Propagation rapide dans les équations de réaction-diffusion avec diffusion fractionnaire

Fast propagation in reaction-diffusion equations with fractional diffusion

• Auteur / Autrice : Anne-Charline Coulon Chalmin
• Direction : Jean-Michel Roquejoffre, Xavier Cabré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance en 2014
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Universitat politècnica de Catalunya - BarcelonaTech

Mots clés

Mots clés contrôlés

Laplacien

Équations de réaction-diffusion

Mots clés libres

Laplacien fractionnaire

Milieu périodique

Nonlinéarité de type Fisher KPP

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'étude du comportement en temps long, et plus précisément de phénomènes de propagation rapide, des équations de réaction-diffusion de type Kisher-KPP avec diffusion fractionnaire. Ces équations modélisent, par exemple, la propagation d'espèces biologiques. Sous certaines hypothèses, la population envahit le milieu et nous voulons comprendre à quelle vitesse cette invasion a lieu. Pour répondre à cette question, nous avons mis en place une nouvelle méthode et nous l'appliquons à différents modèles. Dans une première partie, nous étudions deux problèmes d'évolution comprenant une diffusion fractionnaire : un modèle de type Fisher-KPP en milieu périodique et un système coopératif. Dans les deux cas, nous montrons, sous certaines conditions, que la vitesse de propagation est exponentielle en temps, et nous donnons une expression précise de l'exposant de propagation. Nous menons des simulations numériques pour étudier la dépendance de cette vitesse de propagation en la donnée initiale. Dans une seconde partie, nous traitons un environnement bidimensionnel, dans lequel le terme de reproduction est de type Fisher-KPP et le terme diffusif est donné par un laplacien standard, excepté sur une ligne du plan où une diffusion fractionnaire intervient. Le plan est nommé "le champ" et la ligne "la route", en référence aux situations biologiques que nous voulons modéliser. Nous prouvons que la vitesse de propagation est exponentielle en temps sur la route, alors qu'elle dépend linéairement du temps dans le champ. La forme des lignes de niveau dans le champ est étudiée au travers de simulations numériques.

This thesis focuses on the long time behaviour, and more precisely on fast propagation, in Fisher-KPP reaction diffusion equations involving fractional diffusion. This type of equation arises, for example, in spreading of biological species. Under some specific assumptions, the population invades the medium and we want to understand at which speed this invasion takes place when fractional diffusion is at stake. To answer this question, we set up a new method and apply it on different models. In a first part, we study two different problems, both including fractional diffusion : Fisher-KPP models in periodic media and cooperative systems. In both cases, we prove, under additional assumptions, that the solution spreads exponentially fast in time and we find the precise exponent of propagation. We also carry out numerical simulations to investigate the dependence of the speed of propagation on the initial condition. In a second part, we deal with a two dimensional environment, where reproduction of Fisher-KPP type and usual diffusion occur, except on a line of the plane, on which fractional diffusion takes place. The plane is referred to as "the field" and the line to "the road", as a reference to the biological situations we have in mind. We prove that the speed of propagation is exponential in time on the road, whereas it depends linearly on time in the field. The expansion shape of the level sets in the field is investigated through numerical simulations.