Asynchronous growth and competition in a two-sex age-structured population model

Asynchronous exponential growth has been extensively studied in population dynamics. In this paper we find out the asymptotic behaviour in a non-linear age-dependent model which takes into account sexual reproduction interactions. The main feature of our model is that the non-linear process converges to a linear one as the solution becomes large, so that the population undergoes asynchronous growth. The steady states analysis and the corresponding stability analysis are completely made and are summarized in a bifurcation diagram according to the parameter R0. Furthermore the effect of intraspecific competition is taken into account, leading to complex dynamics around steady states.

The average inter-crossing number of equilateral random walks and polygons

In this paper, we study the average inter-crossing number between two random walks and two random polygons in the three-dimensional space. The random walks and polygons in this paper are the so-called equilateral random walks and polygons in which each segment of the walk or polygon is of unit length. We show that the mean average inter-crossing number ICN between two equilateral random walks of the same length n is approximately linear in terms of n and we were able to determine the prefactor of the linear term, which is a = (3 In 2)/(8) approximate to 0.2599. In the case of two random polygons of length n, the mean average inter-crossing number ICN is also linear, but the prefactor of the linear term is different from that of the random walks. These approximations apply when the starting points of the random walks and polygons are of a distance p apart and p is small compared to n. We propose a fitting model that would capture the theoretical asymptotic behaviour of the mean average ICN for large values of p. Our simulation result shows that the model in fact works very well for the entire range of p. We also study the mean ICN between two equilateral random walks and polygons of different lengths. An interesting result is that even if one random walk (polygon) has a fixed length, the mean average ICN between the two random walks (polygons) would still approach infinity if the length of the other random walk (polygon) approached infinity. The data provided by our simulations match our theoretical predictions very well.

A generalization of histogram type estimators

We introduce simple nonparametric density estimators that generalize theclassical histogram and frequency polygon. The new estimators are expressed as linear combination of density functions that are piecewisepolynomials, where the coefficients are optimally chosen in order to minimize the integrated square error of the estimator. We establish the asymptotic behaviour of the proposed estimators, and study theirperformance in a simulation study.

Power variation of some integral fractional processes

We consider the asymptotic behaviour of the realized power variation of processes of the form ¿t0usdBHs, where BH is a fractional Brownian motion with Hurst parameter H E(0,1), and u is a process with finite q-variation, q<1/(1¿H). We establish the stable convergence of the corresponding fluctuations. These results provide new statistical tools to study and detect the long-memory effect and the Hurst parameter.

Integral cohomology of finite postnikov towers

Depuis le séminaire H. Cartan de 1954-55, il est bien connu que l'on peut trouver des éléments de torsion arbitrairement grande dans l'homologie entière des espaces d'Eilenberg-MacLane K(G,n) où G est un groupe abélien non trivial et n>1. L'objectif majeur de ce travail est d'étendre ce résultat à des H-espaces possédant plus d'un groupe d'homotopie non trivial. Dans le but de contrôler précisément le résultat de H. Cartan, on commence par étudier la dualité entre l'homologie et la cohomologie des espaces d'Eilenberg-MacLane 2-locaux de type fini. On parvient ainsi à raffiner quelques résultats qui découlent des calculs de H. Cartan. Le résultat principal de ce travail peut être formulé comme suit. Soit X un H-espace ne possédant que deux groupes d'homotopie non triviaux, tous deux finis et de 2-torsion. Alors X n'admet pas d'exposant pour son groupe gradué d'homologie entière réduite. On construit une large classe d'espaces pour laquelle ce résultat n'est qu'une conséquence d'une caractéristique topologique, à savoir l'existence d'un rétract faible X K(G,n) pour un certain groupe abélien G et n>1. On généralise également notre résultat principal à des espaces plus compliqués en utilisant la suite spectrale d'Eilenberg-Moore ainsi que des méthodes analytiques faisant apparaître les nombres de Betti et leur comportement asymptotique. Finalement, on conjecture que les espaces qui ne possédent qu'un nombre fini de groupes d'homotopie non triviaux n'admettent pas d'exposant homologique. Ce travail contient par ailleurs la présentation de la « machine d'Eilenberg-MacLane », un programme C++ conçu pour calculer explicitement les groupes d'homologie entière des espaces d'Eilenberg-MacLane. <br/><br/>By the work of H. Cartan, it is well known that one can find elements of arbitrarilly high torsion in the integral (co)homology groups of an Eilenberg-MacLane space K(G,n), where G is a non-trivial abelian group and n>1. The main goal of this work is to extend this result to H-spaces having more than one non-trivial homotopy groups. In order to have an accurate hold on H. Cartan's result, we start by studying the duality between homology and cohomology of 2-local Eilenberg-MacLane spaces of finite type. This leads us to some improvements of H. Cartan's methods in this particular case. Our main result can be stated as follows. Let X be an H-space with two non-vanishing finite 2-torsion homotopy groups. Then X does not admit any exponent for its reduced integral graded (co)homology group. We construct a wide class of examples for which this result is a simple consequence of a topological feature, namely the existence of a weak retract X K(G,n) for some abelian group G and n>1. We also generalize our main result to more complicated stable two stage Postnikov systems, using the Eilenberg-Moore spectral sequence and analytic methods involving Betti numbers and their asymptotic behaviour. Finally, we investigate some guesses on the non-existence of homology exponents for finite Postnikov towers. We conjecture that Postnikov pieces do not admit any (co)homology exponent. This work also includes the presentation of the "Eilenberg-MacLane machine", a C++ program designed to compute explicitely all integral homology groups of Eilenberg-MacLane spaces. <br/><br/>Il est toujours difficile pour un mathématicien de parler de son travail. La difficulté réside dans le fait que les objets qu'il étudie sont abstraits. On rencontre assez rarement un espace vectoriel, une catégorie abélienne ou une transformée de Laplace au coin de la rue ! Cependant, même si les objets mathématiques sont difficiles à cerner pour un non-mathématicien, les méthodes pour les étudier sont essentiellement les mêmes que celles utilisées dans les autres disciplines scientifiques. On décortique les objets complexes en composantes plus simples à étudier. On dresse la liste des propriétés des objets mathématiques, puis on les classe en formant des familles d'objets partageant un caractère commun. On cherche des façons différentes, mais équivalentes, de formuler un problème. Etc. Mon travail concerne le domaine mathématique de la topologie algébrique. Le but ultime de cette discipline est de parvenir à classifier tous les espaces topologiques en faisant usage de l'algèbre. Cette activité est comparable à celle d'un ornithologue (topologue) qui étudierait les oiseaux (les espaces topologiques) par exemple à l'aide de jumelles (l'algèbre). S'il voit un oiseau de petite taille, arboricole, chanteur et bâtisseur de nids, pourvu de pattes à quatre doigts, dont trois en avant et un, muni d'une forte griffe, en arrière, alors il en déduira à coup sûr que c'est un passereau. Il lui restera encore à déterminer si c'est un moineau, un merle ou un rossignol. Considérons ci-dessous quelques exemples d'espaces topologiques: a) un cube creux, b) une sphère et c) un tore creux (c.-à-d. une chambre à air). a) b) c) Si toute personne normalement constituée perçoit ici trois figures différentes, le topologue, lui, n'en voit que deux ! De son point de vue, le cube et la sphère ne sont pas différents puisque ils sont homéomorphes: on peut transformer l'un en l'autre de façon continue (il suffirait de souffler dans le cube pour obtenir la sphère). Par contre, la sphère et le tore ne sont pas homéomorphes: triturez la sphère de toutes les façons (sans la déchirer), jamais vous n'obtiendrez le tore. Il existe un infinité d'espaces topologiques et, contrairement à ce que l'on serait naïvement tenté de croire, déterminer si deux d'entre eux sont homéomorphes est très difficile en général. Pour essayer de résoudre ce problème, les topologues ont eu l'idée de faire intervenir l'algèbre dans leurs raisonnements. Ce fut la naissance de la théorie de l'homotopie. Il s'agit, suivant une recette bien particulière, d'associer à tout espace topologique une infinité de ce que les algébristes appellent des groupes. Les groupes ainsi obtenus sont appelés groupes d'homotopie de l'espace topologique. Les mathématiciens ont commencé par montrer que deux espaces topologiques qui sont homéomorphes (par exemple le cube et la sphère) ont les même groupes d'homotopie. On parle alors d'invariants (les groupes d'homotopie sont bien invariants relativement à des espaces topologiques qui sont homéomorphes). Par conséquent, deux espaces topologiques qui n'ont pas les mêmes groupes d'homotopie ne peuvent en aucun cas être homéomorphes. C'est là un excellent moyen de classer les espaces topologiques (pensez à l'ornithologue qui observe les pattes des oiseaux pour déterminer s'il a affaire à un passereau ou non). Mon travail porte sur les espaces topologiques qui n'ont qu'un nombre fini de groupes d'homotopie non nuls. De tels espaces sont appelés des tours de Postnikov finies. On y étudie leurs groupes de cohomologie entière, une autre famille d'invariants, à l'instar des groupes d'homotopie. On mesure d'une certaine manière la taille d'un groupe de cohomologie à l'aide de la notion d'exposant; ainsi, un groupe de cohomologie possédant un exposant est relativement petit. L'un des résultats principaux de ce travail porte sur une étude de la taille des groupes de cohomologie des tours de Postnikov finies. Il s'agit du théorème suivant: un H-espace topologique 1-connexe 2-local et de type fini qui ne possède qu'un ou deux groupes d'homotopie non nuls n'a pas d'exposant pour son groupe gradué de cohomologie entière réduite. S'il fallait interpréter qualitativement ce résultat, on pourrait dire que plus un espace est petit du point de vue de la cohomologie (c.-à-d. s'il possède un exposant cohomologique), plus il est intéressant du point de vue de l'homotopie (c.-à-d. il aura plus de deux groupes d'homotopie non nuls). Il ressort de mon travail que de tels espaces sont très intéressants dans le sens où ils peuvent avoir une infinité de groupes d'homotopie non nuls. Jean-Pierre Serre, médaillé Fields en 1954, a montré que toutes les sphères de dimension >1 ont une infinité de groupes d'homotopie non nuls. Des espaces avec un exposant cohomologique aux sphères, il n'y a qu'un pas à franchir...

Efficient Optimization Algorithms for Nonlinear Data Analysis

Identification of low-dimensional structures and main sources of variation from multivariate data are fundamental tasks in data analysis. Many methods aimed at these tasks involve solution of an optimization problem. Thus, the objective of this thesis is to develop computationally efficient and theoretically justified methods for solving such problems. Most of the thesis is based on a statistical model, where ridges of the density estimated from the data are considered as relevant features. Finding ridges, that are generalized maxima, necessitates development of advanced optimization methods. An efficient and convergent trust region Newton method for projecting a point onto a ridge of the underlying density is developed for this purpose. The method is utilized in a differential equation-based approach for tracing ridges and computing projection coordinates along them. The density estimation is done nonparametrically by using Gaussian kernels. This allows application of ridge-based methods with only mild assumptions on the underlying structure of the data. The statistical model and the ridge finding methods are adapted to two different applications. The first one is extraction of curvilinear structures from noisy data mixed with background clutter. The second one is a novel nonlinear generalization of principal component analysis (PCA) and its extension to time series data. The methods have a wide range of potential applications, where most of the earlier approaches are inadequate. Examples include identification of faults from seismic data and identification of filaments from cosmological data. Applicability of the nonlinear PCA to climate analysis and reconstruction of periodic patterns from noisy time series data are also demonstrated. Other contributions of the thesis include development of an efficient semidefinite optimization method for embedding graphs into the Euclidean space. The method produces structure-preserving embeddings that maximize interpoint distances. It is primarily developed for dimensionality reduction, but has also potential applications in graph theory and various areas of physics, chemistry and engineering. Asymptotic behaviour of ridges and maxima of Gaussian kernel densities is also investigated when the kernel bandwidth approaches infinity. The results are applied to the nonlinear PCA and to finding significant maxima of such densities, which is a typical problem in visual object tracking.

Théorème de Pleijel pour l'oscillateur harmonique quantique

L'objectif de ce mémoire est de démontrer certaines propriétés géométriques des fonctions propres de l'oscillateur harmonique quantique. Nous étudierons les domaines nodaux, c'est-à-dire les composantes connexes du complément de l'ensemble nodal. Supposons que les valeurs propres ont été ordonnées en ordre croissant. Selon un théorème fondamental dû à Courant, une fonction propre associée à la $n$-ième valeur propre ne peut avoir plus de $n$ domaines nodaux. Ce résultat a été prouvé initialement pour le laplacien de Dirichlet sur un domaine borné mais il est aussi vrai pour l'oscillateur harmonique quantique isotrope. Le théorème a été amélioré par Pleijel en 1956 pour le laplacien de Dirichlet. En effet, on peut donner un résultat asymptotique plus fort pour le nombre de domaines nodaux lorsque les valeurs propres tendent vers l'infini. Dans ce mémoire, nous prouvons un résultat du même type pour l'oscillateur harmonique quantique isotrope. Pour ce faire, nous utiliserons une combinaison d'outils classiques de la géométrie spectrale (dont certains ont été utilisés dans la preuve originale de Pleijel) et de plusieurs nouvelles idées, notamment l'application de certaines techniques tirées de la géométrie algébrique et l'étude des domaines nodaux non-bornés.

Studies on the universal parameters and onset of chaos in dissipative systems

It has become clear over the last few years that many deterministic dynamical systems described by simple but nonlinear equations with only a few variables can behave in an irregular or random fashion. This phenomenon, commonly called deterministic chaos, is essentially due to the fact that we cannot deal with infinitely precise numbers. In these systems trajectories emerging from nearby initial conditions diverge exponentially as time evolves)and therefore)any small error in the initial measurement spreads with time considerably, leading to unpredictable and chaotic behaviour The thesis work is mainly centered on the asymptotic behaviour of nonlinear and nonintegrable dissipative dynamical systems. It is found that completely deterministic nonlinear differential equations describing such systems can exhibit random or chaotic behaviour. Theoretical studies on this chaotic behaviour can enhance our understanding of various phenomena such as turbulence, nonlinear electronic circuits, erratic behaviour of heart and brain, fundamental molecular reactions involving DNA, meteorological phenomena, fluctuations in the cost of materials and so on. Chaos is studied mainly under two different approaches - the nature of the onset of chaos and the statistical description of the chaotic state.

Künstliche Randbedingungen und Algebraische Äquivalenzen in der Elastizitätstheorie

In dieser Arbeit werden zwei Aspekte bei Randwertproblemen der linearen Elastizitätstheorie untersucht: die Approximation von Lösungen auf unbeschränkten Gebieten und die Änderung von Symmetrieklassen unter speziellen Transformationen. Ausgangspunkt der Dissertation ist das von Specovius-Neugebauer und Nazarov in "Artificial boundary conditions for Petrovsky systems of second order in exterior domains and in other domains of conical type"(Math. Meth. Appl. Sci, 2004; 27) eingeführte Verfahren zur Untersuchung von Petrovsky-Systemen zweiter Ordnung in Außenraumgebieten und Gebieten mit konischen Ausgängen mit Hilfe der Methode der künstlichen Randbedingungen. Dabei werden für die Ermittlung von Lösungen der Randwertprobleme die unbeschränkten Gebiete durch das Abschneiden mit einer Kugel beschränkt, und es wird eine künstliche Randbedingung konstruiert, um die Lösung des Problems möglichst gut zu approximieren. Das Verfahren wird dahingehend verändert, dass das abschneidende Gebiet ein Polyeder ist, da es für die Lösung des Approximationsproblems mit üblichen Finite-Element-Diskretisierungen von Vorteil sei, wenn das zu triangulierende Gebiet einen polygonalen Rand besitzt. Zu Beginn der Arbeit werden die wichtigsten funktionalanalytischen Begriffe und Ergebnisse der Theorie elliptischer Differentialoperatoren vorgestellt. Danach folgt der Hauptteil der Arbeit, der sich in drei Bereiche untergliedert. Als erstes wird für abschneidende Polyedergebiete eine formale Konstruktion der künstlichen Randbedingungen angegeben. Danach folgt der Nachweis der Existenz und Eindeutigkeit der Lösung des approximativen Randwertproblems auf dem abgeschnittenen Gebiet und im Anschluss wird eine Abschätzung für den resultierenden Abschneidefehler geliefert. An die theoretischen Ausführungen schließt sich die Betrachtung von Anwendungsbereiche an. Hier werden ebene Rissprobleme und Polarisationsmatrizen dreidimensionaler Außenraumprobleme der Elastizitätstheorie erläutert. Der letzte Abschnitt behandelt den zweiten Aspekt der Arbeit, den Bereich der Algebraischen Äquivalenzen. Hier geht es um die Transformation von Symmetrieklassen, um die Kenntnis der Fundamentallösung der Elastizitätsprobleme für transversalisotrope Medien auch für Medien zu nutzen, die nicht von transversalisotroper Struktur sind. Eine allgemeine Darstellung aller Klassen konnte hier nicht geliefert werden. Als Beispiel für das Vorgehen wird eine Klasse von orthotropen Medien im dreidimensionalen Fall angegeben, die sich auf den Fall der Transversalisotropie reduzieren lässt.

A comparison of two methods for developing the linearization of a shallow-water model

We develop the linearization of a semi-implicit semi-Lagrangian model of the one-dimensional shallow-water equations using two different methods. The usual tangent linear model, formed by linearizing the discrete nonlinear model, is compared with a model formed by first linearizing the continuous nonlinear equations and then discretizing. Both models are shown to perform equally well for finite perturbations. However, the asymptotic behaviour of the two models differs as the perturbation size is reduced. This leads to difficulties in showing that the models are correctly coded using the standard tests. To overcome this difficulty we propose a new method for testing linear models, which we demonstrate both theoretically and numerically. © Crown copyright, 2003. Royal Meteorological Society

On the principal eigenvalue of a Robin problem with a large parameter

We study the asymptotic behaviour of the principal eigenvalue of a Robin (or generalised Neumann) problem with a large parameter in the boundary condition for the Laplacian in a piecewise smooth domain. We show that the leading asymptotic term depends only on the singularities of the boundary of the domain, and give either explicit expressions or two-sided estimates for this term in a variety of situations.

Social networks: evolving graphs with memory dependent edges

The plethora, and mass take up, of digital communication tech- nologies has resulted in a wealth of interest in social network data collection and analysis in recent years. Within many such networks the interactions are transient: thus those networks evolve over time. In this paper we introduce a class of models for such networks using evolving graphs with memory dependent edges, which may appear and disappear according to their recent history. We consider time discrete and time continuous variants of the model. We consider the long term asymptotic behaviour as a function of parameters controlling the memory dependence. In particular we show that such networks may continue evolving forever, or else may quench and become static (containing immortal and/or extinct edges). This depends on the ex- istence or otherwise of certain infinite products and series involving age dependent model parameters. To test these ideas we show how model parameters may be calibrated based on limited samples of time dependent data, and we apply these concepts to three real networks: summary data on mobile phone use from a developing region; online social-business network data from China; and disaggregated mobile phone communications data from a reality mining experiment in the US. In each case we show that there is evidence for memory dependent dynamics, such as that embodied within the class of models proposed here.

On the entrainment assumption in Schatzmann's integral plume model

The behaviour of stationary, non-passive plumes can be simulated in a reasonably simple and accurate way by integral models. One of the key requirements of these models, but also one of their less well-founded aspects, is the entrainment assumption, which parameterizes turbulent mixing between the plume and the environment. The entrainment assumption developed by Schatzmann and adjusted to a set of experimental results requires four constants and an ad hoc hypothesis to eliminate undesirable terms. With this assumption, Schatzmann’s model exhibits numerical instability for certain cases of plumes with small velocity excesses, due to very fast radius growth. The purpose of this paper is to present an alternative entrainment assumption based on a first-order turbulence closure, which only requires two adjustable constants and seems to solve this problem. The asymptotic behaviour of the new formulation is studied and compared to previous ones. The validation tests presented by Schatzmann are repeated and it is found that the new formulation not only eliminates numerical instability but also predicts more plausible growth rates for jets in co-flowing streams.

Constraints on the spectral distribution of energy and enstrophy dissipation in forced two-dimensional turbulence

We study two-dimensional (2D) turbulence in a doubly periodic domain driven by a monoscale-like forcing and damped by various dissipation mechanisms of the form νμ(−Δ)μ. By “monoscale-like” we mean that the forcing is applied over a finite range of wavenumbers kmin≤k≤kmax, and that the ratio of enstrophy injection η≥0 to energy injection ε≥0 is bounded by kmin2ε≤η≤kmax2ε. Such a forcing is frequently considered in theoretical and numerical studies of 2D turbulence. It is shown that for μ≥0 the asymptotic behaviour satisfies ∥u∥12≤kmax2∥u∥2, where ∥u∥2 and ∥u∥12 are the energy and enstrophy, respectively. If the condition of monoscale-like forcing holds only in a time-mean sense, then the inequality holds in the time mean. It is also shown that for Navier–Stokes turbulence (μ=1), the time-mean enstrophy dissipation rate is bounded from above by 2ν1kmax2. These results place strong constraints on the spectral distribution of energy and enstrophy and of their dissipation, and thereby on the existence of energy and enstrophy cascades, in such systems. In particular, the classical dual cascade picture is shown to be invalid for forced 2D Navier–Stokes turbulence (μ=1) when it is forced in this manner. Inclusion of Ekman drag (μ=0) along with molecular viscosity permits a dual cascade, but is incompatible with the log-modified −3 power law for the energy spectrum in the enstrophy-cascading inertial range. In order to achieve the latter, it is necessary to invoke an inverse viscosity (μ<0). These constraints on permissible power laws apply for any spectrally localized forcing, not just for monoscale-like forcing.