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0.4 Surfaces de dilatation

0.4.3 Aspects dynamiques

Feuilletages sur les surfaces d’après Levitt et Liousse. Les feuilletages

directionnels des surfaces de dilatations sont des cas particuliers de feuilletages

transversalement affines. Ces feuilletages ont déjà été partiellement étudiés par

Liousse dans l’article [Lio95]. Elle y prouve en particulier qu’un tel feuilletage est

génériquement trivial au sens topologique.

Théorème 16 (Liousse, [Lio95]). Un feuilletage est dit dynamiquement trivial si

l’ω-limite de toute feuille est une feuille fermée hyperbolique.

L’ensemble des feuilletages dynamiquement triviaux est un ouvert dense de

l’en-semble des feuilletages transversalement affines.

La preuve de ce théorème repose entre autres sur l’étude profonde des

feuille-tages des surfaces menée par Levitt dans la série d’article [Lev82a, Lev82b, Lev87]

qu’il est bon d’avoir en tête au moment d’entamer l’étude des surfaces de

dilata-tion.

Échanges d’intervalles affines Les surfaces de dilatations ont un lien étroit

avec leséchanges d’intervalles affines. En effet, la suspension d’un tel échange

d’in-tervalle est naturellement munie d’une structure de dilatation dont le feuilletage

vertical admet cet échange d’intervalle comme section de Birkhoff. Les questions

de nature dynamique sur les feuilletages directionnels des surfaces de dilatation

sont en quelque sorte duales à l’étude des échanges d’intervalles affines.

Il nous semble que l’étude de la dynamique des échanges d’intervalles affines est

à ce jour incomplète. Le théorème de Liousse sur les feuilletages transversalement

affines (doit) naturellement se traduire dans le langage des échanges d’intervalles

affines et impliquer que génériquement, un tel échange d’intervalle est

dynamique-ment trivial. En ce sens, ce théorème nous semble être un analogue du théorème de

Keane pour les échanges d’intervalles standards et est un encouragement à se

lan-cer dans une étude systématique de ces objets. D’autant plus que les travaux de

Camelier-Guttierez [CG97], Bressaud-Hubert-Mass [BHM10] et

Marmi-Moussa-Yoccoz [MMY10] promettent l’existence de comportements dynamiques riches et

variés dans le monde des échanges d’intervalles affines.

Famille à paramètre d’échanges d’intervalles et la surface Discoswag.

On présente maintenant les résultats de l’article [BFG]. On s’intéresse à l’échange

d’intervalles affine F : [0,1[−→[0,1[ défini de la manière suivante :

six∈[0,

16

[ alors F(x) = 2x+

16

six∈[

16

,

12

[ alors F(x) =

12

(x−

1 6

)

six∈[

12

,

56

[ alors F(x) =

12

(x−

1 2

) +

56

six∈[

56

,1[ alors F(x) = 2x+

12

On vérifie aisément que pour tout x ∈ [0,1[, F

2

(x) = x. Son comportement

dynamique est très simple. On considère maintenant la famille à un paramètre

(F

t

)

tI=[0,1]

définie par

Ft=Frt

rt : [0,1[−→ [0,1[ est la translation de t modulo 1. L’étude de cette famille

faite dans le chapitre 4 nous montre, à travers les théorèmes expliqués ci-après,

qu’elle recèle des comportements dynamiques variés.

Théorème 17. Pour presque tout tI = [0,1[dans un ouvert dense de mesure

pleine, Ft est dynamiquement trivial. Plus précisément, il existe x

+

, x

∈ [0,1[

périodiques d’ordre pN

tel que

(F

tp

)

0

(x

+

)<1;

(F

tp

)

0

(x

+

)>1

— pour tout z∈[0,1[ n’étant pas dans l’orbite de x

, l’ω-limite de z est égale

à {x, Ft(x), F

t2

(x),· · · , F

tp1

(x)}.

Grossièrement, ce théorème veut dire qu’un élément générique de cette famille

a un comportement dynamique "simple", il a une orbite périodique qui attire

toutes les autres. Un fait remarquable est que cette généricité est à la fois de

nature topologique et mesurable. D’une certaine manière, cela renforce le résultat

de Liousse discuté précédemment pour cette famille spécifique.

Un autre aspect remarquable de cette famille est l’existence de beaucoup de

pa-ramètres ayant des comportements dynamiques "exceptionnels".

Théorème 18. — Il existe un ensemble de Cantor de mesure nulle H ⊂I tel

que pour tout t∈ H on ait la chose suivante

il existe un CantorC

t

⊂[0,1]tel que pour tout x∈[0,1[, l’ω-limit pour Ft

dex est égale àC

t

.

— Il y a un nombre dénombrable de paramètres t∈ [0,1[ pour lesquels Ft est

totalement périodique, c’est à dire qu’il existep(t)N

tel que F

tp(t)

= Id.

L’ensemble des paramètres non décrit par les deux précédents théorèmes forment

un ensemble de Cantor Λ⊂I. Nous sommes pour le moment incapables de décrire

la dynamique pour ces paramètres, mais des simulations numériques suggèrent la

conjecture suivante :

Conjecture 3. Pour tout paramètre t∈Λ, F

t

est minimal.

Il est naturel d’associer à la famille (F

t

)

tI=[0,1]

la surface de dilatation Σ

D

obtenue par le collage suivant :

Figure 3 – La surface Disco Σ

D

.

Le feuilletage directionnel de Σ

D

en direction θ admet Ft comme section de

Birkhoff, pour t=

tan6θ

. Ils ont en particuliers les mêmes propriétés dynamiques

et l’étude de la familleFtpeut donc se réduire à l’étude des feuilletages

direction-nels de Σ

D

. Le principal gain lié à ce changement de point de vue est l’apparition

de symétries cachées. En effet, le groupe de Veech de Σ

D

est assez gros, et les

directions équivalentes via ce sous-groupe de SL(2,R) ont le même comportement

dynamique. Cela nous permet de réduire considérablement le nombre de

para-mètres θ à étudier.

Ce groupe de Veech V

D

) est discret et contient le groupe

Γ = 1 6

0 1

!

, 1

3

0

2

1

!

, 1 0

0 −1

!

.

La projection de Γ sur PSL(2,R) est un groupe discret de covolume infini. C’est

aussi un groupe de Schottky de rang 2 et l’analyse de son action sur RP

1

,

l’en-semble des directions deR

2

, nous amène aux conclusions suivantes :

— Il y a un ensemble de Cantor Λ

Γ

RP

1

de mesure nulle sur lequel Γ agit de

manière minimale. Les directionsθ∈Λ

Γ

sontconjecturalement minimales.

— L’action de Γ sur Ω

Γ

=RP

1

Γ

est proprement discontinue et le quotient

est homéomorphe à un cercle. Cela nous permet d’identifier un petit

do-maine fondamentalDRP

1

pour lequel la compréhension de la dynamique

des feuilletages directionnels pour des valeurs deθDimplique la

compré-hension pour tous les paramètres de Ω

Γ

(qui est un ouvert de mesure pleine

de RP

1

).

Induction de Rauzy-Veech affine. Un regard bien posé sur la Figure 4.3

nous permet de réduire l’étude des feuilletages de Σ

D

en directionθDà l’étude

d’applications contractantes affines par morceaux avec une seule discontinuité. On

utilise alors une forme adaptée à notre problème de l’induction de Rauzy-Veech

(algorithme au centre de la renormalisation des échanges d’intervalles standards)

pour montrer que

— il existe un ensemble de Cantor de paramètres θD pour lesquels les

feuilletages associés s’accumulent sur un Cantor (transversalement) ;

— les autres directions sont dynamiquement triviales.

Chapitre 1

Structures affines branchées.

1.1 Premiers exemples et définitions.

Une géométrie au sens de Klein est la donnée d’une certaine variété modèleX

et d’un sous-groupe de difféomorphismesG <Diff(X) ; et une variétéM portant

une (X, G)-structure est un atlas de cartes à valeurs dansXdont les changements

de cartes sont à valeurs dans G. Tout les objets deX invariants parGsont alors

bien définis sur M.

Par exemple, la géométrie affine complexe est celle induite par le coupleX =C

n

,

G = Aff

n

(C) = GL(n,C)n C

n

. Les droites, les plans et autres cercles sont les

objets de la géométrie affine. C’est le casn= 1, déjà très riche, qui va concentrer

notre attention dans ce chapitre.

Une manière très simple de tenter de construire des structures affines est de

consi-dérer des polygones euclidiens(plongés dans le plan complexeC) et d’en recoller

les cotés deux par deux en utilisant des transformations affines. La structure

af-fine deCs’étend naturellement à la surface construite par de tel recollement, sauf

peut-être aux points sur lesquels se projettent les sommets du polygone.

Malheu-reusement, à moins que la surface topologique sous-jacente à un tel recollement

soit un tore, la structure affine ne se prolonge pas à ces points spéciaux. Le mieux

que l’on puisse faire est d’imposer le type singulier de la structure à ces points.

De manière générale, un voisinage d’un tel point a une structure de cone affine

d’angle complexe θ=x+iy avec x > 0. Nous allons dans ce chapitre faire

l’hy-pothèse restrictive que ces angles sont réels et multiples entiers de 2π, ce qui nous

amène à la définition ci-dessous. Ce choix sera en partie justifié, et d’autre cas

seront traités dans le chapitre 2.

Definition 1(Structure affine branchée). Une structure affine surΣest la donnée

d’un ensemble fini S ⊂ Σ et d’un atlas de cartes (U

i

, ϕ

i

) à valeurs dans C sur

1. les changements de carteϕ

i

ϕ

j1

sont la restriction d’un élément deAff(C)

sur chacune des composantes connexes de leurs ensembles de définition ;

2. chaque élément sS a un voisinage épointé dont la structure affine définie

par l’atlas (Ui, ϕi) est isomorphe à celle définie sur un voisinage de 0 en

tirant en arrière le revêtement ramifié z7→z

k

pour un certain k≥2.

Nous illustrons maintenant cette définition par quelques exemples et

construc-tions.

Le tore de Hopf. Les tores de Hopf résultent d’une construction générale, dont

le cas qui nous intéresse est le cas unidimensionnel. Si λ est un réel strictement

positif, différent de 1, le tore de Hopf T

λn

est le quotient de C

n

\ {~0} par l’action

linéaire de l’application linéaire λ·Id. La variété quotient est homéomorphe à

S

1

×S

2n1

et est munie d’une structure affine naturellement héritée de celle de

C

n

\ {~0}.

Le cas n = 1 fourni une structure affine sur le tore S

1

×S

1

à laquelle nous

réfèrerons abusivement comme le tore de Hopf de paramètre λ.

Un modèle polygonal. Une manière très naturelle de procéder pour construire

des structures affines est de recoller les cotés d’un polygone deux à deux à l’aide de

transformations affines. Prenons l’exemple du polygone de la Figure 1.1 : il existe

une unique transformation affine envoyant un coté d’une certaine couleur sur celui

de même couleur. En identifiant à l’aide de ces transformations, on construit une

structure affine sur la surface de genre 2.

Figure 1.1 – Un modèle polygonal pour une surface de genre 2.