Construction de scindements de Grushko et JSJ : une approche combinatoire

The class of graphs of free groups with cyclic edge groups constitutes an important source of examples in geometric group theory, particularly of hyperbolic groups. A recent result of Wilton shows that any such group which is one-ended and hyperbolic contains a surface subgroup, answering a question attributed to Gromov. This thesis is devoted to the study of these groups when they arise as fundamental groups of certain nonpositively curved square complexes. The square complexes in question, called tubular graphs of graphs, are obtained by attaching tubes (a tube is a Cartesian product of a circle with the unit interval) to a finite collection of finite graphs. The main goal of this thesis is to construct two fundamental decompositions, the Grushko decomposition and the JSJ decomposition, of the fundamental groups of tubular graphs of graphs. In the first part of the thesis we develop an algorithm of polynomial time-complexity that takes a tubular graph of graphs as input and returns the Grushko decomposition of its fundamental group. As an application, we obtain an alternative version of an algorithm of Stallings, which takes a finite set of words W in a finite rank free group F as input, and decides whether or not there exists a free splitting of F relative to W. In the second part of the thesis we develop an algorithm of double exponential time-complexity that takes a tubular graph of graphs with one-ended hyperbolic fundamental group as input and returns the JSJ decomposition of the fundamental group. We remark that this is the first algorithm on JSJ decompositions of groups with an effective bound on the time-complexity. The main reason for the efficiency of this algorithm is that certain asymptotic properties of the group, which determine whether the group splits over a cyclic subgroup, admit local characterisations due to the CAT(0) cubical structure of these groups. As an application of this result, we obtain an algorithm of double exponential time-complexity that takes a finite rank free group F and a finite set of maximal cyclic subgroups W such that F is freely indecomposable relative to W as input and returns the relative JSJ decomposition of F relative to W. A consequence of the above results is that the isomorphism problem for the groups under consideration is reduced to the Whitehead algorithm.La classe des graphes de groupes libres à groupes d'arêtes cycliques constitue une source importante d'exemples en théorie géométrique des groupes, en particulier dans le cadre des groupes hyperboliques. Un résultat récent de Wilton montre qu'un tel groupe à un bout et hyperbolique contient un sous-groupe de surface, répondant à une question attribuée à Gromov. Cette thèse est consacrée à l'étude de ces groupes lorsqu'ils se présentent comme des groupes fondamentaux de certains complexes carrés à courbure négative ou nulle. Les complexes carrés en question, appelés graphes tubulaires de graphes, sont obtenus en attachant des tubes (un tube est un produit cartésien d'un cercle avec l'intervalle unitaire) à une collection finie de graphes finis. Le but principal de cette thèse est de construire deux décompositions de base pour les groupes fondamentaux de graphes tubulaires de graphes : leur décomposition de Grushko et leur décomposition JSJ. Dans la première partie de la thèse, nous développons un algorithme en temps polynomial, dont l'entrée est un graphe tubulaire de graphes, et qui produit le scindement de Grushko de son groupe fondamental. Comme application, nous obtenons une version alternative d'un algorithme de Stallings, qui prend un ensemble fini de mots W dans un groupe libre F de rang fini, et décide s'il existe ou non un scindement libre de F relatif à W. Dans la deuxième partie de la thèse, nous développons un algorithme en temps doublement exponentiel, dont l'entrée est un graphe tubulaire de graphes avec un groupe fondamental hyperbolique à un bout, et qui produit le scindement JSJ du groupe fondamental. Nous remarquons qu'il s'agit du premier algorithme sur les scindements JSJ de groupes avec une borne effective sur la complexité de temps. La principale raison de l'efficacité de cet algorithme est que certaines propriétés asymptotiques du groupe, qui déterminent si le groupe se scinde au dessus un sous-groupe cyclique, admettent des caractérisations locales en raison de la structure cubique CAT(0). Comme application de ce résultat, nous obtenons un algorithme en temps doublement exponentiel, dont l'entrée est un groupe libre F de rang fini muni d'un ensemble fini de sous-groupes cycliques W tels que F est librement indécomposable relatif à W, et qui produit le scindement JSJ de F relativement à W. Une conséquence des résultats ci-dessus est que le problème d'isomorphisme pour les groupes considérés se réduit à l'algorithme de Whitehead