Cette thèse est principalement consacrée à l’étude du comportement en temps long de solutions de certaines équations aux dérivées partielles hamiltoniennes, du type i∂_t u=X_H (u), en particulier l’existence globale, la croissance des normes de Sobolev, la diffusion et l’approximation par la dynamique résonante.Dans ce contexte, nous considérons d’abord une perturbation de l’équation de Szegő cubique par un potentiel linéaire, i∂_t u=∏ |u|² u+α∫ u,α∈R, (α-Szegő) où ∏▒ désigne le projecteur de Szegő sur les fréquences positives. Pour α=0, cette équation est l’équation de Szegő cubique, étudiée récemment par Gérard et Grellier comme modèle mathématique d’équation non linéaire et non dispersive. Pour l’équation (α–Szegő), nous établissons le caractère bien posé et la complète intégrabilité, et étudions la dynamique des valeurs singulières des opérateurs de Hankel associés. En outre, nous montrons les propriétés suivantes pour cette équation, sur une classe de sous–variétés invariantes de dimensions finies arbitrairement grandes : si α<0, toute trajectoire est relativement compacte, et toute norme de Sobolev est bornée le long de cette trajectoire. Siα>0, il existe des trajectoires le long desquelles toutes les normes de Sobolev de régularité plus grande que ½ tendent exponentiellement vers l’infini en temps.Dans une seconde partie, nous étudions un système mixte Schrödinger–ondes sur le cylinder (x,y)∈R×T , i∂_t U+∂_xx U-|D_y |U=|U|² U,(WS)En adaptant une idée de Hani–Pausader–Tzvetkov–Visciglia, nous établissons une théorie du scattering modifiée reliant les petites solutions de cette équation et les petites solutions de l’équation de Szegő cubique. En combinant cette théorie du scattering avec un résultat récent de Gérard–Grellier, nous en déduisons l’existence de solutions globales de (WS) qui sont non bornées dans l’espace L_x² H_y^s (R×T) pour tout s>½ . / The main purpose of this Ph.D. thesis is to study the long time behavior of solutionsto some Hamiltonian PDEs, i∂_t u=X_H (u), including global existence, growth of high Sobolev norms, scattering and long time approximation by resonant dynamics.In this context, at first we consider the Szegő equation on the circle S1 perturbed bya linear potential, i∂_t u=∏ |u|² u+α∫ u,α∈R, (α-Szegő) where ∏ is the projector onto the non-negative frequencies. For α=0, it turns out tobe the cubic Szegő equation, which was recently introduced by Gérard and Grellier as amathematical toy model of a non-linear totally non dispersive equation.We study the global well-posedness, the integrability and the dynamics of the singularvalues of the related Hankel operators of the α –Szegő equation. Moreover, we establishthe following properties for this equation on a class of invariant submanifolds, with anarbitrary large dimension. For α<0, any trajectory is relatively compact, and all theSobolev norms are bounded on it. For α>0, there exist trajectories on which everySobolev norm of regularity s>½ , exponentially tends to infinity in time.Second, we study the wave-guide Schrödinger equation posed on the spatial domain(x,y)∈R×T ，i∂_t U+∂_xx U-|D_y |U=|U|² U,(WS)Adapting an idea by Hani–Pausader–Tzvetkov–Visciglia, we establish a modified scattering theory between small solutions to this equation and small solutions to the cubic Szegő equation. Combining this scattering theory with a recent result by Gérard–Grellier, we infer existence of global solutions to (WS) which are unbounded in the space L_x^2 H_y^s (R×T) for every s>½ .

Le sujet de la thèse est l'étude et la construction de méthodes numériques géométriques pour les équations différentielles, qui préservent des propriétés géométriques du flot exact, notamment la symétrie, la symplecticité des systèmes hamiltoniens, la conservation d'intégrales premières, la structure de Poisson, etc.<br />Dans la première partie, on introduit une nouvelle approche de construction d'intégrateurs numériques géométriques d'ordre élevé en s'inspirant de la théorie des équations différentielles modifiées. Le cas des méthodes développables en B-séries est spécifiquement analysé et on introduit une nouvelle loi de composition sur les B-séries. L'efficacité de cette approche est illustrée par la construction d'un nouvel intégrateur géométrique d'ordre élevé pour les équations du mouvement d'un corps rigide. On obtient également une méthode numérique précise pour le calcul de points conjugués pour les géodésiques du corps rigide.<br />Dans la seconde partie, on étudie dans quelle mesure les excellentes performances des méthodes symplectiques, pour l'intégration à long terme en astronomie et en dynamique moléculaire, persistent pour les problèmes de contrôle optimal. On discute également l'extension de la théorie des équations modifiées aux problèmes de contrôle optimal.<br />Dans le même esprit que les équations modifiées, on considère dans la dernière partie des méthodes de pas fractionnaire (splitting) pour les systèmes hamiltoniens perturbés, utilisant des potentiels modifiés. On termine par la construction de méthodes de splitting d'ordre élevé avec temps complexes pour les équations aux dérivées partielles paraboliques, notamment les problèmes de réaction-diffusion en chimie.

Dans cette thèse on s'intéresse à deux problèmes faisant intervenir des formes normales de champs de vecteurs et des phénomènes exponentiellement petits. Dans le premier chapitre on démontre tout d'abord deux théorèmes de normalisation avec restes exponentiellement petits pour des champs de vecteurs analytiques au voisinage d'un point d'équilibre, dans le cas non autonome périodique. Le premier théorème de normalisation permet de construire une quasi-variété invariante à un exponentiellement petit près, tandis que le deuxième met le champ de vecteur sous la forme normale de Elphick-Tirapegui-Brachet-Coullet-Iooss à un exponentiellement petit près. Dans le deuxième chapitre on travaille près d'un point d'équilibre d'une famille de systèmes hamiltoniens au voisinage d'une résonance 0²iw. On démontre l'existence d'une famille d'orbites périodiques entourant l'équilibre puis l'existence d'orbites homoclines à plusieurs boucles à chacune de ces orbites périodiques, aussi proche de cet équilibre que l'on veut à l'exception de l'équilibre lui-même. La démonstration est basée sur la preuve d'un théorème de forme normale hamiltonien inspiré des formes normales de Elphick-Tirapegui-Brachet-Coullet-Iooss ainsi que sur une normalisation locale hamiltonienne s'appuyant sur un résultat de Moser. On obtient ensuite le résultat grâce à des arguments géométriques liés à la petite dimension et à un théorème KAM qui permet de confiner les boucles. Pour le même problème dans le cadre d'un champ de vecteurs réversible non hamiltonien, l'apparition d'exponentiellement petits lors de la perturbation de l'orbite homocline de la forme normale empêche la démonstration de l'existence d'orbites homoclines à des orbites périodiques de taille exponentiellement petite. Le même phénomène apparait ici mais l'obstacle est contourné grâce à des arguments géométriques spécifiques aux système Hamiltoniens.

Cette thèse porte sur le comportement en temps long de solutions d’équations de type Vlasov, principalement le modèle Vlasov-HMF. On s’intéresse en particulier au phénomène d’amortissement Landau, prouvé mathématiquement dans divers cadres, pour plusieurs équations de type Vlasov, comme l’équation de Vlasov-Poisson ou le modèle Vlasov-HMF, et présentant certaines analogies avec le phénomène d’amortissement non visqueux pour l’équation d’Euler 2D. Les résultats qui y sont décrits sont les suivants. Le premier est un théorème d’amortissement Landau pour des solutions numériques du modèle Vlasov-HMF, obtenues par discrétisation en temps de ce dernier via des méthodes de splitting. Nous prouvons en outre la convergence des schémas numériques. Le second est un théorème d’amortissment Landau pour des solutions du modéle Vlasov-HMF linéarisé autour d’états stationnaires inhomogènes. Ce théorème est accompagné de nombreuses simulations numériques destinées à étudier numériquement le cas non-linéaire, et semblant mettre en lumière de nouveaux phénomènes. Enfin, le dernier résultat porte sur la discrétisation en temps de l’équation d’Euler 2D par un intégrateur de Crouch-Grossman symplectique. Nous prouvons la convergence du schéma. / This thesis concerns the long time behavior of certain Vlasov equations, mainly the Vlasov- HMF model. We are in particular interested in the celebrated phenomenon of Landau damp- ing, proved mathematically in various frameworks, foar several Vlasov equations, such as the Vlasov-Poisson equation or the Vlasov-HMF model, and exhibiting certain analogies with the inviscid damping phenomenon for the 2D Euler equation. The results described in the document are the following.The first one is a Landau damping theorem for numerical solutions of the Vlasov-HMF model, constructed by means of time-discretizations by splitting methods. We prove more- over the convergence of the schemes. The second result is a Landau damping theorem for solutions of the Vlasov-HMF model linearized around inhomogeneous stationary states. We provide moreover a quite large amount of numerical simulations, which are designed to study numerically the nonlinear case, and which seem to show new phenomenons. The last result is the convergence of a scheme that discretizes in time the 2D Euler equation by means of a symplectic Crouch-Grossmann integrator.

Les systèmes dynamiques qui évoluent sur un grand intervalle de temps (dynamique moléculaire, prédiction astronomique, turbulence...) occupent une place importante dans le domaine de la science de l'ingénieur. Leur résolution numérique constitue, jusqu'à l'heure actuelle, un défi. En effet, la simulation de la solution nécessite un solveur non seulement rapide mais aussi qui respecte les propriétés physiques du problème, pour garantir la stabilité. Dans cette thèse, on se propose d'étudier, vis-à-vis de cette problématique, un schéma d'intégration temporelle basée sur la décomposition de la solution en série temporelle, suivie de la technique de resommation de Borel des séries divergentes. On analyse alors la rapidité du schéma sur des problèmes modèles. Ensuite, on montre sa capacité à préserver la structure des équations (symplecticité, iso-spectralité, conservation de l'énergie...) à un ordre arbitrairement élevé. Par la suite, on applique le schéma à la résolution d'équations aux dérivées partielles issues de la mécanique, dont les équations de la chaleur, de Burgers et de Navier-Stokes bidimensionnelles. Pour cela, on associe le schéma à une méthode de discrétisation par éléments finis en espace. Enfin, dans le but de rendre l'algorithme plus robuste, on s'intéresse à la représentation de la somme de Borel par une série de factorielle généralisée. / Dynamical systems which evolve in a large time interval (molecular dynamic, astronomical prediction, turbulence…) take an important place in engineering science. Their numerical resolution has so far constituted a challenge. Indeed, the simulation of the solution requires a solver which is not only fast but also respects the physical properties of the problem, to ensure the stability. In this thesis, we propose to study, regarding this issue, a time integration scheme based on the decomposition of the solution into time series, followed by Borel's resummation technique of divergent series. We analyse the speed of scheme on model problems. Next, we show its capability to preserve the structure of the equation (symplecticity, iso-spectrality, conservation of energy…) up to an arbitrary high order. Thereafter, we use the scheme to resolve partial differential equations coming from mechanics, including the two-dimensional heat equation, Burger’s equation and the Navier-Stokes equation. To this aim, we choose a finite element method for space discretisation. Finally, and in order to make the algorithm more robust, we are interested in the representation of the Borel sum by a generalized factorials series.

Dans cette thèse, nous développons de nouveaux outils pour relier les dynamiques qualitatives des systèmes hamiltoniens sur des surfaces aux propriétés algèbriques de leurs complexes de Floer - un objet algébrique qui encode l'information sur la façon dont les orbites 1-périodiques d'un système sont reliées par des cylindres satisfaisant une équation différentielle partielle elliptique appelée l'équation de Floer. L'idée principale est de considérer --- pour un hamiltonian \(H \in C^\infty(S^1 \times \Sigma)\) sur une surface symplectique \((\Sigma, \omega)\) --- les graphes des orbites contractiles 1-périodiques de l'isotopie \((\phi^H_t)_{t \in [0,1]}\) comme définissant une tresse \(P^H\) dans \(S^1 \times \Sigma\). En choisissant des capuchons pour chacune de ces orbites 1-périodiques, nous obtenons un objet que nous appelons une tresse encapuchonnée \(\hat{P}^H\), qui est muni d'une fonction d'indexation \(\mu_{CZ}: \hat{P}^H \rightarrow \mathbb{Z}\) obtenue en assignant à chaque brin encapuchonné l'indice de Conley-Zehnder de l'orbite encapuchonnée associée. L'idée est alors de s'interroger sur la relation entre l'information topologique encodée dans la tresse encapuchonnée indexée \((\hat{P}^H,\mu_{CZ})\) et la structure du complexe de Floer \(CF_*(H,J)\) pour une structure presque complexe générique \(J\). À cette fin, nous aurons recours à: un nouvel invariant relatif pour les paires de tresses encapuchonnées que nous appelons le nombre d'enlacement homologique, un cercle d'idées concernant le comportement asymptotique des courbes pseudo-holomorphes développé par Hofer-Wysocki-Zehnder dans leur série d'articles [8], [10], [12] et aussi [11] (ainsi qu'un raffinement supplémentaire dans le cas relatif dû à Siefring dans [32]), et une nouvelle technique en basses dimensions pour la construction de morphismes de continuation de Floer qui ont un comportement prescrit. En conséquence de ces techniques, nous établissons l'existence --- pour des systèmes hamiltoniens génériques sur une surface fermée arbitraire --- de certaines feuilletages singulières spéciaux sur \(S^1 \times \Sigma\) dont le comportement est étroitement lié à la fois à la dynamique sous-jacente et à la structure du complexe de Floer du système. La construction de tels feuilletages dans le cas particulier des pseudo-rotations d'un disque, par des méthodes très différentes des nôtres, a été au coeur des progrès significatifs récents de Bramham dans [3] sur une célèbre question de Katok concernant les systèmes conservatifs de basse dimension et d'entropie nulle. Ces feuilletages fournissent également, pour les systèmes hamiltoniens lisses génériques, une construction Floer-théorique des feuilletages positivement transversaux sur \(\Sigma\) qui ont été construits originellement (pour les homéomorphismes de surface généraux) par Le Calvez à travers d'une extension substantielle de la théorie de Brouwer classique pour les homéomorphismes de surface dans [16]. En plus de fournir un pont géométrique entre la dynamique d'une isotopie hamiltonienne et l'information algébrique contenue dans son complexe de Floer, les techniques développées dans cette thèse permettent également de donner une caractérisation --- purement en termes de la dynamique de l'isotopie hamiltonienne sous-jacente --- des cycles de Floer dans \(CF_*(H,J)\) qui représentent la classe fondamentale de la surface et qui de plus se trouvent dans l'image d'un morphisme de PSS au niveau des chaines. Finalement, ces techniques permettent de définir une nouvelle famille d'invariants d'un système hamiltonien (sur une variété symplectique arbitraire) qui se comporte formellement de manière similaire à une famille bien étudiée de tels invariants connue comme les invariants spectraux de Oh-Schwarz. L'avantage de nos nouveaux invariants est que nous sommes capable de calculer explicitement les plus importants d'entre eux pour des systèmes hamiltoniens génériques sur des surfaces arbitraires, ce uniquement en termes de topologie relative des orbites périodiques du système (avec leurs indices de Conley-Zehnder). Ceci généralise un résultat de Humilière-Le Roux-Seyfaddini dans [13] dans lequel ils ont donné une caractérisation dynamique du principal invariant spectral de Oh-Schwarz dans le cas de systèmes hamiltoniens autonomes sur des surfaces de genre positif. / In this thesis, we develop novel tools for relating the qualitative dynamics of Hamiltonian systems on surfaces to the algebraic properties of their Floer complexes --- an algebraic object which encodes information about the ways in which a system’s 1-periodic orbits are connected by cylinders satisfying an elliptic partial differential equation known as Floer’s equation. The main idea is to consider --- for a generic Hamiltonian \(H \in C^\infty(S^1 \times \Sigma)\) on a symplectic surface \((\Sigma, \omega)\) --- the graphs of the contractible time-1 periodic orbits of the isotopy \((\phi^H_t)_{t \in [0,1]}\) as defining a braid \(P^H\) in \(S^1 \times \Sigma\). Upon choosing cappings for each such 1-periodic orbit, we obtain an object which we term a capped braid \(\hat{P}^H\), which comes equipped with an indexing function \(\mu_{CZ}: \hat{P}^H \rightarrow \mathbb{Z}\) given by assigning to each (capped) strand of the braid the Conley-Zehnder index of the associated capped orbit. The idea is then to enquire into the relation of the topological information encoded in the indexed capped braid \((\hat{P}^H,\mu_{CZ})\) and the structure of the Floer complex \(CF_*(H,J)\) for a generic \(J\). The main tools employed to this end are: a novel relative invariant for pairs of capped braids which we term the homological linking number, a circle of ideas about the asymptotic behaviour of pseudo-holomorphic curves pioneered by Hofer-Wysocki-Zehnder in their series of papers [8], [10], [12] as well as in [11] (along with a further refinement to the relative case by Siefring in [32]), and a novel technique for the construction of regular Floer continuation maps in low-dimensions having prescribed behaviour. As a consequence of these techniques, we establish the existence --- for generic Hamiltonian systems on an arbitrary closed surface \(\Sigma\) --- of certain special singular foliations on \(S^1 \times \Sigma\) whose behaviour is tightly related to both the underlying dynamics, as well as the structure of the system’s Floer complex. The construction of such foliations (by very different methods) in the particular case of pseudo-rotations on a disk was the crux of Bramham’s recent significant progress in [3] on a famous question due to Katok about low-dimensional conservative systems with vanishing entropy. These foliations also provide, for generic smooth Hamiltonian systems, 7 a Floer-theoretic construction of the positively transverse foliations on \(\Sigma\) which were originally constructed (for general surface homeomorphisms) by Le Calvez through a significant extension of classical Brouwer theory for surface homeomorphisms in [16]. In addition to providing a geometric bridge between the dynamics of a Hamiltonian isotopy and the algebraic information contained in its associated Floer complex, the techniques developed in this dissertation also permit a characterization --- purely in terms of the dynamics of the underlying Hamiltonian isotopy --- of those Floer cycles in \(CF_*(H,J)\) which represent the fundamental class of the surface, and which moreover lie in the image of some chain-level PSS map. Finally, these techniques permit the definition of a new family of invariants of a Hamiltonian system (on an arbitrary symplectic manifold) which behave formally similarly to a well-studied family of such invariants known as ‘Oh-Schwarz spectral invariants’ (and which agree with them in all known cases). The advantage of these novel spectral invariants is that we are able to explicitly compute the most important of these spectral invariants for generic Hamiltonian systems on arbitrary surfaces purely in terms of the relative topology of the system’s periodic orbits (together with their Conley-Zehnder indices). This considerably generalizes a result by Humilière-Le Roux-Seyfaddini in [13] in which they gave a dynamical characterization of the main Oh-Schwarz spectral invariant in the case of time-independent Hamiltonian systems on surfaces with positive genus.

Le travail de cette thèse a été réalisé dans le cadre d'une collaboration entre EDF R&D et le LMA de Marseille (CNRS). Le but était de développer des outils théoriques et numériques pour le calcul de modes non-linéaires de structures industrielles possédant des non-linéarités localisées à jeu. La méthode de calcul utilisée est une combinaison de la méthode d'équilibrage harmonique (EH) et de la méthode asymptotique numérique (MAN), appelée EHMAN. Elle est réputée pour sa robustesse sur les problèmes réguliers. L'enjeu de ce travail de thèse est de l'appliquer sur des problèmes non-réguliers régularisés de type butée à jeu pour lequel un grand nombre d'harmonique est nécessaire. Des améliorations ont été apportées à la méthode de base pour rendre effectif le traitement de modèles à "grand" nombre de degrés de liberté (DDL). L'algorithme Fast Fourier Transform est utilisé pour accélérer le calcul des termes non-linéaires. Le calcul de la matrice jacobienne a été optimisé. Et la dissociation du nombre d'harmoniques entre les variables de déplacement et de force non-linéaire a été introduite. Les développements réalisés pendant la thèse ont été capitalisés par la création de nouveaux opérateurs dans Code_Aster. Une étude approfondie d'un système à 2 degrés de liberté a permis de faire émerger quelques caractéristiques des systèmes non-linéaires à jeu. Celles-ci ont servi entre autre à établir une méthodologie pour l'étude de systèmes à grand nombre de DDL. Pour finir, la potentialité des modes non-linéaires comme outil de diagnostic vibratoire est démontrée avec l'étude d'un tube cintré de générateur de vapeur. Le calcul des modes non-linéaires a monté l'existence d'une interaction entre un mode hors-plan (basse fréquence) et un mode plan (haute fréquence) expliquant des régimes vibratoires non-standards. Ce résultat, impossible à obtenir avec les outils de l'analyse modale linéaire, est confirmé expérimentalement.

Mes recherches portent essentiellement sur l''elaboration de m'ethodes de calcul formel pour l''etude constructive des 'equations diff'erentielles lin'eaires, plus particuli'erement autour de la th'eorie de Galois diff'erentielle. Celles-ci vont du d'eveloppement de la th'eorie sous-jacente aux algorithmes, en incluant leur implantation en Maple. Ces travaux ont en commun une approche exp'erimentale des math'ematiques o'u l'on met l'accent sur l'examen d'exemples les plus pertinents possibles. L''etude d'etaill'ee de cas provenant de la m'ecanique rationnelle ou de la physique th'eorique nourrit en retour le d'eveloppement de th'eories math'ematiques idoines. Mes travaux s'articulent suivant trois grands th'emes interd'ependants : la th'eorie de Galois diff'erentielle effective, ses applications 'a l'int'egrabilit'e de syst'emes hamiltoniens et des applications en physique th'eorique.