Sesqui-type branching processes

We consider branching processes consisting of particles (individuals) of two types (type L and type S) in which only particles of type L have offspring, proving estimates for the survival probability and the (tail of) the distribution of the total number of particles. Such processes are in some sense closer to single- than to multi-type branching processes. Nonetheless, the second, barren, type complicates the analysis significantly. The results proved here (about point and survival probabilities) are a key ingredient in the analysis of bounded-size Achlioptas processes in a recent paper by the last two authors.Comment: 23 pages. References update

Intermittency in Branching Processes

We study the intermittency properties of two branching processes, one with a uniform and another with a singular splitting kernel. The asymptotic intermittency indices, as well as the leading corrections to the asymptotic linear regime are explicitly computed in an analytic framework. Both models are found to possess a monofractal spectrum with $\varphi_{q}=q-1$. Relations with previous results are discussed.Comment: 20 pages, UCLA93/TEP/2

Branching processes in random environment

In der folgenden Arbeit werden Eigenschaften von Verzweigungsprozessen in zufälliger Umgebung (engl. branching processes in random environment, kurz BPREs) untersucht. Das Modell geht auf Smith (1969) und Athreya (1971) zurück. Ein BPRE ist ein einfaches mathematisches Modell für die Entwicklung einer Population von apomiktischen (d.h. sich ungeschlechtlich fortpflanzenden) Individuen in diskreter Zeit, wobei die Umgebungsbedingungen einen Einfluß auf den Fortpflanzungserfolg der Individuen haben. Dabei wird angenommen, dass die Umgebungsbedingungen in den einzelnen Generationen zufällig sind, und zwar unabhängig und identisch verteilt von Generation zu Generation. Man denke z.B. an eine Population von Pflanzen mit einem einjährigen Zyklus, die in jedem Jahr anderen Witterungsbedingungen ausgesetzt sind, wobei angenommen wird, dass diese sich unabhängig und identisch verteilt ändern. In Kapitel 1 wird eines der wichtigsten Hilfsmittel zur Beschreibung von BPREs, die sogenannte zugehörige Irrfahrt, eingeführt und die Klassifizierung von BPREs beschrieben. In Kapitel 2 werden bekannte Resultate, insbesondere zu kritischen, schwach subkritischen und stark subkritischen Verzweigungsprozessen, wiederholt. In Kapitel 3 wird der sogenannte intermediär subkritische Fall behandelt. Mithilfe von funktionalen Grenzwertsätzen für bedingte Irrfahrten wird die genaue Asymptotik der Überlebenswahrscheinlichkeit des Prozesses, die bereits in Vatutin (2004) bewiesen wurde, unter etwas allgemeineren Voraussetzungen gezeigt. Anschließend wird untersucht, wie häufig der Prozess, bedingt auf Überleben, nur noch aus einem Individuum besteht. Im letzten Teil des Kapitels wird ein funktionaler Grenzwertsatz für die zugehörige Irrfahrt, bedingt aufs Überleben des Prozesses, gezeigt. Diese konvergiert, richtig skaliert, gegen einen Levy-Prozess, der darauf bedingt ist, sein Minimum am Ende anzunehmen. In Kapitel 4 werden große Abweichungen von BPREs untersucht. Die Ratenfunktion des BPRE wird sowohl für den Fall mindestens geometrisch schnell abfallender Tails, als auch für den Fall von Nachkommenverteilungen mit schweren Tails bestimmt. Wie sich herausstellt, hängt die Ratenfunktion von der Ratenfunktion der zugehörigen Irrfahrt, der exponentiellen Abfallrate der Überlebenswahrscheinlichkeit sowie, bei Nachkommenverteilungen mit schweren Tails, auch von den Tails derselben ab. In der Ratenfunktion spiegeln sich die wahrscheinlichsten Wege, um Ereignisse der großen Abweichungen zu realisieren, wider, was in Kapitel 4.3 beschrieben wird. In Kapitel 4.4 wird im speziellen Fall von Nachkommenverteilungen mit gebrochen-linearer Erzeugendenfunktion die Ratenfunktion für Ereignisse bestimmt, bei denen ein superkritischer BPRE überlebt, aber klein im Vergleich zum Erwartungswert bleibt. In Kapitel 4.5 werden die großen Abweichungen, bedingt auf die Umgebung untersucht (engl. quenched). In diesem Fall können unwahrscheinliche Ereignisse nur über den Verzweigungsmechanismus und nicht mehr über eine außergewöhnliche Umgebung realisiert werden. Zum Abschluss der Dissertation werden Verzweigungsprozesse in zufälliger Umgebung, bedingt auf Überle-ben, simuliert. Dazu wird eine Konstruktion nach Geiger (1999) angewendet. Diese erlaubt es, Galton-Watson Bäume in variierender Umgebung, bedingt auf Überleben, entlang einer Ahnenlinie zu konstruieren. Der Fall geometrischer Nachkommenverteilungen, auf den wir uns in Kapitel 5 beschränken, erlaubt die explizite Berechnung der benötigten Verteilungen. Als Anwendung des Grenzwertsatzes aus Kapitel 3.1 können nun intermediär subkritische Verzweigungsprozesse, bedingt auf Überleben, wie folgt simuliert werden: Zunächst wird die Umgebung zufällig bestimmt, und zwar als Irrfahrt, bedingt darauf ihr Minimum am Ende anzunehmen. Anschließend wird, der Geiger-Konstruktion folgend, ein Verzweigungsprozess in dieser Umgebung, bedingt auf Überleben, simuliert. Zum Abschluss wird in einem kurzen Ausblick auf aktuelle Forschung verwiesen. Im Anhang befinden sich einige technische Resultate

Identification of multitype branching processes

We solve the problem of constructing an asymptotic global confidence region for the means and the covariance matrices of the reproduction distributions involved in a supercritical multitype branching process. Our approach is based on a central limit theorem associated with a quadratic law of large numbers performed by the maximum likelihood or the multidimensional Lotka--Nagaev estimator of the reproduction law means. The extension of this approach to the least squares estimator of the mean matrix is also briefly discussed. On r\'{e}sout le probl\`{e}me de construction d'une r\'{e}gion de confiance asymptotique et globale pour les moyennes et les matrices de covariance des lois de reproduction d'un processus de branchement multitype et supercritique. Notre approche est bas\'{e}e sur un th\'{e}or\`{e}me de limite centrale associ\'{e} \`{a} une loi forte quadratique v\'{e}rifi\'{e}e par l'estimateur du maximum de vraisemblance ou l'estimateur multidimensionnel de Lotka--Nagaev des moyennes des lois de reproduction. L'extension de cette approche \`{a} l'estimateur des moindres carr\'{e}s de la matrice des moyennes est aussi bri\`{e}vement comment\'{e}e.Comment: Published at http://dx.doi.org/10.1214/009053605000000561 in the Annals of Statistics (http://www.imstat.org/aos/) by the Institute of Mathematical Statistics (http://www.imstat.org

Branching processes, the max-plus algebra and network calculus

Branching processes can describe the dynamics of various queueing systems, peer-to-peer systems, delay tolerant networks, etc. In this paper we study the basic stochastic recursion of multitype branching processes, but in two non-standard contexts. First, we consider this recursion in the max-plus algebra where branching corresponds to finding the maximal offspring of the current generation. Secondly, we consider network-calculus-type deterministic bounds as introduced by Cruz, which we extend to handle branching-type processes. The paper provides both qualitative and quantitative results and introduces various applications of (max-plus) branching processes in queueing theory