A survey on the inverse integrating factor

The relation between limit cycles of planar differential systems and the inverse integrating factor was first shown in an article of Giacomini, Llibre and Viano appeared in 1996. From that moment on, many research articles are devoted to the study of the properties of the inverse integrating factor and its relationwith limit cycles and their bifurcations. This paper is a summary of all the results about this topic. We include a list of references together with the corresponding related results aiming at being as much exhaustive as possible. The paper is, nonetheless, self-contained in such a way that all the main results on the inverse integrating factor are stated and a complete overview of the subject is given. Each section contains a different issue to which the inverse integrating factor plays a role: the integrability problem, relation with Lie symmetries, the center problem, vanishing set of an inverse integrating factor, bifurcation of limit cycles from either a period annulus or from a monodromic ω-limit set and some generalizations.

A parameterization method for the computation of invariant tori and their whiskers in quasi-periodic maps: explorations and mechanisms for the breakdown of hyperbolicity

In two previous papers [J. Differential Equations, 228 (2006), pp. 530 579; Discrete Contin. Dyn. Syst. Ser. B, 6 (2006), pp. 1261 1300] we have developed fast algorithms for the computations of invariant tori in quasi‐periodic systems and developed theorems that assess their accuracy. In this paper, we study the results of implementing these algorithms and study their performance in actual implementations. More importantly, we note that, due to the speed of the algorithms and the theoretical developments about their reliability, we can compute with confidence invariant objects close to the breakdown of their hyperbolicity properties. This allows us to identify a mechanism of loss of hyperbolicity and measure some of its quantitative regularities. We find that some systems lose hyperbolicity because the stable and unstable bundles approach each other but the Lyapunov multipliers remain away from 1. We find empirically that, close to the breakdown, the distances between the invariant bundles and the Lyapunov multipliers which are natural measures of hyperbolicity depend on the parameters, with power laws with universal exponents. We also observe that, even if the rigorous justifications in [J. Differential Equations, 228 (2006), pp. 530-579] are developed only for hyperbolic tori, the algorithms work also for elliptic tori in Hamiltonian systems. We can continue these tori and also compute some bifurcations at resonance which may lead to the existence of hyperbolic tori with nonorientable bundles. We compute manifolds tangent to nonorientable bundles.

Collective decision making in a heterogeneous environment: Lasius niger colonies preferentially forage at easy to learn locations

Many ants forage in complex environments and use a combination of trail pheromone information and route memory to navigate between food sources and the nest. Previous research has shown that foraging routes differ in how easily they are learned. In particular, it is easier to learn feeding locations that are reached by repeating (e.g. left-left or right-right) than alternating choices (left-right or right-left) along a route with two T-bifurcations. This raises the hypothesis that the learnability of the feeding sites may influence overall colony foraging patterns. We studied this in the mass-recruiting ant Lasius niger. We used mazes with two T-bifurcations, and allowed colonies to exploit two equidistant food sources that differed in how easily their locations were learned. In experiment 1, learnability was manipulated by using repeating versus alternating routes from nest to feeder. In experiment 2, we added visual landmarks along the route to one food source. Our results suggest that colonies preferentially exploited the feeding site that was easier to learn. This was the case even if the more difficult to learn feeding site was discovered first. Furthermore, we show that these preferences were at least partly caused by lower error rates (experiment 1) and greater foraging speeds (experiment 2) of foragers visiting the more easily learned feeder locations. Our results indicate that the learnability of feeding sites is an important factor influencing collective foraging patterns of ant colonies under more natural conditions, given that in natural environments foragers often face multiple bifurcations on their way to food sources.

Full instability behavior of N-dimensional dynamical systems with a one-directional nonlinear vector field

We show how certain N-dimensional dynamical systems are able to exploit the full instability capabilities of their fixed points to do Hopf bifurcations and how such a behavior produces complex time evolutions based on the nonlinear combination of the oscillation modes that emerged from these bifurcations. For really different oscillation frequencies, the evolutions describe robust wave form structures, usually periodic, in which selfsimilarity with respect to both the time scale and system dimension is clearly appreciated. For closer frequencies, the evolution signals usually appear irregular but are still based on the repetition of complex wave form structures. The study is developed by considering vector fields with a scalar-valued nonlinear function of a single variable that is a linear combination of the N dynamical variables. In this case, the linear stability analysis can be used to design N-dimensional systems in which the fixed points of a saddle-node pair experience up to N21 Hopf bifurcations with preselected oscillation frequencies. The secondary processes occurring in the phase region where the variety of limit cycles appear may be rather complex and difficult to characterize, but they produce the nonlinear mixing of oscillation modes with relatively generic features

A new approach to evaluate imperfection sensitivity in asymmetric bifurcation buckling analysis

A direct procedure for the evaluation of imperfection sensitivity in bifurcation problems is presented. The problems arise in the context of the general theory of elastic stability for discrete structural systems, in which the energy criterion of stability of structures and the total potential energy formulation are employed. In cases of bifurcation buckling the sensitivity of the critical load with respect to an imperfection parameter e is singular at the state given by epsilon =0, so that, a regular perturbation expansion of the solution is not possible. In this work we describe a direct procedure to obtain the relations between the critical loads, the generalized coordinates at the critical state, the eigenvector, and the amplitude of the imperfection, using singular perturbation analysis. The expansions are assumed in terms of arbitrary powers of the imperfection parameter, so that both exponents and coefficients of the expansion are unknown. The solution of the series exponents is obtained by searching the least degenerate solution. The formulation is here applied to asymmetric bifurcations, for which explicit expressions of the coefficients are obtained. The use of the method is illustrated by a simple example, which allows consideration of the main features of the formulation.

Facilitation of the main generator source of earthworm muscle contraction by a peripheral neuron

A constant facilitation of responses evoked in the earthworm muscle contraction generator neurons by responses evoked in the neurons of its peripheral nervous system was demonstrated. It is based on the proposal that these two responses are bifurcations of an afferent response evoked by the same peripheral mechanical stimulus but converging again on this central neuron. A single-peaked generator response without facilitation was demonstrated by sectioning the afferent route of the peripheral facilitatory modulatory response, or conditioning response (CR). The multipeaked response could be restored by restimulating the sectioned modulatory neuron with an intracellular substitutive conditioning stimulus (SCS). These multi-peaked responses were proposed to be the result of reverberating the original single peaked unconditioned response (UR) through a parallel (P) neuronal circuit which receives the facilitation of the peripheral modulatory neuron. This peripheral modulatory neuron was named "Peri-Kästchen" (PK) neuron because it has about 20 peripheral processes distributed on the surface of a Kästchen of longitudinal muscle cells on the body wall of this preparation as revealed by the Lucifer Yellow-CH-filling method.

Numerical modelling of the impact of climate change on the morphology of Saint-Lawrence tributaries

Cette thèse examine les impacts sur la morphologie des tributaires du fleuve Saint-Laurent des changements dans leur débit et leur niveau de base engendrés par les changements climatiques prévus pour la période 2010–2099. Les tributaires sélectionnés (rivières Batiscan, Richelieu, Saint-Maurice, Saint-François et Yamachiche) ont été choisis en raison de leurs différences de taille, de débit et de contexte morphologique. Non seulement ces tributaires subissent-ils un régime hydrologique modifié en raison des changements climatiques, mais leur niveau de base (niveau d’eau du fleuve Saint-Laurent) sera aussi affecté. Le modèle morphodynamique en une dimension (1D) SEDROUT, à l’origine développé pour des rivières graveleuses en mode d’aggradation, a été adapté pour le contexte spécifique des tributaires des basses-terres du Saint-Laurent afin de simuler des rivières sablonneuses avec un débit quotidien variable et des fluctuations du niveau d’eau à l’aval. Un module pour simuler le partage des sédiments autour d’îles a aussi été ajouté au modèle. Le modèle ainsi amélioré (SEDROUT4-M), qui a été testé à l’aide de simulations à petite échelle et avec les conditions actuelles d’écoulement et de transport de sédiments dans quatre tributaires du fleuve Saint-Laurent, peut maintenant simuler une gamme de problèmes morphodynamiques de rivières. Les changements d’élévation du lit et d’apport en sédiments au fleuve Saint-Laurent pour la période 2010–2099 ont été simulés avec SEDROUT4-M pour les rivières Batiscan, Richelieu et Saint-François pour toutes les combinaisons de sept régimes hydrologiques (conditions actuelles et celles prédites par trois modèles de climat globaux (MCG) et deux scénarios de gaz à effet de serre) et de trois scénarios de changements du niveau de base du fleuve Saint-Laurent (aucun changement, baisse graduelle, baisse abrupte). Les impacts sur l’apport de sédiments et l’élévation du lit diffèrent entre les MCG et semblent reliés au statut des cours d’eau (selon qu’ils soient en état d’aggradation, de dégradation ou d’équilibre), ce qui illustre l’importance d’examiner plusieurs rivières avec différents modèles climatiques afin d’établir des tendances dans les effets des changements climatiques. Malgré le fait que le débit journalier moyen et le débit annuel moyen demeurent près de leur valeur actuelle dans les trois scénarios de MCG, des changements importants dans les taux de transport de sédiments simulés pour chaque tributaire sont observés. Ceci est dû à l’impact important de fortes crues plus fréquentes dans un climat futur de même qu’à l’arrivée plus hâtive de la crue printanière, ce qui résulte en une variabilité accrue dans les taux de transport en charge de fond. Certaines complications avec l’approche de modélisation en 1D pour représenter la géométrie complexe des rivières Saint-Maurice et Saint-François suggèrent qu’une approche bi-dimensionnelle (2D) devrait être sérieusement considérée afin de simuler de façon plus exacte la répartition des débits aux bifurcations autour des îles. La rivière Saint-François est utilisée comme étude de cas pour le modèle 2D H2D2, qui performe bien d’un point de vue hydraulique, mais qui requiert des ajustements pour être en mesure de pleinement simuler les ajustements morphologiques des cours d’eau.

Automaticité dans le coeur ischémique : analyse de bifurcation d’un modèle mathématique de cellule ventriculaire humaine

L’ischémie aigüe (restriction de la perfusion suite à l’infarctus du myocarde) induit des changements majeurs des propriétés électrophysiologique du tissu ventriculaire. Dans la zone ischémique, on observe une augmentation du potassium extracellulaire qui provoque l’élévation du potentiel membranaire et induit un "courant de lésion" circulant entre la zone affectée et saine. Le manque d’oxygène modifie le métabolisme des cellules et diminue la production d’ATP, ce qui entraîne l’ouverture de canaux potassique ATP-dépendant. La tachycardie, la fibrillation ventriculaire et la mort subite sont des conséquences possibles de l’ischémie. Cependant les mécanismes responsables de ces complications ne sont pas clairement établis. La création de foyer ectopique (automaticité), constitue une hypothèse intéressante expliquant la création de ses arythmies. Nous étudions l’effet de l’ischémie sur l’automaticité à l’aide d’un modèle mathématique de la cellule ventriculaire humaine (Ten Tusscher, 2006) et d’une analyse exhaustive des bifurcations en fonction de trois paramètres : la concentration de potassium extracellulaire, le "courant de lésion" et l’ouverture de canaux potassiques ATP-dépendant. Dans ce modèle, nous trouvons que seule la présence du courant de lésion peut entrainer une activité automatique. Les changements de potassium extracellulaire et du courant potassique ATP-dépendant altèrent toutefois la structure de bifurcation.

Sur un système de deux oscillateurs FitzHugh-Nagumo couplés

Ce mémoire consiste en l’étude du comportement dynamique de deux oscillateurs FitzHugh-Nagumo identiques couplés. Les paramètres considérés sont l’intensité du courant injecté et la force du couplage. Juqu’à cinq solutions stationnaires, dont on analyse la stabilité asymptotique, peuvent co-exister selon les valeurs de ces paramètres. Une analyse de bifurcation, effectuée grâce à des méthodes tant analytiques que numériques, a permis de détecter différents types de bifurcations (point de selle, Hopf, doublement de période, hétéroclinique) émergeant surtout de la variation du paramètre de couplage. Une attention particulière est portée aux conséquences de la symétrie présente dans le système.

Suivi des vaisseaux sanguins en temps réel à partir d’images ultrasonores mode-B et reconstruction 3D : application à la caractérisation des sténoses artérielles

La maladie des artères périphériques (MAP) se manifeste par une réduction (sténose) de la lumière de l’artère des membres inférieurs. Elle est causée par l’athérosclérose, une accumulation de cellules spumeuses, de graisse, de calcium et de débris cellulaires dans la paroi artérielle, généralement dans les bifurcations et les ramifications. Par ailleurs, la MAP peut être causée par d`autres facteurs associés comme l’inflammation, une malformation anatomique et dans de rares cas, au niveau des artères iliaques et fémorales, par la dysplasie fibromusculaire. L’imagerie ultrasonore est le premier moyen de diagnostic de la MAP. La littérature clinique rapporte qu’au niveau de l’artère fémorale, l’écho-Doppler montre une sensibilité de 80 à 98 % et une spécificité de 89 à 99 % à détecter une sténose supérieure à 50 %. Cependant, l’écho-Doppler ne permet pas une cartographie de l’ensemble des artères des membres inférieurs. D’autre part, la reconstruction 3D à partir des images échographiques 2D des artères atteintes de la MAP est fortement opérateur dépendant à cause de la grande variabilité des mesures pendant l’examen par les cliniciens. Pour planifier une intervention chirurgicale, les cliniciens utilisent la tomodensitométrie (CTA), l’angiographie par résonance magnétique (MRA) et l’angiographie par soustraction numérique (DSA). Il est vrai que ces modalités sont très performantes. La CTA montre une grande précision dans la détection et l’évaluation des sténoses supérieures à 50 % avec une sensibilité de 92 à 97 % et une spécificité entre 93 et 97 %. Par contre, elle est ionisante (rayon x) et invasive à cause du produit de contraste, qui peut causer des néphropathies. La MRA avec injection de contraste (CE MRA) est maintenant la plus utilisée. Elle offre une sensibilité de 92 à 99.5 % et une spécificité entre 64 et 99 %. Cependant, elle sous-estime les sténoses et peut aussi causer une néphropathie dans de rares cas. De plus les patients avec stents, implants métalliques ou bien claustrophobes sont exclus de ce type d`examen. La DSA est très performante mais s`avère invasive et ionisante. Aujourd’hui, l’imagerie ultrasonore (3D US) s’est généralisée surtout en obstétrique et échocardiographie. En angiographie il est possible de calculer le volume de la plaque grâce à l’imagerie ultrasonore 3D, ce qui permet un suivi de l’évolution de la plaque athéromateuse au niveau des vaisseaux. L’imagerie intravasculaire ultrasonore (IVUS) est une technique qui mesure ce volume. Cependant, elle est invasive, dispendieuse et risquée. Des études in vivo ont montré qu’avec l’imagerie 3D-US on est capable de quantifier la plaque au niveau de la carotide et de caractériser la géométrie 3D de l'anastomose dans les artères périphériques. Par contre, ces systèmes ne fonctionnent que sur de courtes distances. Par conséquent, ils ne sont pas adaptés pour l’examen de l’artère fémorale, à cause de sa longueur et de sa forme tortueuse. L’intérêt pour la robotique médicale date des années 70. Depuis, plusieurs robots médicaux ont été proposés pour la chirurgie, la thérapie et le diagnostic. Dans le cas du diagnostic artériel, seuls deux prototypes sont proposés, mais non commercialisés. Hippocrate est le premier robot de type maitre/esclave conçu pour des examens des petits segments d’artères (carotide). Il est composé d’un bras à 6 degrés de liberté (ddl) suspendu au-dessus du patient sur un socle rigide. À partir de ce prototype, un contrôleur automatisant les déplacements du robot par rétroaction des images échographiques a été conçu et testé sur des fantômes. Le deuxième est le robot de la Colombie Britannique conçu pour les examens à distance de la carotide. Le mouvement de la sonde est asservi par rétroaction des images US. Les travaux publiés avec les deux robots se limitent à la carotide. Afin d’examiner un long segment d’artère, un système robotique US a été conçu dans notre laboratoire. Le système possède deux modes de fonctionnement, le mode teach/replay (voir annexe 3) et le mode commande libre par l’utilisateur. Dans ce dernier mode, l’utilisateur peut implémenter des programmes personnalisés comme ceux utilisés dans ce projet afin de contrôler les mouvements du robot. Le but de ce projet est de démontrer les performances de ce système robotique dans des conditions proches au contexte clinique avec le mode commande libre par l’utilisateur. Deux objectifs étaient visés: (1) évaluer in vitro le suivi automatique et la reconstruction 3D en temps réel d’une artère en utilisant trois fantômes ayant des géométries réalistes. (2) évaluer in vivo la capacité de ce système d'imagerie robotique pour la cartographie 3D en temps réel d'une artère fémorale normale. Pour le premier objectif, la reconstruction 3D US a été comparée avec les fichiers CAD (computer-aided-design) des fantômes. De plus, pour le troisième fantôme, la reconstruction 3D US a été comparée avec sa reconstruction CTA, considéré comme examen de référence pour évaluer la MAP. Cinq chapitres composent ce mémoire. Dans le premier chapitre, la MAP sera expliquée, puis dans les deuxième et troisième chapitres, l’imagerie 3D ultrasonore et la robotique médicale seront développées. Le quatrième chapitre sera consacré à la présentation d’un article intitulé " A robotic ultrasound scanner for automatic vessel tracking and three-dimensional reconstruction of B-mode images" qui résume les résultats obtenus dans ce projet de maîtrise. Une discussion générale conclura ce mémoire. L’article intitulé " A 3D ultrasound imaging robotic system to detect and quantify lower limb arterial stenoses: in vivo feasibility " de Marie-Ange Janvier et al dans l’annexe 3, permettra également au lecteur de mieux comprendre notre système robotisé. Ma contribution dans cet article était l’acquisition des images mode B, la reconstruction 3D et l’analyse des résultats pour le patient sain.

Sur un modèle d'érythropoïèse comportant un taux de mortalité dynamique

Ce mémoire concerne la modélisation mathématique de l’érythropoïèse, à savoir le processus de production des érythrocytes (ou globules rouges) et sa régulation par l’érythropoïétine, une hormone de contrôle. Nous proposons une extension d’un modèle d’érythropoïèse tenant compte du vieillissement des cellules matures. D’abord, nous considérons un modèle structuré en maturité avec condition limite mouvante, dont la dynamique est capturée par des équations d’advection. Biologiquement, la condition limite mouvante signifie que la durée de vie maximale varie afin qu’il y ait toujours un flux constant de cellules éliminées. Par la suite, des hypothèses sur la biologie sont introduites pour simplifier ce modèle et le ramener à un système de trois équations différentielles à retard pour la population totale, la concentration d’hormones ainsi que la durée de vie maximale. Un système alternatif composé de deux équations avec deux retards constants est obtenu en supposant que la durée de vie maximale soit fixe. Enfin, un nouveau modèle est introduit, lequel comporte un taux de mortalité augmentant exponentiellement en fonction du niveau de maturité des érythrocytes. Une analyse de stabilité linéaire permet de détecter des bifurcations de Hopf simple et double émergeant des variations du gain dans la boucle de feedback et de paramètres associés à la fonction de survie. Des simulations numériques suggèrent aussi une perte de stabilité causée par des interactions entre deux modes linéaires et l’existence d’un tore de dimension deux dans l’espace de phase autour de la solution stationnaire.

Méthodes de génération et de validation de champs de déformation pour la recombinaison de distribution de dose à l’aide d’images 4DCT dans le cadre d’une planification de traitement de cancers pulmonaires

Des efforts de recherche considérables ont été déployés afin d'améliorer les résultats de traitement de cancers pulmonaires. L'étude de la déformation de l'anatomie du patient causée par la ventilation pulmonaire est au coeur du processus de planification de traitement radio-oncologique. À l'aide d'images de tomodensitométrie quadridimensionnelles (4DCT), une simulation dosimétrique peut être calculée sur les 10 ensembles d'images du 4DCT. Une méthode doit être employée afin de recombiner la dose de radiation calculée sur les 10 anatomies représentant une phase du cycle respiratoire. L'utilisation de recalage déformable d'images (DIR), une méthode de traitement d'images numériques, génère neuf champs vectoriels de déformation permettant de rapporter neuf ensembles d'images sur un ensemble de référence correspondant habituellement à la phase d'expiration profonde du cycle respiratoire. L'objectif de ce projet est d'établir une méthode de génération de champs de déformation à l'aide de la DIR conjointement à une méthode de validation de leur précision. Pour y parvenir, une méthode de segmentation automatique basée sur la déformation surfacique de surface à été créée. Cet algorithme permet d'obtenir un champ de déformation surfacique qui décrit le mouvement de l'enveloppe pulmonaire. Une interpolation volumétrique est ensuite appliquée dans le volume pulmonaire afin d'approximer la déformation interne des poumons. Finalement, une représentation en graphe de la vascularisation interne du poumon a été développée afin de permettre la validation du champ de déformation. Chez 15 patients, une erreur de recouvrement volumique de 7.6 ± 2.5[%] / 6.8 ± 2.1[%] et une différence relative des volumes de 6.8 ± 2.4 [%] / 5.9 ± 1.9 [%] ont été calculées pour le poumon gauche et droit respectivement. Une distance symétrique moyenne 0.8 ± 0.2 [mm] / 0.8 ± 0.2 [mm], une distance symétrique moyenne quadratique de 1.2 ± 0.2 [mm] / 1.3 ± 0.3 [mm] et une distance symétrique maximale 7.7 ± 2.4 [mm] / 10.2 ± 5.2 [mm] ont aussi été calculées pour le poumon gauche et droit respectivement. Finalement, 320 ± 51 bifurcations ont été détectées dans le poumons droit d'un patient, soit 92 ± 10 et 228 ± 45 bifurcations dans la portion supérieure et inférieure respectivement. Nous avons été en mesure d'obtenir des champs de déformation nécessaires pour la recombinaison de dose lors de la planification de traitement radio-oncologique à l'aide de la méthode de déformation hiérarchique des surfaces. Nous avons été en mesure de détecter les bifurcations de la vascularisation pour la validation de ces champs de déformation.

Investigations on the Dynamics of Combination Maps and the Analysis of Bifurcation in a Discontinuous Logistic Map

This thesis is a study of discrete nonlinear systems represented by one dimensional mappings.As one dimensional interative maps represent Poincarre sections of higher dimensional flows,they offer a convenient means to understand the dynamical evolution of many physical systems.It highlighting the basic ideas of deterministic chaos.Qualitative and quantitative measures for the detection and characterization of chaos in nonlinear systems are discussed.Some simple mathematical models exhibiting chaos are presented.The bifurcation scenario and the possible routes to chaos are explained.It present the results of the numerical computational of the Lyapunov exponents (λ) of one dimensional maps.This thesis focuses on the results obtained by our investigations on combinations maps,scaling behaviour of the Lyapunov characteristic exponents of one dimensional maps and the nature of bifurcations in a discontinous logistic map.It gives a review of the major routes to chaos in dissipative systems,namely, Period-doubling ,Intermittency and Crises.This study gives a theoretical understanding of the route to chaos in discontinous systems.A detailed analysis of the dynamics of a discontinous logistic map is carried out, both analytically and numerically ,to understand the route it follows to chaos.The present analysis deals only with the case of the discontinuity parameter applied to the right half of the interval of mapping.A detailed analysis for the n –furcations of various periodicities can be made and a more general theory for the map with discontinuities applied at different positions can be on a similar footing

Numerical study of reverse period doubling route from chaos to stability in a two-mode intracavity doubled Nd-YAG laser

We have numerically studied the behavior of a two-mode Nd-YAG laser with an intracavity KTP crystal. It is found that when the parameter, which is a measure of the relative orientations of the KTP crystal with respect to the Nd-YAG crystal, is varied continuously, the output intensity fluctuations change from chaotic to stable behavior through a sequence of reverse period doubling bifurcations. The graph of the intensity in the X-polarized mode against that in the Y-polarized mode shows a complex pattern in the chaotic regime. The Lyapunov exponent is calculated for the chaotic and periodic regions.