Équation de réaction-diffusion en milieux hétérogènes : persistence, propagation et effet de la géométrie

par Juliette Bouhours

Thèse de doctorat en Mathématiques

Sous la direction de Henri Berestycki.

Le jury était composé de Emmanuel Grenier, Lenya Ryzhik, Fabrice Bethuel, Vincent Calvez, Grégoire Nadin, Jean-Michel Roquejoffre, Sylvia Serfaty.


  • Résumé

    Dans cette thèse nous nous intéressons aux équations de réaction-diffusion et à leurs applications en sciences biologiques et médicales. Plus particulièrement on étudie l'existence ou la non-existence de phénomènes de propagation en milieux hétérogènes à travers l'existence d'ondes progressives ou plus généralement l'existence de fronts de transition généralisés. On obtient des résultats d'existence de phénomènes de propagation dans trois environnements différents. Dans un premier temps on étudie une équation de réaction-diffusion de type bistable dans un domaine extérieur. Cette équation modélise l'évolution de la densité d'une population soumise à un effet Allee fort dont le déplacement suit un processus de diffusion dans un environnement contenant un obstacle. On montre que lorsque l'obstacle satisfait certaines conditions de régularité et se rapproche d'un domaine étoilé ou directionnellement convexe alors la population envahit tout l'espace. On se questionne aussi sur les conditions optimales de régularité qui garantissent une invasion complète de la population. Dans un deuxième travail, nous considérons une équation de réaction-diffusion avec vitesse forcée, modélisant l'évolution de la densité d'une population quelconque qui se diffuse dans l'espace, soumise à un changement climatique défavorable. On montre que selon la vitesse du changement climatique la population s'adapte ou s'éteint. On montre aussi que la densité de population converge en temps long vers une onde progressive et donc se propage (si elle survit) selon un profile constant et à vitesse constante. Dans un second temps on étudie une équation de réaction-diffusion de type bistable dans des domaines cylindriques variés. Ces équations modélisent l'évolution d'une onde de dépolarisation dans le cerveau humain. On montre que l'onde est bloquée lorsque le domaine passe d'un cylindre très étroit à un cylindre de diamètre d'ordre 1 et on donne des conditions géométriques plus générales qui garantissent une propagation complète de l'onde dans le domaine. On étudie aussi ce problème d'un point de vue numérique et on montre que pour les cylindres courbés la courbure peut provoquer un blocage de l'onde pour certaines conditions aux bords.

  • Titre traduit

    Reaction diffusion equation in heterogeneous media : persistance, propagation and effect of the geometry


  • Résumé

    In this thesis we are interested in reaction diffusion equations and their applications in biology and medical sciences. In particular we study the existence or non-existence of propagation phenomena in non homogeneous media through the existence of traveling waves or more generally the existence of transition fronts.First we study a bistable reaction diffusion equation in exterior domain modelling the evolution of the density of a population facing an obstacle. We prove that when the obstacle satisfies some regularity properties and is close to a star shaped or directionally convex domain then the population invades the entire domain. We also investigate the optimal regularity conditions that allow a complete invasion of the population. In a second work, we look at a reaction diffusion equation with forced speed, modelling the evolution of the density of a population facing an unfavourable climate change. We prove that depending on the speed of the climate change the population keeps track with the climate change or goes extinct. We also prove that the population, when it survives, propagates with a constant profile at a constant speed at large time. Lastly we consider a bistable reaction diffusion equation in various cylindrical domains, modelling the evolution of a depolarisation wave in the brain. We prove that this wave is blocked when the domain goes from a thin channel to a cylinder, whose diameter is of order 1 and we give general conditions on the geometry of the domain that allow propagation. We also study this problem numerically and prove that for curved cylinders the curvature can block the wave for particular boundary conditions.


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