Reaction-diffusion equations and dynamics of population facing a climate change

par Hoang Hung Vo

Thèse de doctorat en Mathématiques Appliquées

Sous la direction de Henri Berestycki.

Le jury était composé de Jesus Ildefonso Diaz, François Hamel, Danielle Hilhorst, Grégoire Nadin, Benoît Perthame, Juncheng Wei.

  • Titre traduit

    Équations de réaction-diffusion et dynamique de populations face à un changement climatique


  • Résumé

    Cette thèse traite de différents modèles issus de l'étude de la dynamique des populations devant faire face à un changement climatique. Notre but est d’atteindre deux objectifs ; le premier est d'étendre les travaux initiaux de Berestycki, Diekmann, Nagelkerke, Zegeling [5], ainsi que leurs développements ultérieurs (Berestycki et Rossi [18, 19]) ; le second est de dévoiler les aspects mathématiques profonds de ce modèle, en considérant de nouveaux problèmes, faisant intervenir une diffusion non-locale et non-linéaire. Le Chapitre 1 traite du cas d’un domaine cylindrique infini, dans l'espace entier, lorsque le terme de réaction est indépendant (resp. périodiquement dépendant) du temps. La nouveauté de ce travail est d’exprimer une condition globale dans le cadre de la théorie spectrale, afin de pouvoir supposer que l'environnement de la population est globalement défavorable à l'infini (au lieu de ponctuellement défavorable au voisinage de l'infini) comme dans [5, 18, 19]. Nous poursuivons l’étude de la concentration des espèces dans le domaine cylindrique lorsque le domaine extérieur est rendu extrêmement défavorable. Dans le Chapitre 2, nous nous concentrons sur les hypothèses permettant d’établir l'existence (vs l'inexistence) et l'unicité de la solution positive de l'équation elliptique semi-linéaire complète. Lorsque la divergence du terme de dérive est nulle, l'existence d'une solution positive peut être caractérisée à partir de l'amplitude du terme de dérive (sous des hypothèses adéquates de vitesse d’accroissement). L’étude du comportement pour des temps longs de l'équation parabolique nous amène à traiter le cas de coefficients éventuellement non bornés. Le Chapitre 3 étend les critères d'existence, d'inexistence et d'unicité explicités dans le deuxième chapitre aux équations quasi-linéaires impliquant un opérateur p-Laplacien. La principale difficulté rencontrée est que le principe du maximum fort semble difficile à appliquer ; nous devons alors utiliser une approche variationnelle pour obtenir un important principe de comparaison. Dans le Chapitre 4, nous étudions trois notions de valeurs propres principales généralisées pour les opérateurs non locaux sur des domaines bornés et non bornés (éventuellement ). Si le noyau est à support compact, nous pouvons également démontrer l'équivalence de ces valeurs propres sur domaine non borné. Nous étudions les limites des valeurs propres de l'opérateur de mise à l'échelle induit par la diffusion. Les résultats sont très dépendants du taux de mise à l'échelle. Dans le Chapitre 5, à la lumière des résultats obtenus dans le Chapitre 4, nous considérons l'équation d'évolution non locale et démontrons que la solution de l'équation d'évolution converge vers l’unique solution stationnaire, dont l'existence est directement conditionnée par le signe de la valeur propre principale généralisée. Cette convergence a lieu dans L1 (RN) et Lp (RN), p> 0. Dans la deuxième partie de ce chapitre, nous examinons les limites singulières de l'unique solution positive des équations de remise à l’échelle. Nous montrons que l'unique solution de l'équation non locale approche – soit l'unique solution de l'équation locale de type KPP, soit une solution (qui peut ne pas être unique) de l’équation de réaction.


  • Résumé

    The thesis is concerned with various models arising from the study of the dynamics of the population facing a climate change. We aim at achieving two following goals: The first one is to extend original work of Berestycki, Diekmann, Nagelkerke, Zegeling [5] and later developments of Berestycki and Rossi [18,19] the second one is to investigate the deeper mathematical aspects of this model and deal with the new problems where nonlocal and nonlinear diffusion are considered. The Chapter 1 deals with the problem in an infinite cylindrical domain and in the whole space where the reaction term is (resp.) independent or periodically dependent on time. The novelty of this work is that we consider a global condition in term of the spectral theory to assume that the environment of the population is globally unfavorable at infinity instead of pointwise unfavorable near infinity as in [5,18,19]. We further study the concentration of the species in the cylindrical domain when the exterior domain is changed to be extremely unfavorable. In the Chapter 2, we focus on conditioning the a sharp criterion for the existence, nonexistence and uniqueness of positive solution of fully semilinear elliptic equation. When the divergence of the drift term is zero, the existence of positive solution can be characterized by the amplitude of the drift term under some fair assumptions on the growth rate. The large time behavior of associated parabolic equation is considered, where we have to deal with the case of possibly unbounded coefficients. The Chapter 3 extends the existence, nonexistence and uniqueness in the second chapter for a quasilinear equation involving p-laplacian operator. The main difficulty is that it seems hard to apply the strong maximum principle and thus we make use a variational approach to attain an important comparison principle. In Chapter 4, we investigate three notion of generalized principal eigenvalues for nonlocal operators in bounded and unbounded domains (eventually $\R^N$). If the kernel is compactly supported, we can also prove the equivalence of these eigenvalues in unbounded domain. We consider the limits of the eigenvalues of the rescaling operator with respect to the diffusion. The results are very different depending on the rate of rescaling. In Chapter 5, by the help of the results in Chapter 4, we consider the nonlocal evolution equation and prove that the solution of evolution equation converges to the unique stationary solution, whose existence is directly conditioned by the sign of the generalized principal eigenvalue. The convergences holds in $L^\infty(\R^N)$ and $L^p(\R^N)$, $p>0$. In the second part of this chapter, we further investigate the singular limits of the unique positive solution of the rescaling equations. We show that the unique solution of nonlocal equation either approximates the unique solution of local KPP type equation or approximates a solution of reaction-equation, which may not be unique.


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