Aspects géométriques et topologiques du crochet de Poisson des variétés symplectiques

Abstract

Cette thèse étudie deux problèmes de nature géométrique et topologique associés au crochet de Poisson sur les variétés symplectiques.

Le premier problème porte sur la notion de submersion symplectique que nous introduisons dans le présent texte et qui généralise la notion de symplectomorphisme. Il s'avère qu'une submersion symplectique est un morphisme de Poisson : il s'agit d'une application entre variétés symplectiques qui préserve le crochet de Poisson. Notre intérêt pour ces fonctions réside dans le fait que le théorème de non-tassement de Gromov porte sur l'aire minimale possible pour les images des submersions symplectiques (allant d'une boule symplectique vers le plan symplectique) obtenues comme compositions d'un plongement symplectique dans l'espace symplectique euclidien de dimension 2n et de la projection standard vers le plan de coordonnées conjuguées (p_1, q_1). Nous investiguons le problème inverse dit « de représentabilité » : nous obtenons des conditions nécessaires et suffisantes pour qu'une submersion symplectique comme ci-dessus se factorise comme précédemment à travers un plongement ou une immersion symplectique dans l'espace euclidien. Nous montrons par ailleurs qu'il existe une submersion symplectique qui ne se factorise pas de la sorte à travers une immersion et qu'il existe aussi une submersion symplectique qui se factorise de la sorte à travers une immersion, mais pas à travers un plongement.

Le deuxième problème porte sur la conjecture du crochet de Poisson de Polterovich. Étant donné une variété symplectique (M, omega) et un recouvrement U de M, nous pouvons définir l'invariant pb(F) associé à une partition de l'unité F subordonnée à U, qui est une sorte de norme sur les crochets de Poisson entre les paires de fonctions de la partition. En dénotant e(U) l'énergie de disjonction de Hofer maximale d'un ouvert du recouvrement U, la conjecture demande s'il existe une constante positive C indépendante de U et de F telle que le produit de pb(F) et de e(U) soit supérieur à C. Cette conjecture a été établie récemment par Buhovski-Logunov-Tanny dans le cas des surfaces ; en nous inspirant de travaux antérieurs de Buhovski-Tanny, nous avons aussi démontré la conjecture pour les surfaces de genre plus grand que 1. Nous exposons notre approche dans le second chapitre de cette thèse. À l'aide des submersions symplectiques, nous généralisons nos méthodes afin d'attaquer la conjecture en dimensions supérieures ; nous obtenons ainsi une nouvelle preuve d'un théorème de Polterovich et de Buhovski-Tanny concernant l'invariant pb pour des recouvrements formés de petits ouverts.

Afin de rendre cette thèse aussi accessible et auto-suffisante que possible, nous débutons par une introduction à la topologie symplectique. Des annexes recueillent les faits plus particuliers que nous utilisons tout au long de ce travail.

This thesis studies two problems of geometric and topological nature associated to the Poisson bracket on symplectic manifolds. The first problem concerns the notion of "symplectic submersion" that we introduce here and which generalizes the concept of symplectomorphism. A symplectic submersion turns out to be a Poisson morphism, namely a map between symplectic manifolds which preserves the Poisson bracket. Our interest in those maps stems from the fact that Gromov's nonsqueezing theorem is a statement about the minimal area possible for the images of the symplectic submersions (going from a symplectic ball to a symplectic plane) which are compositions of a symplectic embedding into the Euclidean symplectic space and of the standard projection onto the plane of conjugated variables (p_1, q_1). We investigate the inverse "representability" problem: we give necessary and sufficient conditions for a symplectic submersionas above to factorize in the previous way either through a symplectic embedding or through a symplectic immersion into Euclidean space. We show moreover that there exists a symplectic submersion which does not factorize in this way through an immersion, and also that there exists a symplectic submersion which does factorize in this way through an immersion, but not through an embedding.

The second problem concerns Polterovich's Poisson bracket conjecture. Given a symplectic manifold (M, omega) and an open cover U of M, we can define the invariantpb(F) of a partition of unity F subordinated to U, which is a sort of norm on the pairwise Poisson brackets of the functions in F. Denoting e(U) the maximal Hofer displacement energy of a set in U, the conjecture asks whether there exists a positive constant C independent of U and F such that the product of pb(F) and e(U) is greater than C. This conjecture was proved recently by Buhovsky-Logunov-Tanny in the case of surfaces; based on earlier work of Buhovsky-Tanny , we also proved the conjecture for surfaces of genus one and above. We present our approach in the second chapter of this thesis. Using symplectic submersions, we generalize our methods in order to tackle the conjecture in higher dimensions; in particular, we obtain a new proof of a theorem of Polterovich and Buhovsky-Tanny about the pb invariant of covers made up of small open sets.

In order to make this thesis as accessible and self-contained as possible, we first give an introduction to symplectic topology. The appendices also collect the more specialized facts we use throughout this work.