Comportement asymptotique de processus avec sauts et applications pour des modèles avec branchement

Asymptotic behavior of jump processes and applications for branching models

• Auteur / Autrice : Bertrand Cloez
• Direction : Djalil Chafaï
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques
• Date : Soutenance le 14/06/2013
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et de Mathématiques Appliquées
• Jury : Président / Présidente : Jean François Delmas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Djalil Chafaï, Vincent Bansaye, Martin Hairer, Arnaud Guillin, Florent Malrieu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michel Benaïm, Andreas Eberle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Équations aux dérivées partielles

Ricci, Flot de

Markov, Processus de

Théorie ergodique

Mots clés libres

Distance et courbure de Wasserstein

Ergodicité géometrique

Processus à valeurs mesures

H−transformée de Doob

Wasserstein distance and Wasserstein curvature

Exponential convergence

Measure-valued processes

Doob h−transfom

Résumé

L'objectif de ce travail est d'étudier le comportement en temps long d'un modèle de particules avec une interaction de type branchement. Plus précisément, les particules se déplacent indépendamment suivant une dynamique markovienne jusqu'au temps de branchement, où elles donnent naissance à de nouvelles particules dont la position dépend de celle de leur mère et de son nombre d'enfants. Dans la première partie de ce mémoire nous omettons le branchement et nous étudions le comportement d'une seule lignée. Celle-ci est modélisée via un processus de Markov qui peut admettre des sauts, des parties diffusives ou déterministes par morceaux. Nous quantifions la convergence de ce processus hybride à l'aide de la courbure de Wasserstein, aussi nommée courbure grossière de Ricci. Cette notion de courbure, introduite récemment par Joulin, Ollivier, et Sammer correspond mieux à l'étude des processus avec sauts. Nous établissons une expression du gradient du semigroupe des processus de Markov stochastiquement monotone, qui nous permet d'expliciter facilement leur courbure. D'autres bornes fines de convergence en distance de Wasserstein et en variation totale sont aussi établies. Dans le même contexte, nous démontrons qu'un processus de Markov, qui change de dynamique suivant un processus discret, converge rapidement vers un équilibre, lorsque la moyenne des courbures des dynamiques sous-jacentes est strictement positive. Dans la deuxième partie de ce mémoire, nous étudions le comportement de toute la population de particules. Celui-ci se déduit du comportement d'une seule lignée grâce à une formule many-to-one, c'est-à-dire un changement de mesure de type Girsanov. Via cette transformation, nous démontrons une loi des grands nombres et établissons une limite macroscopique, pour comparer nos résultats aux résultats déjà connus en théorie des équations aux dérivées partielles. Nos résultats sont appliqués sur divers modèles ayant des applications en biologie et en informatique. Parmi ces modèles, nous étudierons le comportement en temps long de la plus grande particule dans un modèle simple de population structurée en taille

The aim of this work is to study the long time behavior of a branching particle model. More precisely, the particles move independently from each other following a Markov dynamics until the branching event. When one of these events occurs, the particle produces some random number of individuals whose position depends on the position of its mother and her number of offspring. In the first part of this thesis, we only study one particle line and we ignore the branching mechanism. So we are interested by the study of a Markov process which can jump, diffuse or be piecewise deterministic. The long time behavior of these hybrid processes is described with the notion of Wasserstein or coarse Ricci curvature. This notion of curvature, introduced by Joulin, Ollivier and Sammer, is more appropriate for the study of processes with jumps. We establish an expression of the gradient of the Markov semigroup of stochastically monotone processes which gives the curvature of these processes. Others sharp bounds of convergence, in Wasserstein distance and total variation distance, are also established. In the same way, we prove that if a Markov process evolves according to one of finitely many underlying Markovian dynamics, with a choice of dynamics that changes at the jump times of a second Markov process, then it is exponentially ergodic, under the assumption that the mean of the curvature of the underlying dynamics is positive. In the second part of the work, we study all the population. Its behaviour can be deduced to the study of the first part using a Girsavov-type transform which is called a many-to-one formula. Using this relation, we establish a law of large numbers and a macroscopic limit, in order to compare our results to the well know results on deterministic setting. Several examples, based on biology and computer science problems, illustrate our results, including the study of the largest individual in a size-structured population model