Rumor processes in random environment on N and on Galton-Watson trees

The aim of this paper is to study rumor processes in random environment. In a rumor process a signal starts from the stations of a fixed vertex (the root) and travels on a graph from vertex to vertex. We consider two rumor processes. In the firework process each station, when reached by the signal, transmits it up to a random distance. In the reverse firework process, on the other hand, stations do not send any signal but they "listen" for it up to a random distance. The first random environment that we consider is the deterministic 1-dimensional tree N with a random number of stations on each vertex; in this case the root is the origin of N. We give conditions for the survival/extinction on almost every realization of the sequence of stations. Later on, we study the processes on Galton-Watson trees with random number of stations on each vertex. We show that if the probability of survival is positive, then there is survival on almost every realization of the infinite tree such that there is at least one station at the root. We characterize the survival of the process in some cases and we give sufficient conditions for survival/extinction.Comment: 28 page

Extinction in lower Hessenberg branching processes with countably many types

We consider a class of branching processes with countably many types which we refer to as Lower Hessenberg branching processes. These are multitype Galton-Watson processes with typeset $\mathcal{X}=\{0,1,2,\dots\}$, in which individuals of type $i$ may give birth to offspring of type $j\leq i+1$ only. For this class of processes, we study the set $S$ of fixed points of the progeny generating function. In particular, we highlight the existence of a continuum of fixed points whose minimum is the global extinction probability vector $\boldsymbol{q}$ and whose maximum is the partial extinction probability vector $\boldsymbol{\tilde{q}}$. In the case where $\boldsymbol{\tilde{q}}=\boldsymbol{1}$, we derive a global extinction criterion which holds under second moment conditions, and when $\boldsymbol{\tilde{q}}<\boldsymbol{1}$ we develop necessary and sufficient conditions for $\boldsymbol{q}=\boldsymbol{\tilde{q}}$

Random walks and branching processes in correlated Gaussian environment

We study persistence probabilities for random walks in correlated Gaussian random environment first studied by Oshanin, Rosso and Schehr. From the persistence results, we can deduce properties of critical branching processes with offspring sizes geometrically distributed with correlated random parameters. More precisely, we obtain estimates on the tail distribution of its total population size, of its maximum population, and of its extinction time

The effective strength of selection in random environment

We analyse a family of two-types Wright-Fisher models with selection in a random environment and skewed offspring distribution. We provide a calculable criterion to quantify the impact of different shapes of selection on the fate of the weakest allele, and thus compare them. The main mathematical tool is duality, which we prove to hold, also in presence of random environment (quenched and in some cases annealed), between the population's allele frequencies and genealogy, both in the case of finite population size and in the scaling limit for large size. Duality also yields new insight on properties of branching-coalescing processes in random environment, such as their long term behaviour.Comment: 36 pages; v2 corrects an error in the proof of Thm 3.

Rank-dependent Galton-Watson processes and their pathwise duals

We introduce a modified Galton-Watson process using the framework of an infinite system of particles labeled by $(x,t)$, where $x$ is the rank of the particle born at time $t$. The key assumption concerning the offspring numbers of different particles is that they are independent, but their distributions may depend on the particle label $(x,t)$. For the associated system of coupled monotone Markov chains, we address the issue of pathwise duality elucidated by a remarkable graphical representation, with the trajectories of the primary Markov chains and their duals coalescing together to form forest graphs on a two-dimensional grid

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