de représentants efficaces d’automorphismes IWIP du groupe libre Fn. Dans un premier temps, nous utilisons la substitution définie par P. Arnoux, V. Berthé, A. Siegel, A. Hilion associée à un représentant efficace d’un automorphisme IWIP pour générer des espaces de pavages substitutifs apériodiques de la droite réelle. Nous montrons, en nous servant d’un théorème de connexité des représentants efficaces d’automorphismes IWIP dû à J. Los, que le type topologique de ces espaces de pavages est indépendant du choix du représentant. Nous associons ainsi, à homéomorphisme près, un espace de pavages de la droite réelle à une classe d’automorphisme externe IWIP de Fn, puis à une classe de conjugaison d’un élément IWIP dans Out(Fn). D’autre part, nous construisons à partir des éléments de l’espace de pavage de la droite réelle précédemment construits des pavages faiblement apériodiques pour le groupe des transformations affines du demi-plan hyperbolique. Nous étudions les propriétés topologiques et dynamiques de ces espaces de pavages du plan hyperbolique. Enfin, dans une dernière partie, nous montrons que les espaces de pavages précédemment construits peuvent être munis d’une structure lisse en se servant de leur structure de limite projective. / In this thesis, we construct tilings of the real line and the hyperbolic half-plane using train-track maps of IWIP free group automorphisms. One the one hand, we use a substitution defined by P. Arnoux, V. Berthé, A. Siegel, A. Hilion coming from a train-track map of a IWIP free group automorphism to generate substitutive aperiodic tilings of the real line. We show, thanks to a theorem of J. Los about connectivity of train-track representatives of an IWIP automorphism, that the topological type of those tiling spaces is the same up to a choice of train-track representative. Thus we associate, up to an homeomorphism, a tiling space of the real line to a class of an IWIP outer automorphism of Fn, then we extend this result to a conjugacy class of an IWIP element in Out(Fn). On the other hand, we construct from elements of tiling spaces of the real line previously defined, a set of weakly aperiodic for the affine group tilings of the hyperbolic half-plane. We study topological et dynamical properties of the tiling space generated by those hyperbolic tilings. Finally, in the last section we endow tiling spaces previously constructed with a smooth structure thanks to their inverse limit structure.

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Cette thèse est dédiée à l'étude des pavages : des ensembles de coloriages du plan discret respectant des contraintes locales données par un jeu de tuiles. Nous nous penchons en particulier sur les liens qui unissent les pavages et la calculabilité. Les pavages étant des ensembles effectivement clos particuliers, nous étudions dans un premier temps la structure des ensembles de degrés Turing des pavages, la comparant à celle des ensembles effectivement clos en général : pour tout ensemble effectivement clos il existe un pavage qui a les même degrés Turing à 0 près, le degré des ensembles récursifs. De plus les pavages ne contenant pas de membre récursif ont une structure particulière : ils contiennent toujours un cône de degrés Turing, un degré Turing et tous les degrés qui lui sont supérieurs. Dans un second temps, nous étudions les ensembles de périodes des pavages, pour diverses notions de périodicité, parvenant à des caractérisations à l'aide de classes de complexité ou de calculabilité pour chaque notion étudiée. Enfin nous nous intéressons à la difficulté calculatoire des problèmes de la factorisation et de la conjugaison, des notions de simulation et d'équivalence adaptées aux spécificités des pavages. / This thesis is dedicated to the study of subshifts of finite type (SFTs) : sets of colorings of the discrete plane which respect some local constraints given by a set of forbidden patterns. We study the links between SFTs and computation. SFTs being specific effectively closed classes, we fist study their Turing degree structure, comparing it to the one of effectively closed classes in general: for any effectively closed class, there exist an SFT having the same Turing degrees except maybe 0, the degree of recursive sets. Furthermore, SFTs containing no recursive member have a particular structure: they always contain a cone of Turing degrees, ie. a Turing degree and all degrees above it. We then study the sets of periods of SFTs, for different notions of periodicity, reaching characterizations by means of computational complexity classes or computability classes for each notion introduced. Finally we look at the computable hardness of the factorization and conjugacy problems, the right notions of simulation and equivalence for SFTs.

Dans cette thèse, différents problèmes de la combinatoire des mots et de géométrie discrète sont considérés. Nous étudions d'abord l'occurrence des palindromes dans les codages de rotations, une famille de mots incluant entre autres les mots sturmiens et les suites de Rote. En particulier, nous démontrons que ces mots sont pleins, c'est-à-dire qu'ils réalisent la complexité palindromique maximale. Ensuite, nous étudions une nouvelle famille de mots, appelés mots pseudostandards généralisés, qui sont générés à l'aide d'un opérateur appelé clôture pseudopalindromique itérée. Nous présentons entre autres une généralisation d'une formule décrite par Justin qui permet de générer de façon linéaire et optimale un mot pseudostandard généralisé. L'objet central, le f-palindrome ou pseudopalindrome est un indicateur des symétries présentes dans les objets géométriques. Dans les derniers chapitres, nous nous concentrons davantage sur des problèmes de nature géométrique. Plus précisément, nous don-nons la solution à deux conjectures de Provençal concernant les pavages par translation, en exploitant la présence de palindromes et de périodicité locale dans les mots de contour. À la fin de plusieurs chapitres, différents problèmes ouverts et conjectures sont brièvement présentés. / In this thesis, we explore different problems at the intersection of combinatorics on words and discrete geometry. First, we study the occurrences of palindromes in codings of rotations, a family of words including the famous Sturmian words and Rote sequences. In particular, we show that these words are full, i.e. they realize the maximal palindromic complexity. Next, we consider a new family of words called generalized pseudostandard words, which are generated by an operator called iterated pseudopalindromic closure. We present a generalization of a formula described by Justin which allows one to generate in linear (thus optimal) time a generalized pseudostandard word. The central object, the f-palindrome or pseudopalindrome, is an indicator of the symmetries in geometric objects. In the last chapters, we focus on geometric problems. More precisely, we solve two conjectures of Provençal about tilings by translation, by exploiting the presence of palindromes and local periodicity in boundary words. At the end of many chapters, different open problems and conjectures are briefly presented.

Interactions between combinatorics and statistical mechanics have provided many fruitful insights in both fields. A compelling example is Kuperberg’s solution to the alternating sign matrix conjecture, and its following generalisations. In this thesis we investigate two models from statistical mechanics which have received attention in recent years. The first is the fully packed loop model. A conjecture from 2001 by Razumov and Stroganov opened the field for a large ongoing investigation of the O(1) loop model and its connections to a refinement of the fully packed loop model. We apply a combinatorial bijection originally found by de Gier to an older conjecture made by Propp. The second model is the hard particle model. Recent discoveries by Fendley et al. and results by Jonsson suggests that the hard square model with cylindrical boundary conditions possess some beautiful combinatorial properties. We apply both topological and purely combinatorial methods to related independence complexes to try and gain a better understanding of this model.