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<p dir="ltr">We develop a cyclic theory for categorical coalgebras and show that, when applied to the categorical coalgebra of singular chains on a space, this provides an algebraic model for its free loop space as an S¹-space. In other words, the natural circle action on loop spaces, given by rotation of loops, is encoded in the algebraic structure. In particular, the cyclic homology of the categorical coalgebra of singular chains on a topological space X is isomorphic to the S¹-equivariant homology of the free loop space. This extends known results relating cyclic theories for the algebra of chains on the based loop space and the equivariant homology of its free loop space. In fact, our statements do not require X to be simply connected, and we work over an arbitrary commutative ring. Along the way, we introduce a family of polytopes, coined as Goodwillie polytopes, that control the combinatorics behind the relationship of the coHochschild complex of a categorical coalgebra and the Hochschild complex of its associated differential graded category.</p>

En topologie de dimension trois, les invariants de type fini se caractérisent par leur comportement polynomial vis-à-vis de certaines opérations chirurgicales qui préservent l'homologie des variétés. Motivée par l'approche perturbative des "invariants quantiques", la notion d'invariant de type fini a été initialement formulée par T. Ohtsuki qui en contruisit les premiers exemples ; les fondements théoriques des invariants de type fini ont ensuite été posés par plusieurs auteurs dont M. Goussarov et K. Habiro. Grâce à une construction de T. Le, J. Murakami & T. Ohtsuki basée sur l'intégrale de Kontsevich, on dispose pour les sphères d'homologie d'un invariant de type fini universel à valeurs diagrammatiques. Ce mémoire expose d'une manière synthétique certains aspects de la théorie des invariants de type fini, pour les variétés de dimension trois en général, et pour les cylindres d'homologie en particulier. Nous présentons notamment une extension fonctorielle de l'invariant LMO à une certaine catégorie de cobordismes, et nous appliquons ce foncteur à l'étude du monoïde des cylindres d'homologie. Nous expliquons comment nos constructions et résultats se relient aux travaux antérieurs de D. Johnson, S. Morita et R. Hain sur le groupe de Torelli d'une surface. Nous concluons par quelques problèmes et perspectives de recherche. Certains des travaux exposés dans ce mémoire ont été réalisés en collaboration avec D. Cheptea, K. Habiro et J.-B. Meilhan.

La thèse présente une analyse conceptuelle de l'évolution du concept d'espace topologique. En particulier, elle se concentre sur la transition des espaces topologiques hérités de Hausdorff aux topos de Grothendieck. Il en ressort que, par rapport aux espaces topologiques traditionnels, les topos transforment radicalement la conceptualisation topologique de l'espace. Alors qu'un espace topologique est un ensemble de points muni d'une structure induite par certains sous-ensembles appelés ouverts, un topos est plutôt une catégorie satisfaisant certaines propriétés d'exactitude. L'aspect le plus important de cette transformation tient à un renversement de la relation dialectique unissant un espace à ses points. Un espace topologique est entièrement déterminé par ses points, ceux-ci étant compris comme des unités indivisibles et sans structure. L'identité de l'espace est donc celle que lui insufflent ses points. À l'opposé, les points et les ouverts d'un topos sont déterminés par la structure de celui-ci. Qui plus est, la nature des points change: ils ne sont plus premiers et indivisibles. En effet, les points d'un topos disposent eux-mêmes d'une structure. L'analyse met également en évidence que le concept d'espace topologique évolua selon une dynamique de rupture et de continuité. Entre 1945 et 1957, la topologie algébrique et, dans une certaine mesure, la géométrie algébrique furent l'objet de changements fondamentaux. Les livres Foundations of Algebraic Topology de Eilenberg et Steenrod et Homological Algebra de Cartan et Eilenberg de même que la théorie des faisceaux modifièrent profondément l'étude des espaces topologiques. En contrepartie, ces ruptures ne furent pas assez profondes pour altérer la conceptualisation topologique de l'espace elle-même. Ces ruptures doivent donc être considérées comme des microfractures dans la perspective de l'évolution du concept d'espace topologique. La rupture définitive ne survint qu'au début des années 1960 avec l'avènement des topos dans le cadre de la vaste refonte de la géométrie algébrique entreprise par Grothendieck. La clé fut l'utilisation novatrice que fit Grothendieck de la théorie des catégories. Alors que ses prédécesseurs n'y voyaient qu'un langage utile pour exprimer certaines idées mathématiques, Grothendieck l'emploie comme un outil de clarification conceptuelle. Ce faisant, il se trouve à mettre de l'avant une approche axiomatico-catégorielle des mathématiques. Or, cette rupture était tributaire des innovations associées à Foundations of Algebraic Topology, Homological Algebra et la théorie des faisceaux. La théorie des catégories permit à Grothendieck d'exploiter le plein potentiel des idées introduites par ces ruptures partielles. D'un point de vue épistémologique, la transition des espaces topologiques aux topos doit alors être vue comme s'inscrivant dans un changement de position normative en mathématiques, soit celui des mathématiques modernes vers les mathématiques contemporaines. / The thesis presents a conceptual analysis of the evolution of the topological space concept. More specifically, it looks at the transition from topological spaces inherited from Hausdorff to Grothendieck toposes. This analysis intends to show that, in comparison to traditional topological spaces, toposes radically transform the topological conceptualization of space. While a topological space is a set of points equipped with a structure induced by some of its subsets called open, a topos is a category satisfying exactness properties. The most important aspect of this transformation is the reversal of the dialectic between a space and its points. A topological space is totally determined by its points who are in turn understood as being indivisible and devoided of any structure. The identity of the space is thus that induced by its points. Conversely, the points and the open of a topos are determined by its very structure. This entails a change in the nature of the points: they are no longer seen as basic nor as indivisible. Indeed, the points of a topos actually have a structure. The analysis also shows that the evolution of the topological space concept followed a pattern of rupture and continuity. From 1945 to 1957, algebraic topology and, to a lesser extend, algebraic geometry, went through fundamental changes. The books Foundations of Algebraic Topology by Eilenberg and Steenrod and Homological Algebra by Cartan and Eilenberg as well as sheaf theory deeply modified the way topological spaces were studied. However, these ruptures were not deep enough to change the topological conceptualization of space itself. From the point of view of the evolution of the topological space concept, they therefore must be seen as microfractures. The definitive rupture only occurred in the early 1960s when Grothendieck introduced toposes in the context of his reform of algebraic geometry. The key was his novel use of category theory. While mathematicians before him saw category theory as a convenient language to organize or express mathematical ideas, Grothendieck used it as a tool for conceptual clarification. Grothendieck thus put forward a new approach to mathematics best described as axiomatico-categorical. Yet, this rupture was dependent of the innovations associated with Foundations of Algebraic Topology, Homological Algebra and sheaf theory. It is category theory that allowed Grothendieck to reveal the full potentiel of the ideas introduced by these partial ruptures. From an epistemic point of view, the transition from topological spaces to toposes must therefore be seen as revealing a change of normative position in mathematics, that is that from modernist mathematics to contemporary mathematics.

Desenvolvemos as ideias centrais da Homologia Simplicial e provamos a invariância topológica dos grupos de homologia para espaços homeomorfos. Discutimos também a invariância topológica da característica de Euler-Poincaré mostrando a sua relação com os grupos de homologia através dos números de Betti. Adicionalmente apresentamos conceitos da Álgebra Abstrata, especificamente da teoria de Grupos, importantes para o entendimento formal da álgebra homológica. Ao final, propomos atividades didáticas com objetivo de trazer as ideias de triangulação e invariância topológica ao contexto da sala de aula. / We develop central ideas of Simplicial Homology and prove the topological invariance of homology groups for homeomorphic spaces. We also discuss topological invariance of Euler- Poincaré characteristic showing its relation with the homology groups through Betti numbers. In addition, we present concepts of abstract algebra, specifically of group theory, which are important to formal understanding of homological algebra. In the end, we propose didactic activities in order to bring the ideas of triangulation and topological invariance to context of math classes on basic education.

La topologie algébrique, bien que domaine abstrait des mathématiques, apporte de nouveaux concepts pour le traitement d'images. En effet, ces tâches sont complexes et restent limitées par différents facteurs tels que la nécessité d’utiliser un paramétrage, l'influence de l'arrière-plan ou la superposition d'objets. Nous proposons ici des méthodes dérivées de la topologie algébrique qui diffèrent des méthodes classiques de traitement d'images par l’intégration d’informations locales vers des échelles globales grâce à des invariants topologiques. Une première méthode de segmentation d'images a été développée en ajoutant aux caractéristiques statistiques classiques d’autres de nature topologique calculées par homologie persistante. Une autre méthode basée sur des complexes topologiques a été développée dans le but de segmenter les objets dans des images 2D et 3D. Cette méthode segmente des objets dans des images multidimensionnelles et fournit une réponse à certains problèmes habituels en restant robuste vis à vis du bruit et de la variabilité de l'arrière-plan. Son application aux images de grande taille peut se faire en utilisant des superpixels. Nous avons également montré que l'homologie relative détecte le mouvement d’objets dans une séquence d'images qui apparaissent et disparaissent du début à la fin. Enfin, nous posons les bases d’un ensemble de méthodes d'analyse d'images basé sur la théorie des faisceaux qui permet de fusionner des données locales en un ensemble cohérent. De plus, nous proposons une seconde approche qui permet de comprendre et d'interpréter la structure d’une image en utilisant les invariants fournis par la cohomologie des faisceaux. / Algebraic topology, which is often appears as an abstract domain of mathematics, can bring new concepts in the execution of the image processing tasks. Indeed, these tasks might be complex and limited by different factors such as the need of prior parameters, the influence of the background, the superposition of objects. In this thesis, we propose methods derived from algebraic topology that differ from classical image processing methods by integrating local information at global scales through topological invariants. A first method of image segmentation was developed by adding topological characteristics calculated through persistent homology to classical statistical characteristics. Another method based on topological complexes built from pixels was developed with the purpose to segment objects in 2D and 3D images. This method allows to segment objects in multidimensional images but also to provide an answer to known issues in object segmentation remaining robust regarding the noise and the variability of the background. Our method can be extended to large scale images by using the superpixels concept. We also showed that the relative version of homology can be used effectively to detect the movement of objects in image sequences. This method can detect and follow objects that appear and disappear in a video sequence from the beginning to the end of the sequence. Finally, we lay the foundations of a set of methods of image analysis based on sheaf theory that allows the merging of local data into a coherent whole. Moreover, we propose a second approach that allows to understand and interpret scale analysis and localization by using the sheaves cohomology.

Resumo Neste trabalho apresentamos, em detalhes, a construção de uma teoria quântica dos campos topológica (TQCT). Podemos definir uma TQCT como um funtor simétrico monoidal da categoria dos cobordismos para a categoria dos espaços vetoriais. Em duas dimensões podemos encontrar uma descrição completa da categoria dos cobordismos e classificar todas as TQCT\'s. Em três dimensões é possível estender alguns invariantes para 3-variedades e construir uma TQCT 3D. Nossa construção é baseada no invariante para 3-variedades de Kuperberg, o qual envolve diagramas de Heegaard e álgebras de Hopf. Começamos com a apresentação do invariante de Kuperberg definido para toda variedade 3D compacta, orientável e sem bordo. Para cada álgebra de Hopf de dimensão finita constrói-se um invariante. Por fim, apresentamos a TQCT associada com o invariante de Kuperberg. Isto é feito usando-se o fato de que o invariante de Kuperberg é definido como uma soma de pesos locais tal qual uma função de partição. A TQCT decorre dos operadores advindos de variedades com bordo. / Abstract In this work we present in detail a construction of a topological quantum field theory (TQFT). We can define a TQFT as a symmetric monoidal functor from cobordism categories to category of vector spaces. In two dimension, we can give a complete description of cobordism categories and classify all TQFT\'s. In three dimension it is possible to extend some specific 3-manifold invariants and to construct a TQFT 3D. Our construction is based on the Kuperberg 3-manifold invariant which involves Heegaard diagrams and Hopf algebras. We start with the presentation of the Kuperberg invariant defined for every orientable compact 3-manifold without boundary. For each finite-dimensional Hopf algebra we can construct a invariant. Finally we presente the TQFT associated with the Kuperberg invariant. This is made using the fact that the Kuperberg invariant is defined like a sum of local weights in the same way as a partition function. The TQFT is constructed from the operators given by manifolds with boundary.

This thesis presents a series of algorithmic innovations in Combinatorial Compressed Sensing and Persistent Homology. The unifying strategy across these contributions is in translating structural patterns in the underlying data into specific algorithmic designs in order to achieve: better guarantees in computational complexity, the ability to operate on more complex data, highly efficient parallelisations, or any combination of these.

This thesis is devoted to the proof of a theorem showing the existence of a closed model category structure for weakly enriched categories. It requires first of all the definitions of weakly enriched categories and equivalences of weakly enriched categories such that these definitions recover some existing notions of higher order weak categories, for example Segal categories, Tamsamani n-categories and strict n-categories. In order to prove our theorem, we elaborate a theory of plans for cell addition following the approach of the small object argument <i>à la</i> Quillen. We conclude this work with the proof that our theorem recovers the case of Segal categories. This last result requires a fundamental groupoid-geometric realization adjunction between Segal groupoids and topological spaces.

L'objet de cette thèse est d'étudier les capacités du système Coq à mélanger démonstrations et programmes en pratique en essayant d'y implémenter une part du programme Kenzo, un outil de calcul formel en algèbre homologique. À cet effet, nous travaillons sous trois contrainte: nous voulons essayer de lire le programme comme une démonstration avec un contenu calculatoire, ces démonstrations doivent calculer efficacement et nous cherchons à éviter de dupliquer des morceaux de démonstration. Nous montrons dans un premier temps comment le soucis d'efficacité conduit à reconsidérer certains aspects des mathématiques traditionnelle. Nous proposons une abstraction catégorielle adaptée, qui répond à la fois à un soucis de clareté et au besoin de partager les démonstration quand c'est possible. Cette abstraction, bien que différente des propositions traditionnelles, permet de formuler les notions d'algèbre homologique dans un style proche de celui de Kenzo. Nous proposons par ailleurs des modifications au programme de Coq pour rendre les démonstrations plus confortables, et pour permettre d'écrire des programmes plus efficaces. La première modification permet d'utiliser des tactiques plus fines, souvent nécessaire quand l'utilisation des types dépendents se fait commune. La seconde permet d'utiliser les capacité du processeur pour faire des calculs plus efficaces sur des entiers. Pour finir nous proposons quelques pistes pour améliorer le partage et la clareté du code. Malheureusement, nous nous heurtons aux limites du système. Nous montrons ainsi que Coq ne tiens pas forcément ses promesses et qu'il y aura besoin de travaux théoriques pour comprendre comment lever ces limites.