Cette thèse présente quelques propriétés des sous-variétés lagrangiennes monotones. On résoud d'abord une conjecture de Barraud et Cornea dans le cadre monotone en montrant que le rayon de Gromov relatif à deux lagrangiennes dans la même classe d'isotopie hamiltonienne donne une borne inférieure à la distance de Hofer entre ces deux mêmes lagrangiennes. Le cas non-monotone de cette conjecture reste ouvert encore. On définit toutes les structures nécessaires à l'énoncé et à la preuve de cette conjecture. Deuxièmement, on définit une nouvelle version d'un morphisme de Seidel relatif à l'aide des cobordismes lagrangiens de Biran et Cornea. On montre que cette version est chaîne-homotope aux différentes autres versions apparaissant dans la littérature. Que toutes ces définitions sont équivalentes fait partie du folklore mais n'apparaît pas dans la littérature. On conclut par une conjecture qui identifie un triangle exact obtenu par chirurgie lagrangienne et un autre dû à Seidel et faisant intervenir le twist de Dehn symplectique. / We present in this thesis a few properties of monotone Lagrangian submanifolds. We first solve a conjecture of Barraud and Cornea in the monotone setting by showing that the relative Gromov radius of two Hamiltonian-isotopic Lagrangians gives a lower bound on the Hofer distance between them. The general non-monotone case remains open to this day. We define all the structures relevant to state and prove the conjecture. We then define a new version of a Lagrangian Seidel morphism through the recently introduced Lagrangian cobordisms of Biran and Cornea. We show that this new version is chain-homotopic to various other versions appearing in the litterature. That all these previous versions are the same is folklore but did not appear in the litterature. We conclude with a conjecture claiming that an exact triangle obtained by Lagrangian surgery is isomorphic to an exact triangle of Seidel involving the symplectic Dehn twist.

Cette thèse est divisée en trois parties. Dans la première partie, nous commençons par décrire des résultats très connus en théorie du contrôle géométrique tels que le théorème de Chow-Rashevsky, la condition de rang de Kalman, l'application Entrée-Sortie et le test linéaire. De plus, nous définissons et nous étudions brièvement la contrôlabilité locale au voisinage d'un contrôle de référence au premier et au second ordre. Dans la deuxième partie, nous donnons une preuve élémentaire du lemme de Franks linéaire pour les flots géodésiques qui utilise des techniques basiques de théorie du contrôle géométrique. Dans la dernière partie, étant donnée une variété Riemanienne compacte, nous prouvons un lemme de Franks uniforme au second ordre pour les flots géodésiques et on applique le résultat à la théorie de la persistance. Dans cette partie, nous introduisons avec plus de détails les notions de contrôlabilité locale au premier et au second ordre. En effet, nous donnons un résultat de contrôlabilité au second ordre dont la preuve est longue et technique. / This thesis is devided into three parts. In the first part we begin by describing some well known results in geometric control theory such as the Chow Rashevsky Theorem, the Kalman rank condition, the End-Point Mapping and the linear test. Moreover, we define and study briefly local controllability around a reference control at first and second order. In the second part we provide an elementary proof of the Franks lemma for geodesic flows using basic tools of geometric control theory. In the last part, given a compact Riemannian manifold, we prove a uniform Franks' lemma at second order for geodesic flows and apply the result in persistence theory. In this part we introduce with more details notions of local controllability at first and second order. In fact, we provide a second order controllability result whose proof is long and technical.

Short summary of main work since 1999

Cette thèse présente quelques propriétés des sous-variétés lagrangiennes monotones. On résoud d'abord une conjecture de Barraud et Cornea dans le cadre monotone en montrant que le rayon de Gromov relatif à deux lagrangiennes dans la même classe d'isotopie hamiltonienne donne une borne inférieure à la distance de Hofer entre ces deux mêmes lagrangiennes. Le cas non-monotone de cette conjecture reste ouvert encore. On définit toutes les structures nécessaires à l'énoncé et à la preuve de cette conjecture. Deuxièmement, on définit une nouvelle version d'un morphisme de Seidel relatif à l'aide des cobordismes lagrangiens de Biran et Cornea. On montre que cette version est chaîne-homotope aux différentes autres versions apparaissant dans la littérature. Que toutes ces définitions sont équivalentes fait partie du folklore mais n'apparaît pas dans la littérature. On conclut par une conjecture qui identifie un triangle exact obtenu par chirurgie lagrangienne et un autre dû à Seidel et faisant intervenir le twist de Dehn symplectique. / We present in this thesis a few properties of monotone Lagrangian submanifolds. We first solve a conjecture of Barraud and Cornea in the monotone setting by showing that the relative Gromov radius of two Hamiltonian-isotopic Lagrangians gives a lower bound on the Hofer distance between them. The general non-monotone case remains open to this day. We define all the structures relevant to state and prove the conjecture. We then define a new version of a Lagrangian Seidel morphism through the recently introduced Lagrangian cobordisms of Biran and Cornea. We show that this new version is chain-homotopic to various other versions appearing in the litterature. That all these previous versions are the same is folklore but did not appear in the litterature. We conclude with a conjecture claiming that an exact triangle obtained by Lagrangian surgery is isomorphic to an exact triangle of Seidel involving the symplectic Dehn twist.

L'éclatement est une transformation jouant un rôle important en géométrie, car il permet de résoudre des singularités, de relier des variétés birationnellement équivalentes, et de construire des variétés possédant des propriétés inédites. Ce mémoire présente d'abord l'éclatement tel que développé en géométrie algébrique classique. Nous l'étudierons pour le cas des variétés affines et (quasi-)projectives, en un point, et le long d'un idéal et d'une sous-variété. Nous poursuivrons en étudiant l'extension de cette construction à la catégorie différentiable, sur les corps réels et complexes, en un point et le long d'une sous-variété. Nous conclurons cette section en explorant un exemple de résolution de singularité. Ensuite nous passerons à la catégorie symplectique, où nous ferons la même chose que pour le cas différentiable complexe, en portant une attention particulière à la forme symplectique définie sur la variété. Nous terminerons en étudiant un théorème dû à François Lalonde, où l'éclatement joue un rôle clé dans la démonstration. Ce théorème affirme que toute 4-variété fibrée par des 2-sphères sur une surface de Riemann, et différente du produit cartésien de deux 2-sphères, peut être équipée d'une 2-forme qui lui confère une structure symplectique réglée par des courbes holomorphes par rapport à sa structure presque complexe, et telle que l'aire symplectique de la base est inférieure à la capacité de la variété. La preuve repose sur l'utilisation de l'éclatement symplectique. En effet, en éclatant symplectiquement une boule contenue dans la 4-variété, il est possible d'obtenir une fibration contenant deux sphères d'auto-intersection -1 distinctes: la pré-image du point où est fait l'éclatement complexe usuel, et la transformation propre de la fibre. Ces dernières sont dites exceptionnelles, et donc il est possible de procéder à l'inverse de l'éclatement - la contraction - sur chacune d'elles. En l'accomplissant sur la deuxième, nous obtenons une variété minimale, et en combinant les informations sur les aires symplectiques de ses classes d'homologies et de celles de la variété originale nous obtenons le résultat. / The blow-up is a transformation which plays an important role in geometry, because it can be used to resolve singularities, relate birationally equivalent varieties, and construct varieties with new properties. This thesis first presents blowing-up as developped in classical algebraic geometry. We will study it in the case of affine and (quasi-)projective varieties, on a point and along an ideal and a subvariety. Then a discussion about its extension to the differential category will be carried out, over the real and complex fields, on a point and along a submanifold. An example of a resolution of singularity will then follow. Subsequently we will discuss blowing-up in the symplectic category, where we will do the same as for complex manifolds, paying careful attention to the symplectic form. To conclude, we will study a theorem by François Lalonde, where the symplectic blow-up plays a major part in proof. This theorem states that any 4-variety fibered by 2-spheres over a Riemann surface, and different than the Cartesian product of two 2-spheres, can be equiped with a 2-form giving it a symplectic structure ruled by curves that are holomorphic with respect to its almost-complex structure, and such that the symplectic area of the base is smaller that the capacity of the variety. In the proof, we blow up a ball in the 4-variety, and obtain a fibration containing two distinct spheres with a self-intersection equal to -1: the pre-image of the point where the usual complex blow-up is done, and the proper transform of the fiber. These two are exceptional, so it is possible to do the inverse operation - the blow down - on each of them. By blowing down the latter, we get a minimal variety, and by combining information about the symplectic area of its homology classes and of those of the original variety, we obtain the result.

Multisymplectic integrators like Preissman and six-point schemes and a semi-explicit symplectic method are applied to the coupled nonlinear Schr&ouml / dinger equations (CNLSE). Energy, momentum and additional conserved quantities are preserved by the multisymplectic integrators, which are shown using modified equations. The multisymplectic schemes are backward stable and non-dissipative. A semi-explicit method which is symplectic in the space variable and based on linear-nonlinear, even-odd splitting in time is derived. These methods are applied to the CNLSE with plane wave and soliton solutions for various combinations of the parameters of the equation. The numerical results confirm the excellent long time behavior of the conserved quantities and preservation of the shape of the soliton solutions in space and time.

Au début du XXème siècle, Poincaré puis Birkhoff ont été amenés, lors de leur recherche sur le problème restreint des trois corps, à étudier les courbes invariantes par une transformation d’une surface préservant l’aire. Cinquante ans plus tard, les théorèmes KAM démontrent la persistance de courbes invariantes après perturbation en topologie de classe k plus grande ou égale à trois. On peut alors se demander ce que devient ce résultat en topologie de classe moins élevée. Par ailleurs, l’étude des dynamiques C1-génériques connaît de nombreux développements, grâce notamment au Connecting Lemma. Par exemple, Bonatti et Crovisier on démontré qu’un difféomorphisme C1-générique d’une telle surface possède un ensemble dense de points dont l’orbite sort de tout compact. Ces deux résultats permettent de penser qu’un difféomorphisme C1-générique d’une surface n’admet pas de courbes fermées simples invariantes. C’est ce que nous démontrons dans ce travail. On obtient assez facilement, en utilisant le Connecting Lemma ainsi que les propriétés topologiques de l’anneau, qu’un difféomorphisme C1-générique de l’anneau possède des points périodiques sur toute courbe fermée simple invariante. Cela se généralise à une surface quelconque en utilisant une famille dénombrable d’anneau constituant une base de voisinages d’une courbe fermée simple quelconque. La construction d’une telle famille d’anneaux est le principal résultat du premier chapitre. Il s’agit alors de supprimer les points périodiques sur les courbes invariantes. Dans un premier temps, nous nous inspirerons d’un argument qu’Herman utilise dans le cadre de courbes invariantes par les twists de l’anneau pour montrer que tous les points périodiques ne peuvent être hyperboliques. Ensuite, nous définissons une propriété, la propriété G, qui si elle est vérifiée par un difféomorphisme symplectique et l’un de ses points périodiques elliptiques, empêche que ce point périodique appartienne à une courbe invariante. En montrant que cette propriété est vérifiée par un difféomorphisme C1-générique et tous ses points périodiques elliptiques, nous obtenons le résultat souhaité. Dans le quatrième chapitre, nous nous employons à définir de façon rigoureuse la notion de fonction génératrice qui est l’outil classique pour perturber des difféomorphismes symplectiques / Poincaré and Birkhoff were led, during their research on the restricted problem of three bodies, to study invariant curves under an area preserving map of a surface. Fifty years later, theorems KAM show the persistance of invariant curves in topology Ck with k greater or equal to three. What becomes this result in topology class lower. Moreover, the study of C1-generic dynamics knows many developments particulary through the Connecting Lemma. For example, Bonatti and Crovisier showed a C1-generic symplectic diffeomorphism of a compact surface is transitive. What they have adapted with M.-C. Arnaud to a non compact surface : a C1-generic symplectic diffeomorphism of a non compact surface has a dense set of points whose orbit leaves every compacts. These two results suggest a such application has not an invariant simple closed curve. The proof of this result is the aim of this work. We obtain, using the Connecting Lemma, a C1-generic symplectic diffeomorphism has periodic points on all the invariant curves. Then, deleting the periodic points from the invariant curves is the challenge. At first, we use an argument that Herman used in the context of curves invariant by a twist of annulus, to show that all periodic points cannot be hyperbolic. Then, we define a property, the property G, which, if it is verified by a symplectic diffeomorphism and one of its periodic elliptic points, prevents this periodic point belongs to an invariant curve. By showing that property is verified by a C1-generic symplectic diffeomorphism, we obtain the desired result. In the fourth chapter, we explain how to pertube a symplectic diffeomorphism with generating functions

L'homologie instanton-symplectique est un invariant associé à une variété de dimension trois close orientée, qui a été dé?ni par Manolescu et Woodward, et qui correspond conjecturalement à une version symplectique d'une homologie des instantons de Floer. Dans cette thèse nous étudions le comportement de cet invariant sous l'effet d'une somme connexe, d'une chirurgie de Dehn, et d'un cobordisme de dimension quatre. Nous établissons une formule de Künneth pour la somme connexe : si Y et Y' désignent deux variétés closes orientées de dimension trois, l'homologie instanton-symplectique associée à leur somme connexe est isomorphe à la somme directe du produit tensoriel de leurs groupes d'homologie instantonsymplectique respectifs, et de leur produit de torsion (après décalage des degrés). Nous définissons des versions tordues de cette homologie, et prouvons un analogue de la suite exacte de Floer, reliant les groupes associés à une triade de chirurgie. Cette suite exacte nous permet de calculer le rang des groupes associés à des familles de variétés, notamment les revêtements doubles ramifiés d'entrelacs quasi-alternés, des chirurgies entières de grande pente le long de certains noeuds, ainsi que certaines variétés obtenues par plombage de fibrés en disques au-dessus de sphères. Nous définissons enfin des invariants pour des cobordismes de dimension 4 prenant la forme d'applications entre groupes d'homologie instantonsymplectique des bords, et prouvons que deux des morphismes intervenant dans la suite exacte de chirurgie s'interprètent comme de telles applications, associées aux cobordismes d'attachement d'anses. Nous donnons également un critère d'annulation pour de telles applications associées à des éclatements. / Symplectic instanton homology is an invariant for closed oriented three-manifolds, defined by Manolescu and Woodward, which conjecturally corresponds to a symplectic version of a variant of Floer's instanton homology. In this thesis we study the behaviour of this invariant under connected sum, Dehn surgery, and four-dimensional cobordisms. We prove a Künneth-type formula for the connected sum: let Y and Y' be two closed oriented three-manifolds, we show that the symplectic instanton homology of their connected sum is isomorphic to the direct sum of the tensor product of their symplectic instanton homology, and a shift of their torsion product. We define twisted versions of this homology, and then prove an analog of the Floer exact sequence, relating the invariants of a Dehn surgery triad. We use this exact sequence to compute the rank of the groups associated to branched double covers of quasi-alternating links, some plumbings of disc bundles over spheres, and some integral Dehn surgeries along certain knots. We then define invariants for four dimensional cobordisms as maps between the symplectic instanton homology of the two boundaries. We show that among the three morphisms in the surgery exact sequence, two are such maps, associated to the handle-attachment cobordisms. We also give a vanishing criteria for such maps associated to blow-ups.

L'objectif principal de la thèse est d'établir un modèle sous forme hamiltonienne à ports pour la dynamique du plasma dans les réacteurs de fusion de type tokamak, puis de démontrer le potentiel de cette approche pour aborder les problèmes d'intégration numérique et de commande non linéaire. Les bilans thermo-magnéto-hydrodynamiques, écrits sous forme hamiltonienne à ports à l'aide de structures Stokes-Dirac, conduisent à un modèle 3D “ multi-physique ” du plasma. Ensuite, un modèle 1D équivalent au modèle de diffusion résistive est obtenu en supposant les mêmes hypothèses d'équilibre quasi-statique et de symétries. Un schéma symplectique de réduction spatiale de ce modèle 1D qui préserve la structure du modèle et ses invariants est établi. Il ouvre la voie à des travaux ultérieurs de commande non linéaire fondés sur la structure géométrique d'interconnexion et les bilans du modèle. La commande IDA-PBC (Interconnection and Damping Assignment - Passivity Based Control) basée sur la passivité du modèle est d'abord synthétisée pour ce système en dimension finie. Finalement, une commande IDA-PBC associée avec la commande à la frontière est proposée pour le système en dimension infinie. Les controlleurs sont testés et validés avec les simulateurs des tokamak (METIS pour le Tore Supra de CEA/ Cadarache, et RAPTOR pour le TCV de l'EPFL Lausanne, Suisse). / The modelling and analysis of the plasma dynamics in tokamaks using the port-Hamiltonian approach is the main project purpose. Thermo-mMagnetohydrodynamics balances have been written in port-Hamiltonian form using Stokes-Dirac interconnection structures and 3D differential forms. A simplified 1D model for control has been derived using quasi-static and symmetry assumptions. It has been proved to be equivalent to a classical 1D control model: the resistive diffusion model for the poloidal magnetic flux. Then a geometric spatial integration scheme has been developped. It preserves both the symplecticity of the Dirac interconnection structure and physically conserved extensive quantities. This will allow coming works on energy-based approaches for the non linear control of the plasma dynamics.An Interconnection and Damping Assignment - Passivity Based Control (IDA-PBC) , the most general Port-Hamiltonian control, is chosen first to deal with the studied Tokamak system. It is based on a model made of the two coupled PDEs of resistive diffusion for the magnetic poloidal flux and of radial thermal diffusion. The used TMHD couplings are the Lorentz forces (with non-uniform resistivity) and the bootstrap current. The loop voltage at the plasma boundary, the total external current and the plasma heating power are considered as controller outputs. Due to the actuator constraints which imply to have a physically feasible current profile deposits, a feedforward control is used to ensure the compatibility with the actuator physical capability. Then, the IDA-PBC controllers, both finite-dimensional and infinite-dimensional, are designed to improve the system stabilization and convergence speed. The proposed works are validated against the simulation data obtained from the Tore-Supra WEST (CEA/Cadarache, France) test case and from RAPTOR code for the TCV real-time control system (CRPP/ EPFL, Lausanne, Switzerland).

Au moins 20% des étoiles de la séquence principale abritent des disques de débris, analogues à la ceinture de Kuiper. Ces disques sont la preuve que l'accumulation de solides a au moins permis la formation de corps de taille kilométrique. Il n'est donc pas surprenant que plusieurs de ces disques soient accompagnés de planètes, qui, en laissant leur empreinte dynamique sur la structure spatiale de ces disques, révèlent leur présence. Par conséquent, la détection d'un disque de débris excentrique entourant Zeta² Ret par le télescope spatial Herschel indique la présence d'un perturbateur massif dans ce système. Zeta² Ret étant un système mature, âgé de 2-3 Gyr, et en ce sens, analogue à notre propre système solaire, il offre un exemple différent d'évolution dynamique à long terme. Cette thèse comprend une modélisation détaillée de la structure du disque de débris de Zeta² Ret, ce qui conduit à des contraintes sur la masse et l'orbite du perturbateur suspecté. Cette étude révèle également que les structures excentriques dans les disques de débris peuvent survivre sur des échelles de temps Gyr.La modélisation de disques de débris peut permettre la découverte postérieure de planètes comme c'est le cas pour le système de Fomalhaut. La forme excentrique de son disque de débris fut d'abord attribuée à Fom b, un compagnon détecté près du bord interne du disque, mais qui se révèle finalement trop excentrique (e~0.6-0.9) pour lui donner sa forme, indiquant la présence d'un autre corps massif, Fom c. Le système planétaire qui en résulte est très instable, ce qui implique une diffusion récente de Fom b sur son orbite actuelle, éventuellement par Fom c. L'étude de ce scénario révèle qu'en ayant résidé dans une résonance de moyen-mouvement interne avec une Fom c excentrique et de masse comparable à Neptune ou Saturne, Fom b aurait subi une augmentation progressive de son excentricité sur des périodes comparables à l'âge du système (~440 Myr), ce qui l'aurait amenée assez proche de Fom c pour subir une diffusion récente, qui, complétée par une évolution séculaire avec Fom c, explique sa configuration orbitale actuelle. Ce mécanisme en trois étapes pourrait également avoir généré d'importantes quantités de matériel en orbites très excentriques, ce qui en retour pourrait alimenter en poussière les parties internes du système. Par conséquent, ce mécanisme pourrait aussi expliquer la présence de ceintures de poussières internes dans le système de Fomalhaut, mais aussi la découverte d'une importante population de ceintures de poussières chaudes et massives dans les systèmes âgés de plus de 100 Myr.Les systèmes planétaires découverts jusqu'ici présentent une grande variété d'architectures, et notre système solaire est loin d'être un modèle générique. Un des principaux mécanismes déterminant la morphologie d'un système planétaire est la migration planétaire. On attend d'un compagnon stellaire - ce que notre système solaire ne possède pas - qu'il affecte les conditions de migration planétaire, et conduise potentiellement à la formation de systèmes planétaires très différents. Ce phénomène est évidemment non négligeable puisque les systèmes binaires représentent au moins la moitié des systèmes stellaires. Dans les systèmes planétaires matures, la migration planétaire peut se produire suite à l'interaction avec le matériel solide et l'impact de la binarité sur cette migration tardive est exploré dans cette thèse. Un compagnon circumstellaire pourrait inverser la tendance à la migration interne des planètes dans les systèmes stellaires simples, et rapprocher ces planètes des régions perturbées par le compagnon binaire, où elles ne pourraient pas s'être formées in situ. Cela pourrait fournir une explication à la présence de planètes qui présentent des signes de migration externe vers un compagnon circumstellaire dans les systèmes de Gamma Cephei et HD 196885. / At least 20% of Main-Sequence stars are known to harbor debris disks analogs to the Kuiper Belt. These disks are proof that the accretion of solids has permitted the formation of at least km-sized bodies. It is thus not surprising that several of these disks are accompanied by planets, which may reveal themselves by setting their dynamical imprints on the spatial structure of debris disks. Therefore, the detection of an eccentric debris disk surrounding Zeta² Ret by the Herschel space telescope provides evidence for the presence of a massive perturber in this system.Zeta² Ret being a mature Gyr-old system, and in that sense, analogous to our own Solar System, it offers a different example of long-term dynamical evolution. This thesis includes a detailed modeling of the structure of the debris disk of Zeta² Ret, which leads to constraints on the mass and orbital characteristics of the putative perturber. This study also reveals that eccentric structures in debris disks can survive on Gyr timescales.Detailed modeling of the structure of debris disks can allow the posterior discovery of hidden planets as is the case for the Fomalhaut system. The eccentric shape of the debris disk observed around this star was first attributed to Fom b, a companion detected near the belt inner-edge, which revealed to be highly eccentric (e~0.6-0.9), and thus very unlikely shaping the belt. This hints at the presence of another massive body in this system, Fom c, which drives the debris disk shape. The resulting planetary system is highly unstable, which involves a recent scattering of Fom b on its current orbit, potentially with the yet undetected Fom c. This scenario is investigated in this thesis and its study reveals that by having resided in inner mean-motion resonance with a Neptune or Saturn-mass belt-shaping eccentric Fom c and therefore have suffered a gradual resonant eccentricity increase on timescales comparable to the age of the system (~440 Myr), Fom b could have been brought close enough to Fom c and suffered a recent scattering event, which, complemented by a secular evolution with Fom c, explains its current orbital configuration. This three-step scenario also implies that significant amounts of material may have been set on extremely eccentric orbits such as this of Fom b through this mechanism, which in return could feed in dust the inner parts of the system. Therefore, this mechanism may also explain the presence of inner dust belts in the Fomalhaut system, but also the discovery a significant population of very bright hot dust belts in systems older than 100 Myr.The planetary systems discovered so far exhibit a great variety of architectures, and our solar system is far from being a generic model. One of the main mechanism that determines a planetary system morphology is planetary migration. The presence of a stellar binary companion - which our solar system is deprived of - is expected to affect planetary migration conditions, and potentially lead to the formation of very different planetary systems. This phenomenon is obviously non-negligible since binary systems represent at least half of stellar systems. At late stages of planetary systems formation, planetary migration may occur as the result of interactions with remaining solid planetesimals and the impact of binarity on this planetesimal-driven migration is explored in this thesis. A stellar binary companion may in fact reverse the tendency for planets in single star systems to migrate inwards, and bring them closer to regions perturbed by the binary companion, where they could not have formed in situ. This may give an explanation for the presence of planets which present signs of outward migration towards a circumstellar companion in the Gamma Cephei and HD 196885 systems.