Classification of P-oligomorphic groups, conjectures of Cameron and Macpherson

This PhD thesis falls under the fields of algebraic combinatorics and group theory. Precisely,it brings a contribution to the domain that studies profiles of oligomorphic permutation groups and their behaviors.The first part of this manuscript introduces most of the tools that will be needed later on, starting with elements of combinatorics and algebraic combinatorics.We define counting functions through classical examples ; with a view of studying them, we argue the relevance of adding a graded algebra structure on the counted objects.We also bring up the notions of order and lattice.Then, we provide an overview of the basic definitions and properties related to permutation groups and to invariant theory. We end this part with a description of the Pólya enumeration method, which allows to count objects under a group action.The second part is dedicated to introducing the domain this thesis comes withinthe scope of. It dwells on profiles of relational structures,and more specifically orbital profiles.If G is an infinite permutation group, its profile is the counting function which maps any n > 0 to the number of orbits of n-subsets, for the inducedaction of G on the finite subsets of elements.Cameron conjectured that the profile of G is asymptotically equivalent to a polynomial whenever it is bounded by apolynomial.Another, stronger conjecture was later made by Macpherson : it involves a certain structure of graded algebra on the orbits of subsetscreated by Cameron, the orbit algebra, and states that if the profile of G is bounded by a polynomial, then its orbit algebra is finitely generated.As a start in our study of this problem, we develop some examples and get our first hints towards a resolution by examining the block systems ofgroups with profile bounded by a polynomial --- that we call P-oligomorphic ---, as well as the notion of subdirect product.The third part is the proof of a classification of P-oligomorphic groups,with Macpherson's conjecture as a corollary.First, we study the combinatorics of the lattice of block systems,which leads to identifying one special, generalized such system, that consists of blocks of blocks with good properties.We then tackle the elementary case when there is only one such block of blocks, for which we establish a classification. The proof borrows to the subdirect product concept to handle synchronizations within the group, and relied on an experimental approach on computer to first conjecture the classification.In the general case, we evidence the structure of a semi-direct product involving the minimal normal subgroup of finite index and some finite group.This allows to formalize a classification of all P-oligomorphic groups, the main result of this thesis, and to deduce the form of the orbit algebra: (little more than) an explicit algebra of invariants of a finite group. This implies the conjectures of Macpherson and Cameron, and a deep understanding of these groups.The appendix provides parts of the code that was used, and a glimpse at that resulting from the classification afterwards,that allows to manipulate P-oligomorphic groups by apropriate algorithmics. Last, we include our earlier (weaker) proof of the conjectures.Les travaux présentés dans cette thèse de doctorat relèvent de la combinatoire algébrique et de la théorie des groupes. Précisément, ils apportent une contribution au domaine de recherche qui étudie le comportement des profils des groupes oligomorphes.La première partie de ce manuscrit introduit la plupart des outils qui nous seront nécessaires, à commencer par des éléments de combinatoire et combinatoire algébrique.Nous présentons les fonctions de comptage à travers quelques exemples classiques, et nous motivons l'addition d'une structure d'algèbre graduée sur les objets énumérés dans le but d'étudier ces fonctions.Nous évoquons aussi les notions d'ordre et de treillis.Dans un second temps, nous donnons un aperçu des définitions et propriétés de base associées aux groupes de permutations, ainsi que quelques résultats de théorie des invariants. Nous terminons cette partie par une description de la méthode d'énumération de Pólya, qui permet de compter des objets sous une action de groupe.La deuxième partie est consacrée à l'introduction du domaine dans lequel s'inscrit cette thèse, celui de l'étude des profils de structures relationnelles, et en particulier des profils orbitaux. Si G est un groupe de permutations infini, son profil est la fonction de comptage qui envoie chaque entier n > 0 sur le nombre d'orbites de n-sous-ensembles, pour l'action induite de G sur les sous-ensembles finis d'éléments.Cameron a conjecturé que le profil de G est équivalent à un polynôme dès lors qu'il est borné par un polynôme. Une autre conjecture, plus forte, a été plus tard émise par Macpherson : elle implique une certaine structure d'algèbre graduée sur les orbites de sous-ensembles, créée par Cameron et baptisée algèbre des orbites, soutenant que si le profil est borné par un polynôme, alors l'algèbre des orbites est de type fini.Comme amorce de notre étude de ce problème, nous développons quelques exemples et faisons nos premiers pas vers une résolution en examinant les systèmes de blocs des groupes de profil borné par un polynôme --- que nous appelons P-oligomorphes ---,ainsi que la notion de sous-produit direct.La troisième partie démontre une classification des groupes P-oligomorphes, notre résultat le plus important et dont la conjecture de Macpherson se révèle un corollaire.Tout d'abord, nous étudions la combinatoire du treillis des systèmes de blocs,qui conduit à l'identification d'un système généralisé particulier, constituébde blocs ayant de bonnes propriétés. Nous abordons ensuite le cas particulier o`u il se limite à un seul bloc de blocs, pour lequel nous établissons une classification. La preuve emprunte à la notion de sous-produit direct pour gérer les synchronisations internes au groupe, et a requis une part d'exploration informatique afin d'être d'abord conjecturée.Dans le cas général, nous nous appuyons sur les résultats précédents et mettons en évidence la structure de G comme produit semi-direct impliquant son sous-groupe normal d'indice fini minimal et un groupe fini. Ceci permet de formaliser une classification complète des groupes P-oligomorphes,et d'en déduire la forme de l'algèbre des orbites : (à peu de choses près) une algèbre d'invariants explicite d'un groupe fini. Les conjectures de Macpherson et de Cameron en découlent, et plus généralement une compréhension exhaustive de ces groupes.L'annexe contient des extraits du code utilisé pour mener la preuve à bien,ainsi qu'un aperçu de celui qui a été produit en s'appuyant sur la nouvelle classification, qui permet de manipuler les groupes P-oligomorphes en usant d'une algorithmique adaptée. Enfin, nous joignons ici notre première preuve, plus faible, des deux conjectures