The study of complex networks presented a huge development in last decades. In this dissertation we want to analyze the epidemic spread in scale-free networks through the Susceptible - Infected - Susceptible (SIS) model. We review the fundamental concepts to describe complex networks and the classical epidemiological models. We implement an algorithm that produces a scale-free network and explore the Quenched Mean-Field (QMF) dynamics in a scale-free network. Moreover, we simulate a change on the topology of the network according to the states of the nodes, and it generates a positive epidemic threshold. We show analytically that the fraction of infected vertices follows a power-law distribution in the vicinity of this critical point / O estudo de redes complexas tem se desenvolvido muito nos últimos anos. Nesta dissertação queremos analisar o processo de propagação de epidemia em redes livres de escala através do modelo Suscetível - Infectado - Suscetível (SIS). Apresentamos uma revisão de redes e as principais características dos modelos epidemiológicos clássicos. Implementamos um algoritmo que produz uma rede livre de escala dado um expoente e exploramos a dinâmica do modelo Quenched Mean-Field (QMF) inserido em uma rede livre de escala. Além disso, foi simulada uma possível alteração na topologia da rede, devido aos estados dos vértices infectados, que gerou um limiar epidêmico positivo no modelo e a probabilidade de vértices infectados seguiu uma lei de potência na vizinhança desse ponto crítico

The study of complex networks presented a huge development in last decades. In this dissertation we want to analyze the epidemic spread in scale-free networks through the Susceptible - Infected - Susceptible (SIS) model. We review the fundamental concepts to describe complex networks and the classical epidemiological models. We implement an algorithm that produces a scale-free network and explore the Quenched Mean-Field (QMF) dynamics in a scale-free network. Moreover, we simulate a change on the topology of the network according to the states of the nodes, and it generates a positive epidemic threshold. We show analytically that the fraction of infected vertices follows a power-law distribution in the vicinity of this critical point / O estudo de redes complexas tem se desenvolvido muito nos últimos anos. Nesta dissertação queremos analisar o processo de propagação de epidemia em redes livres de escala através do modelo Suscetível - Infectado - Suscetível (SIS). Apresentamos uma revisão de redes e as principais características dos modelos epidemiológicos clássicos. Implementamos um algoritmo que produz uma rede livre de escala dado um expoente e exploramos a dinâmica do modelo Quenched Mean-Field (QMF) inserido em uma rede livre de escala. Além disso, foi simulada uma possível alteração na topologia da rede, devido aos estados dos vértices infectados, que gerou um limiar epidêmico positivo no modelo e a probabilidade de vértices infectados seguiu uma lei de potência na vizinhança desse ponto crítico

We introduce random fluctuations on contact and recovery rates in three basic deterministic models in mathematical epidemiology and obtain stochastic counterparts. This paper addresses qualitative and quantitative analysis of stochastic SIS model with disease deaths and demographic effects, and stochastic SIR models with/without disease deaths and demographic effects. We prove the global existence of a unique strong solution and discuss stochastic asymptotic stability of disease free and endemic equilibria. We also investigate numerical properties of these models and prove the convergence of the Balanced Implicit Method approximation to the analytic solution. We simulate the models with fairly realistic parameters to visualize our conclusions.

Ce travail se décompose en deux grandes parties, "Estimations répétées dans le cadre de la modélisation bayésienne" et "Modélisation de la transmission de maladies infectieuses dans une population. Estimation des paramètres.". Les techniques développées dans la première partie sont utilisées en fin de la seconde partie. La première partie est consacrée à des optimisations d'algorithmes stochastiques très souvent utilisés, notamment dans le contexte des modélisations Bayésiennes. Cette optimisation est particulièrement faite lors de l'étude empirique d'estimateurs des paramètres d'un modèle où les qualités des estimateurs sont évaluées sur un grand nombre de jeux de données simulées. Quand les lois a posteriori ne sont pas explicites, le recours à des algorithmes stochastiques itératifs (de la famille des algorithmes dits de Monte Carlo par Chaîne de Makov) pour approcher les lois a posteriori est alors très couteux en temps car doit être fait pour chaque jeu de données. Dans ce contexte, ce travail consiste en l'étude de solutions évitant un trop grand nombre d'appels à ces algorithmes mais permettant bien-sûr d'obtenir malgré tout des résultats précis. La principale technique étudiée dans cette partie est celle de l'échantillonnage préférentiel. La seconde partie est consacrée aux études de modèles épidémiques, en particulier le modèle compartimental dit SIS (Susceptible-Infecté-Susceptible) dans sa version stochastique. L'approche stochastique permet de prendre en compte l'hétérogénéité de l'évolution de la maladie dans la population. les approches par des processus Markoviens sont étudiés où la forme des probabilités de passage entre les états est non linéaire. La solution de l'équation différentielle en probabilité n'est alors en général pas explicite. Les principales techniques utilisées dans cette partie sont celles dites de développement de l'équation maîtresse ("master equation") appliquées au modèle SIS avec une taille de population constante. Les propriétés des estimateurs des paramètres sont étudiées dans le cadre fréquentiste et bayésien. Concernant l'approche Bayésienne, les solutions d'optimisation algorithmique de la première partie sont appliquées. / This work consists in two parts, "Repeated estimates in bayesian modelling " and " Modelling of the transmission of infectious diseases in a population. Estimation of the parameters". Techniques developed in the first part are used at the end of the second part.The first part deals with optimizations of very often used stochastic algorithms, in particular in the context of Bayesian modelling. This optimization is particularly made when empirical study of estimates based on numerous simulated data sets is done. When posterior distribution of parameters are not explicit, its approximation is obtained via iterative stochastic algorithms (of the family of Markov Chain Monte Carlo) which is computationally expensive because has to be done on each data set. In this context, solutions are proposed avoiding an excess large number of MCMC calls but nevertheless giving accurate results. The Importance Sampling method is used in combination with MCMC in Bayesian simulation study. The second part deals with epidemic models, in particular the compartimental model SIS (Susceptible-Infectious-Susceptible) in its stochastic version. The stochastic approach allows to take into account the heterogeneousness of disease evolution in the population. Markov Process is particularly studied where transition probability between states is not linear, the solution of the differential equation in probability being then generally not explicit. The main techniques used in this part are the ones based on Master equation applied on SIS model with a constant population size. Empirical properties of parameters estimates are studied in frequentist and Bayesian context with algorithmic optimization presented in the first part.

Sistemas diferenciais quadráticos planares estão presentes em muitas áreas da matemática aplicada. Embora mais de mil artigos tenham sido publicados sobre os sistemas quadráticos ainda resta muito a se conhecer sobre esses sistemas. Problemas clássicos, e em particular o XVI problema de Hilbert, estão ainda em aberto para essa família. Um dos objetivos dos pesquisadores contemporâneos é obter a classificação topológica completa dos sistemas quadráticos. Devido ao grande número de parâmetros (essa família possui doze parâmetros e, aplicando transformações afins e reescala do tempo, reduzimos esse número a cinco, sendo ainda um número grande para se trabalhar) usualmente subclasses são consideradas nas investigações realizadas. Quando características específicas são levadas em consideração, o número de parâmetros é reduzido e o estudo se torna possível. Nesta tese estudamos principalmente duas subfamílias de sistemas quadráticos: a primeira possuindo um nó triplo semielemental e a segunda possuindo uma selanó semi elemental finita e uma selanó semielemental infinita formada pela colisão de uma sela infinita com um nó infinito. Os diagramas de bifurcação para ambas as famílias são tridimensionais. A família tendo um nó triplo gera 28 retratos de fase topologicamente distintos, enquanto o fecho da família tendo as selasnós dentro do espaço de bifurcação de sua forma normal gera 417. Polinômios invariantes são usados para construir os conjuntos de bifurcação e os retratos de fase topologicamente distintos são representados no disco de Poincaré. Os conjuntos de bifurcação são a união de superfícies algébricas e superfícies cuja presença foi detectada numericamente. Ainda nesta tese, apresentamos todos os retratos de fase de um sistema diferencial conhecido como modelo do tipo SIS (sistema suscetívelinfectadosuscetível, muito comum na matemática aplicada) e a classificação dos sistemas quadráticos possuindo hipérboles invariantes. Ambos sistemas foram investigados usando de polinômios invariantes afins. / Planar quadratic differential systems occur in many areas of applied mathematics. Although more than one thousand papers have been written on these systems, a complete understanding of this family is still missing. Classical problems, and in particular Hilberts 16th problem, are still open for this family. One of the goals of recent researchers is the topological classification of quadratic systems. As this attempt is not possible in the whole class due to the large number of parameters (twelve, but, after affine transformations and time rescaling, we arrive at families with five parameters, which is still a large number), many subclasses are considered and studied. Specific characteristics are taken into account and this implies a decrease in the number of parameters, which makes possible the study. In this thesis we mainly study two subfamilies of quadratic systems: the first one possessing a finite semielemental triple node and the second one possessing a finite semielemental saddlenode and an infinite semielemental saddlenode formed by the collision of an infinite saddle with an infinite node. The bifurcation diagram for both families are tridimensional. The family having the triple node yields 28 topologically distinct phase portraits, whereas the closure of the family having the saddlenodes within the bifurcation space of its normal form yields 417. Invariant polynomials are used to construct the bifurcation sets and the phase portraits are represented on the Poincaré disk. The bifurcation sets are the union of algebraic surfaces and surfaces whose presence was detected numerically. Moreover, we also present the analysis of a differential system known as SIS model (this kind of systems are easily found in applied mathematics) and the complete classification of quadratic systems possessing invariant hyperbolas.

Sistemas diferenciais quadráticos planares estão presentes em muitas áreas da matemática aplicada. Embora mais de mil artigos tenham sido publicados sobre os sistemas quadráticos ainda resta muito a se conhecer sobre esses sistemas. Problemas clássicos, e em particular o XVI problema de Hilbert, estão ainda em aberto para essa família. Um dos objetivos dos pesquisadores contemporâneos é obter a classificação topológica completa dos sistemas quadráticos. Devido ao grande número de parâmetros (essa família possui doze parâmetros e, aplicando transformações afins e reescala do tempo, reduzimos esse número a cinco, sendo ainda um número grande para se trabalhar) usualmente subclasses são consideradas nas investigações realizadas. Quando características específicas são levadas em consideração, o número de parâmetros é reduzido e o estudo se torna possível. Nesta tese estudamos principalmente duas subfamílias de sistemas quadráticos: a primeira possuindo um nó triplo semielemental e a segunda possuindo uma selanó semi elemental finita e uma selanó semielemental infinita formada pela colisão de uma sela infinita com um nó infinito. Os diagramas de bifurcação para ambas as famílias são tridimensionais. A família tendo um nó triplo gera 28 retratos de fase topologicamente distintos, enquanto o fecho da família tendo as selasnós dentro do espaço de bifurcação de sua forma normal gera 417. Polinômios invariantes são usados para construir os conjuntos de bifurcação e os retratos de fase topologicamente distintos são representados no disco de Poincaré. Os conjuntos de bifurcação são a união de superfícies algébricas e superfícies cuja presença foi detectada numericamente. Ainda nesta tese, apresentamos todos os retratos de fase de um sistema diferencial conhecido como modelo do tipo SIS (sistema suscetívelinfectadosuscetível, muito comum na matemática aplicada) e a classificação dos sistemas quadráticos possuindo hipérboles invariantes. Ambos sistemas foram investigados usando de polinômios invariantes afins. / Planar quadratic differential systems occur in many areas of applied mathematics. Although more than one thousand papers have been written on these systems, a complete understanding of this family is still missing. Classical problems, and in particular Hilberts 16th problem, are still open for this family. One of the goals of recent researchers is the topological classification of quadratic systems. As this attempt is not possible in the whole class due to the large number of parameters (twelve, but, after affine transformations and time rescaling, we arrive at families with five parameters, which is still a large number), many subclasses are considered and studied. Specific characteristics are taken into account and this implies a decrease in the number of parameters, which makes possible the study. In this thesis we mainly study two subfamilies of quadratic systems: the first one possessing a finite semielemental triple node and the second one possessing a finite semielemental saddlenode and an infinite semielemental saddlenode formed by the collision of an infinite saddle with an infinite node. The bifurcation diagram for both families are tridimensional. The family having the triple node yields 28 topologically distinct phase portraits, whereas the closure of the family having the saddlenodes within the bifurcation space of its normal form yields 417. Invariant polynomials are used to construct the bifurcation sets and the phase portraits are represented on the Poincaré disk. The bifurcation sets are the union of algebraic surfaces and surfaces whose presence was detected numerically. Moreover, we also present the analysis of a differential system known as SIS model (this kind of systems are easily found in applied mathematics) and the complete classification of quadratic systems possessing invariant hyperbolas.