Propagation in reaction-diffusion equations with fractional diffusion

Co-tutela Universitat Politècnica de Catalunya i Université Paul SabatierThis thesis focuses on the long time behaviour of solutions to Fisher-KPP reaction-diffusion equations involving fractional diffusion. This type of equation arises, for example, in spatial propagation or spreading of biological species (rats, insects,...). In population dynamics, the quantity under study stands for the density of the population. It is well-known that, under some specific assumptions, the solution tends to a stable state of the evolution problem, as time goes to infinity. In other words, the population invades the medium, which corresponds to the survival of the species, and we want to understand at which speed this invasion takes place. To answer this question, we set up a new method to study the speed of propagation when fractional diffusion is at stake and apply it on three different problems. Part I of the thesis is devoted to an analysis of the asymptotic location of the level sets of the solution to two different problems : Fisher-KPP models in periodic media and cooperative systems, both including fractional diffusion. On the first model, we prove that, under some assumptions on the periodic medium, the solution spreads exponentially fast in time and we find the precise exponent that appears in this exponential speed of propagation. We also carry out numerical simulations to investigate the dependence of the speed of propagation on the initial condition. On the second model, we prove that the speed of propagation is once again exponential in time, with an exponent depending on the smallest index of the fractional Laplacians at stake and on the reaction term. Part II of the thesis deals with a two dimensional environment, where reproduction of Fisher-KPP type and usual diffusion occur, except on a line of the plane, on which fractional diffusion takes place. The plane is referred to as 'the field' and the line to 'the road', as a reference to the biological situations we have in mind. Indeed, it has long been known that fast diffusion on roads can have a driving effect on the spread of epidemics. We prove that the speed of propagation is exponential in time on the road, whereas it depends linearly on time in the field. Contrary to the precise asymptotics obtained in Part I, for this model, we are not able to give a sharp location of the level sets on the road and in the field. The expansion shape of the level sets in the field is investigated through numerical simulations.Esta tesis se centra en el comportamiento en tiempos grandes de las soluciones de la ecuación de Fisher- KPP de reacción-difusión con difusión fraccionaria. Este tipo de ecuación surge, por ejemplo, en la propagación espacial o en la propagación de especies biológicas (ratas, insectos,...). En la dinámica de poblaciones, la cantidad que se estudia representa la densidad de la población. Es conocido que, bajo algunas hipótesis específicas, la solución tiende a un estado estable del problema de evolución, cuando el tiempo tiende a infinito. En otras palabras, la población invade el medio, lo que corresponde a la supervivencia de la especie, y nosotros queremos entender con qué velocidad se lleva a cabo esta invasión. Para responder a esta pregunta, hemos creado un nuevo método para estudiar la velocidad de propagación cuando se consideran difusiones fraccionarias, además hemos aplicado este método en tres problemas diferentes. La Parte I de la tesis está dedicada al análisis de la ubicación asintótica de los conjuntos de nivel de la solución de dos problemas diferentes: modelos de Fisher- KPP en medios periódicos y sistemas cooperativos, ambos consideran difusión fraccionaria. En el primer modelo, se prueba que, bajo ciertas hipótesis sobre el medio periódico, la solución se propaga exponencialmente rápido en el tiempo, además encontramos el exponente exacto que aparece en esta velocidad de propagación exponencial. También llevamos a cabo simulaciones numéricas para investigar la dependencia de la velocidad de propagación con la condición inicial. En el segundo modelo, se prueba que la velocidad de propagación es nuevamente exponencial en el tiempo, con un exponente que depende del índice más pequeño de los Laplacianos fraccionarios y también del término de reacción. La Parte II de la tesis ocurre en un entorno de dos dimensiones, donde se reproduce un tipo ecuación de Fisher- KPP con difusión estándar, excepto en una línea del plano, en el que la difusión fraccionada aparece. El plano será llamado "campo" y la línea "camino", como una referencia a las situaciones biológicas que tenemos en mente. De hecho, desde hace tiempo se sabe que la difusión rápida en los caminos puede causar un efecto en la propagación de epidemias. Probamos que la velocidad de propagación es exponencial en el tiempo en el camino, mientras que depende linealmente del tiempo en el campo. Contrariamente a los precisos exponentes obtenidos en la Parte I, para este modelo, no fuimos capaces de dar una localización exacta de los conjuntos de nivel en la carretera y en el campo. La forma de propagación de los conjuntos de nivel en el campo se investiga a través de simulaciones numéricasPostprint (published version

Propagation in reaction-diffusion equations with fractional diffusion

This thesis focuses on the long time behaviour of solutions to Fisher-KPP reaction-diffusion equations involving fractional diffusion. This type of equation arises, for example, in spatial propagation or spreading of biological species (rats, insects,...). In population dynamics, the quantity under study stands for the density of the population. It is well-known that, under some specific assumptions, the solution tends to a stable state of the evolution problem, as time goes to infinity. In other words, the population invades the medium, which corresponds to the survival of the species, and we want to understand at which speed this invasion takes place. To answer this question, we set up a new method to study the speed of propagation when fractional diffusion is at stake and apply it on three different problems. Part I of the thesis is devoted to an analysis of the asymptotic location of the level sets of the solution to two different problems : Fisher-KPP models in periodic media and cooperative systems, both including fractional diffusion. On the first model, we prove that, under some assumptions on the periodic medium, the solution spreads exponentially fast in time and we find the precise exponent that appears in this exponential speed of propagation. We also carry out numerical simulations to investigate the dependence of the speed of propagation on the initial condition. On the second model, we prove that the speed of propagation is once again exponential in time, with an exponent depending on the smallest index of the fractional Laplacians at stake and on the reaction term. Part II of the thesis deals with a two dimensional environment, where reproduction of Fisher-KPP type and usual diffusion occur, except on a line of the plane, on which fractional diffusion takes place. The plane is referred to as 'the field' and the line to 'the road', as a reference to the biological situations we have in mind. Indeed, it has long been known that fast diffusion on roads can have a driving effect on the spread of epidemics. We prove that the speed of propagation is exponential in time on the road, whereas it depends linearly on time in the field. Contrary to the precise asymptotics obtained in Part I, for this model, we are not able to give a sharp location of the level sets on the road and in the field. The expansion shape of the level sets in the field is investigated through numerical simulations.Esta tesis se centra en el comportamiento en tiempos grandes de las soluciones de la ecuación de Fisher- KPP de reacción-difusión con difusión fraccionaria. Este tipo de ecuación surge, por ejemplo, en la propagación espacial o en la propagación de especies biológicas (ratas, insectos,...). En la dinámica de poblaciones, la cantidad que se estudia representa la densidad de la población. Es conocido que, bajo algunas hipótesis específicas, la solución tiende a un estado estable del problema de evolución, cuando el tiempo tiende a infinito. En otras palabras, la población invade el medio, lo que corresponde a la supervivencia de la especie, y nosotros queremos entender con qué velocidad se lleva a cabo esta invasión. Para responder a esta pregunta, hemos creado un nuevo método para estudiar la velocidad de propagación cuando se consideran difusiones fraccionarias, además hemos aplicado este método en tres problemas diferentes. La Parte I de la tesis está dedicada al análisis de la ubicación asintótica de los conjuntos de nivel de la solución de dos problemas diferentes: modelos de Fisher- KPP en medios periódicos y sistemas cooperativos, ambos consideran difusión fraccionaria. En el primer modelo, se prueba que, bajo ciertas hipótesis sobre el medio periódico, la solución se propaga exponencialmente rápido en el tiempo, además encontramos el exponente exacto que aparece en esta velocidad de propagación exponencial. También llevamos a cabo simulaciones numéricas para investigar la dependencia de la velocidad de propagación con la condición inicial. En el segundo modelo, se prueba que la velocidad de propagación es nuevamente exponencial en el tiempo, con un exponente que depende del índice más pequeño de los Laplacianos fraccionarios y también del término de reacción. La Parte II de la tesis ocurre en un entorno de dos dimensiones, donde se reproduce un tipo ecuación de Fisher- KPP con difusión estándar, excepto en una línea del plano, en el que la difusión fraccionada aparece. El plano será llamado "campo" y la línea "camino", como una referencia a las situaciones biológicas que tenemos en mente. De hecho, desde hace tiempo se sabe que la difusión rápida en los caminos puede causar un efecto en la propagación de epidemias. Probamos que la velocidad de propagación es exponencial en el tiempo en el camino, mientras que depende linealmente del tiempo en el campo. Contrariamente a los precisos exponentes obtenidos en la Parte I, para este modelo, no fuimos capaces de dar una localización exacta de los conjuntos de nivel en la carretera y en el campo. La forma de propagación de los conjuntos de nivel en el campo se investiga a través de simulaciones numérica

Fast propagation in reaction-diffusion equations with fractional diffusion

Cette thèse est consacrée à l'étude du comportement en temps long, et plus précisément de phénomènes de propagation rapide, des équations de réaction-diffusion de type Kisher-KPP avec diffusion fractionnaire. Ces équations modélisent, par exemple, la propagation d'espèces biologiques. Sous certaines hypothèses, la population envahit le milieu et nous voulons comprendre à quelle vitesse cette invasion a lieu. Pour répondre à cette question, nous avons mis en place une nouvelle méthode et nous l'appliquons à différents modèles. Dans une première partie, nous étudions deux problèmes d'évolution comprenant une diffusion fractionnaire : un modèle de type Fisher-KPP en milieu périodique et un système coopératif. Dans les deux cas, nous montrons, sous certaines conditions, que la vitesse de propagation est exponentielle en temps, et nous donnons une expression précise de l'exposant de propagation. Nous menons des simulations numériques pour étudier la dépendance de cette vitesse de propagation en la donnée initiale. Dans une seconde partie, nous traitons un environnement bidimensionnel, dans lequel le terme de reproduction est de type Fisher-KPP et le terme diffusif est donné par un laplacien standard, excepté sur une ligne du plan où une diffusion fractionnaire intervient. Le plan est nommé "le champ" et la ligne "la route", en référence aux situations biologiques que nous voulons modéliser. Nous prouvons que la vitesse de propagation est exponentielle en temps sur la route, alors qu'elle dépend linéairement du temps dans le champ. La forme des lignes de niveau dans le champ est étudiée au travers de simulations numériques.This thesis focuses on the long time behaviour, and more precisely on fast propagation, in Fisher-KPP reaction diffusion equations involving fractional diffusion. This type of equation arises, for example, in spreading of biological species. Under some specific assumptions, the population invades the medium and we want to understand at which speed this invasion takes place when fractional diffusion is at stake. To answer this question, we set up a new method and apply it on different models. In a first part, we study two different problems, both including fractional diffusion : Fisher-KPP models in periodic media and cooperative systems. In both cases, we prove, under additional assumptions, that the solution spreads exponentially fast in time and we find the precise exponent of propagation. We also carry out numerical simulations to investigate the dependence of the speed of propagation on the initial condition. In a second part, we deal with a two dimensional environment, where reproduction of Fisher-KPP type and usual diffusion occur, except on a line of the plane, on which fractional diffusion takes place. The plane is referred to as "the field" and the line to "the road", as a reference to the biological situations we have in mind. We prove that the speed of propagation is exponential in time on the road, whereas it depends linearly on time in the field. The expansion shape of the level sets in the field is investigated through numerical simulations

Transition between linear and exponential propagation in Fischer-KPP type reaction-diffusion equations

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The effect of a line with nonlocal diffusion on Fisher-KPP propagation

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Propagation in Fisher-KPP type equations with fractional diffusion in periodic media

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L’Homme et son environnement : des lacs, des montagnes et des rivières

Ce recueil d'articles est destiné à saluer notre collègue André Marguet, qui a consacré une trentaine d'années de sa vie d'archéologue à l'étude et à la préservation des gisements immergés dans les lacs savoyards. Il regroupe deux douzaines de contributions originales qui abordent des questions variées liées à l'homme et à son environnement, entre lacs, montagnes et rivières. La diversité des sujets abordés témoigne des rencontres et des amitiés nouées par André et reflète assez bien ses thèmes de prédilection. Les textes rassemblés dans ce volume couvrent un vaste espace géographique au cœur de l'Europe occidentale, et s'éloignent ainsi largement des lacs alpins et jurassiens. Ils abordent un intervalle de temps étendu, de la Préhistoire récente jusqu'aux époques historiques, et donnent un bel aperçu de la diversité actuelle des objets, des questionnements et des méthodes de l'archéologie.Diese Sammlung ist ein Gruß an unseren Kollegen André Marguet, der an die 30 Jahre seiner archäologischen Tätigkeit der Erforschung und der Erhaltung der in den savoyischen Seen lagernden Fundstätten gewidmet hat. Die Sammlung umfasst zwei Dutzend Beiträge zu unterschiedlichen Themen, die den Menschen und seine Umwelt inmitten von Seen, Bergen und Flüssen betreffen. Die Vielfalt der Themen zeugt von Begegnungen und den Freundschaften, die André geknüpft hat, und gibt eine recht genaue Vorstellung von seinen Lieblingsthemen. Die Texte dieses Bandes decken ein weites Gebiet im Herzen Westeuropas und gehen auf diese Weise weit über die Seen der Alpen und des Jura hinaus. Sie betreffen einen langen Zeitraum, von der jüngeren Urgeschichte bis in die jüngeren geschichtlichen Epochen, und vermitteln ein Bild von der aktuellen Vielfalt der Artefakte, Fragestellungen und Methoden der Archäologie.This collection of articles is dedicated to our colleague André Marguet, who has spent some thirty years of his archaeological career dedicated to the study and preservation of the underwater sites in the lakes of Savoie. It brings together two dozen original papers that tackle various themes on man and his environment, including lakes, mountains and rivers. The variety of subjects attests the exchanges and friendships entered into by André and reflect his preferred subjects. The texts cover a vast geographic area of Western Europe, also straying far from the lakes of the Alps and Jura. They extend over a protracted period, from recent prehistory to the twentieth century, and offer a snapshot of the current state of affairs