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Modélisation de réseaux de régulation de gènes par processus déterministes par morceaux
6 pagesInternational audienceThe molecular evolution in a gene regulatory network is classically modeled by Markov jump processes. However, the direct simulation of such models is extremely time consuming. Indeed, even the simplest Markovian model, such as the production module of a single protein involves tens of variables and biochemical reactions and an equivalent number of parameters. We study the asymptotic behavior of multiscale sto- chastic gene networks using weak limits of Markov jump processes. The results allow us to propose new models with reduced execution times. In a new article, we have shown that, depending on the time and concentration scales of the system, the Markov jump processes could be approximated by piecewise deterministic processes. We give some applications of our results for simple gene networks (Cook's model and Lambda-phage model)
Modélisation de réactions chimiques dans les réseaux de gènes. Problème de convergence de processus markoviens vers un processus déterministe par morceaux.
Les processus de Markov à sauts permettent la modélisation des phénomènes stochastiques en biologie moléculaire. Néanmoins, il y a peu de résultats mathématiques sur la dynamique de ces processus. De plus, leur simulation sur ordinateur rencontre des difficultés dues au temps d'exécution. Nous présentons des résultats permettant de réduire la complexité de la dynamique stochastique. Ces méthodes utilisent des théorèmes limites probabilistes
Théorèmes limites pour les sommes de Birkhoff de fonctions d'intégrale nulle en théorie ergodique en mesure infinie
Ce travail est consacré à certaines classes de systèmes dynamiques ergodiques, munis d'une mesure invariante infinie, telles que des applications de l'intervalle avec un point fixe neutre ou des marches aléatoires. Le comportement asymptotique des sommes de Birkhoff d'observables d'intégrale non nulle est assez bien connu, pour peu que le système ait une certaine forme d'hyperbolicité. Une situation particulièrement intéressante est celle des tours au-dessus d'une application Gibbs-Markov. Nous cherchons dans ce contexte à étudier le cas d'observables d'intégrale nulle. Nous obtenons ainsi une forme de théorème central limite pour des systèmes dynamiques munis d'une mesure infinie. Après avoir introduit l'ensemble des notions nécessaires, nous adaptons des résultats de E. Csáki et A. Földes sur les marches aléatoires au cas des applications Gibbs-Markov. Les théorèmes d'indépendance asymptotique qui en découlent forment le cœur de cette thèse, et permettent de démontrer un théorème central limite généralisé. Quelques variations sur l'énoncé de ce théorème sont obtenues. Ensuite, nous abordons les processus en temps continu, tels que des semi-flots et des flots. Un premier travail consiste à étudier les propriété en temps grand du temps de premier retour et du temps local pour des extensions de systèmes dynamiques, ce qui se fait par des méthodes spectrales. Enfin, par réductions successives, nous pouvons obtenir une version du théorème central limite pour des flots périodiques, et en particulier le flot géodésique sur le fibré tangent unitaire de certaines variétés périodiques hyperboliques.This work is focused on some classes of ergodic dynamical systems endowed with an infinite invariant measure, such as transformations of the interval with a neutral fixed point or random walks. The asymptotic behavior of the Birkhoff sums of observables with a non-zero integral is well known, as long as the system shows some kind of hyperbolicity. The towers over a Gibbs-Markov map are especially interesting. In this context, we aim to study the case of observables whose integral is zero. We get the equivalent of a central limit theorem for some dynamical systems endowed with an infinite measure. After we introduce the necessary definitions, we adapt some results by E. Csáki and A. Földes on random walks to the case of Gibbs-Markov maps. We derive a theorem on the asymptotic independence of Birhoff sums, which is the core of this thesis, and from this point we work out a generalised central limit theorem. We also prove a few variations on this generalised central limit theorem. Then, we study dynamical systems in continuous time, such as semi-flows and flows. We first work on the asymptotic properties of the first return time and the local time for extensions of dynamical systems; this is done by spectral methods. Finally, step by step, we extend our generalised central limit theorem to cover some periodic flows, and in particular the geodesic flow on the unitary tangent bundle of some hyperbolic periodic manifolds.RENNES1-Bibl. électronique (352382106) / SudocSudocFranceF
Combinatoire Elliptique et Marches dans des CĂ´nes
J'expose dans ce document de synthèse mes travaux postérieurs au doctorat.Deux grands thèmes prédominent dans ces travaux. Le premier concerne les processus aléatoires (à la fois marches aléatoires et mouvement Brownien) dans des cônes, sous des aspects différents et complémentaires. Les processus dans des cônes forment en effet une classe singulière d'objets, de par leur large applicabilité en théorie des probabilités (marches aléatoires non collisionnantes, marches aléatoires dans des chambres de Weyl, valeurs propres de matrices aléatoires, processus de Galton-Watson multitype, etc.) et en dehors (combinatoire, théorie des représentations, finance, biologie des populations). On retrouvera d'ailleurs ce caractère transverse dans les méthodes utilisées. Le deuxième grand thème est issu de la mécanique statistique 2-dimensionnelle, et concerne des modèles intégrables (modèles de dimères, modèle d'Ising ou encore arbres et forêts couvrants). Ils appartiennent à la classe des modèles dits exactement solubles, ouvrant ainsi la voie à des formules exactes remarquables. Les fonctions spéciales --- en particulier les fonctions elliptiques --- joueront tout au long du manuscrit un rôle de premier plan.Le Chapitre 1 est préliminaire aux Chapitres 2-7. Nous y présentons les modèles combinatoire et probabiliste des marches à petits pas dans un quart de plan, et rappelons certaines des propriétés clé des fonctions elliptiques.Dans le Chapitre 2 intitulé "Fonctions elliptiques et expressions explicites", nous formulons notre apport au modèle combinatoire des marches dans le quart de plan par le biais de la théorie des fonctions elliptiques. Nous obtenons une formule unifiée (c'est-à -dire, pour tous les ensembles de sauts) pour la série génératrice de comptage. Appliquée au modèle de Gessel, elle fournit la première preuve humaine de la conjecture de Gessel.Dans le Chapitre 3 nous nous intéressons au problème de la nature des séries génératrices de comptage: peut-on classifier les modèles selon la classe de leur série génératrice, au regard des catégories algébriques, D-finies, non D-finies, et dans ce dernier cas éventuellement différentiellement algébriques ?Le Chapitre 4 se propose d'étudier deux extensions naturelles du modèle des marches à petits pas dans le quart de plan: les sauts d'amplitude arbitrairement grande et les marches spatialement inhomogènes. Le Chapitre 5 porte sur les temps de sortie de cônes de processus aléatoires (marches aléatoires et mouvement Brownien). Nous les aborderons de multiples façons, par des approches analytique et probabiliste; nous ferons aussi un détour par l'établissement d'estimées fines dans la théorie des fluctuations de marches aléatoires en dimension 1.C'est le concept des fonctions discrètes harmoniques qui est abordé dans le Chapitre 6. Nous obtenons à la fois des résultats quantitatifs (unicité de la fonction harmonique si le drift est nul, à titre d'exemple) et qualitatifs (expressions explicites). Par ailleurs notre méthode permet de mettre en exergue des liens entre la série génératrice des fonctions harmoniques, certaines représentations conformes et la notion d'invariants de Tutte.Le Chapitre 7 est indépendant des Chapitres 2-6, à cela près qu'on y utilise tout autant les fonctions elliptiques. Nous introduisons une famille à un paramètre (dépendant du module elliptique) de Laplaciens massiques Z-invariants définis sur les graphes isoradiaux. Nous démontrons une formule explicite pour leur inverse, la fonction de Green massique, qui a la propriété remarquable de ne dépendre que de la géométrie locale du graphe. Nous expliquons les conséquences de ce résultat pour le modèle de mécanique statistique des forêts couvrantes enracinées, en particulier la preuve d'une transition de phase d'ordre 2 avec le modèle des arbres couvrants critiques sur les graphes isoradiaux.Nous commençons chaque chapitre par un encadré bleu présentant les publications qu'il résume, et parsemons le document d'encadrés verts, pour autant de projets futurs
Exercices sur les temps locaux de semi-martingales continues et les excursions browniennes
Depuis le tout d\'ebut du XX si\`ecle, l'\'etude des processus
stochastiques est un domaine tr\`es actif de la recherche en math\'ematiques.
Parmi ces processus, le mouvement brownien --- dont l'\'etude math\'ematique a
\'et\'e initi\'ee d\`es 1900, avec la th\`ese de Bachelier, entre autres
travaux --- a jou\'e, et joue encore, un r\^ole primordial. Ceci peut
s'expliquer par le fait que le mouvement brownien est l'objet limite
quasi-universel qui appara\^it dans le th\'eor\`eme central limite, lorsqu'on
fait agir le temps. Depuis la fin de la seconde guerre mondiale et les travaux
d'It\^o, Meyer, Tanaka et bien d'autres, les temps locaux et les excursions
sont devenus des outils essentiels pour \'etudier ce processus.
Les exercices de ce volume ont \'et\'e \'elabor\'es, ann\'ee apr\`es ann\'ee,
par le second auteur, soit \`a la suite de lectures d'articles pr\'esentant,
parfois avec des m\'ethodes tr\`es diff\'erentes, telle ou telle propri\'et\'e
brownienne, soit simplement pour illustrer le contenu de son cours de DEA
(anciennement), de M2 aujourd'hui. Le premier auteur en a organis\'e la
synth\`ese, de fa\c{c}on \'economique et n\'eanmoins --- esp\'erons-le ---
tr\`es lisible. Les chapitres ont \'et\'e con\c{c}us pour cr\'eer un
aller-retour permanent entre les principaux r\'esultats du cours et les
exercices corrig\'es, afin que la compr\'ehension des uns renforce celle des
autres. C'est ainsi que de nombreuses solutions d'exercices donn\'ees ici
offrent un aper\c{c}u de la fa\c{c}on de prouver certains des th\'eor\`emes
rappel\'es plus haut.Comment: This note (in French) list some of the exercices that Marc Yor
illustrated his lectures with. Comments are very welcom
Marches quantiques ouvertes
Cette thèse est consacrée à l'étude de modèles stochastiques associés aux systèmes quantiques ouverts. Plus particulièrement, nous étudions les marches quantiques ouvertes qui sont les analogues quantiques des marches aléatoires classiques. La première partie consiste en une présentation générale des marches quantiques ouvertes. Nous présentons les outils mathématiques nécessaires afin d'étudier les systèmes quantiques ouverts, puis nous exposons les modèles discrets et continus des marches quantiques ouvertes. Ces marches sont respectivement régies par des canaux quantiques et des opérateurs de Lindblad. Les trajectoires quantiques associées sont quant à elles données par des chaînes de Markov et des équations différentielles stochastiques avec sauts. La première partie s'achève avec la présentation de quelques pistes de recherche qui sont le problème de Dirichlet pour les marches quantiques ouvertes et les théorèmes asymptotiques pour les mesures quantiques non destructives. La seconde partie rassemble les articles rédigés durant cette thèse. Ces articles traîtent les sujets associés à l'irréductibilité, à la dualité récurrence-transience, au théorème central limite et au principe de grandes déviations pour les marches quantiques ouvertes à temps continu.This thesis is devoted to the study of stochastic models derived from open quantum systems. In particular, this work deals with open quantum walks that are the quantum analogues of classical random walks. The first part consists in giving a general presentation of open quantum walks. The mathematical tools necessary to study open quan- tum systems are presented, then the discrete and continuous time models of open quantum walks are exposed. These walks are respectively governed by quantum channels and Lindblad operators. The associated quantum trajectories are given by Markov chains and stochastic differential equations with jumps. The first part concludes with discussions over some of the research topics such as the Dirichlet problem for open quantum walks and the asymptotic theorems for quantum non demolition measurements. The second part collects the articles written within the framework of this thesis. These papers deal with the topics associated to the irreducibility, the recurrence-transience duality, the central limit theorem and the large deviations principle for continuous time open quantum walks
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