Prédire la statistique des grandes échelles des écoulements turbulents constitue un enjeu important. Pour l'équation d'Euler 2D et des modèles analogues d'écoulements géophysiques, une auto-organisation est observée (formation de cyclones/anticyclones, jets intenses). La mécanique statistique d'équilibre des écoulements bidimensionnels s'est avérée fondamentale et pertinente même en présence de forçage et dissipation, dans la limite inertielle. La thèse est motivée par le phénomène de transitions aléatoires entre deux topologies différentes, lié à une bistabilité. Il s'agit de prédire la multiplicité des équilibres d'un écoulement (quasi) bidimensionnel. On développe une classification des transitions de phase, pour des équilibres (statistiques et/ou dynamiques) d'un tel écoulement. Les diagrammes de phase font apparaître la présence générique de points critiques et tricritiques, et des domaines d'inéquivalence d'ensembles statistiques. Dans le cas d'une géométrie annulaire, on décrit les effets de la topographie et de la conservation de deux circulations. Des analogies avec la bistabilité du courant océanique Kuroshio sont proposées à partir de cette étude académique. Enfin, pour le système Euler 2D, on détaille un résultat de mécanique statistique dans l'ensemble énergie-enstrophie : la distribution microcanonique, construite à partir du théorème de Liouville en dimension finie, correspond à la maximisation d'une entropie de mélange de la vorticité.

Les bruits automobiles induits par le frottement sont à l'origine de nombreuses plaintes clients et occasionnent des coûts de garantie considérables pour les constructeurs automobiles. Les objectifs de la thèse consistent à comprendre la physique à l'origine de ces bruits et proposer des méthodologies de simulation afin de les éradiquer. Un système générique est tout d'abord étudié. Ce système discret met en jeu un contact entre deux masses et une loi de frottement de Coulomb présentant une discontinuité à vitesse relative nulle. Des calculs de valeurs propres complexes de ce système linéarisé autour de sa position d'équilibre glissant sont menés et montrent la présence d'instabilités par flottement voire par divergence. Les simulations temporelles montrent quant à elles que les non-linéarités de contact permettent de stabiliser les niveaux vibratoires en cas d'instabilité selon quatre régimes distincts. De plus, malgré ses trois degrés de liberté, ce système est capable de reproduire les mécanismes de stick-slip, sprag-slip et couplage modal ainsi que les bruits de crissement, grincement et craquement rencontrés sur les systèmes automobiles. Des études paramétriques sont également présentées et mettent en avant des bifurcations de Hopf ainsi que l'effet déstabilisant potentiellement induit par l'amortissement. Des méthodologies permettant de catégoriser les réponses en termes de bruit et de mécanisme sont par la suite proposées. Les occurrences et risques de ces derniers sont alors analysés et des tendances sont dégagées. Enfin, la relation entre les bruits et les mécanismes est établie. L'attention est ensuite portée sur un système automobile particulier. Afin d'étudier son comportement crissant, les analyses de stabilité et les simulations temporelles sont désormais menées sur des modèles éléments-finis. Les simulations temporelles permettent d'observer l'établissement de vibrations auto-entretenues et d'identifier, parmi tous les modes instables prédits lors des analyses de stabilité, celui qui est réellement à l'origine de l'instabilité. L'effet du coefficient de frottement sur les motifs de coalescence et les cycles limites est également investigué. Le risque de crissement est ensuite évalué pour des conditions d'utilisation variées du système. La méthodologie, basée sur des analyses de stabilité, permet de retrouver les principaux constats expérimentaux obtenus sur banc d'essai. Le rôle des géométries et des matériaux constituant le système est également discuté. Enfin, une solution permettant de réduire de façon significative le risque de crissement est proposée.

<p>The global impact of the converging dual epidemics of tuberculosis (TB) and human immunodeficiency virus (HIV) is one of the major public health challenges of our time, because in many countries, human immunodeficiency virus (HIV) and mycobacterium tuberculosis (TB) are among the leading causes of morbidity and mortality. It is found that infection with HIV increases the risk of reactivating latent TB infection, and HIV-infected individuals who acquire new TB infections have high rates of disease progression. Research has shown that these two diseases are enormous public health burden, and unfortunately, not much has been done in terms of modeling the dynamics of HIV-TB co-infection at a population level. In this thesis, we study these models and design and analyze robust numerical methods to solve them. To proceed in this direction, first we study the sub-models and then the full model. The first sub-model describes the transmission dynamics of HIV that accounts for behavior change. The impact of HIV educational campaigns is also studied. Further, we explore the effects of behavior change and different responses of individuals to educational campaigns in a situation where individuals may not react immediately to these campaigns. This is done by considering a distributed time delay in the HIV sub-model. This leads to Hopf bifurcations around the endemic equilibria of the model. These bifurcations correspond to the existence of periodic solutions that oscillate around the equilibria at given thresholds. Further, we show how the delay can result in more HIV infections causing more increase in the HIV prevalence. Part of this study is then extended to study a co-infection model of HIV-TB. A thorough bifurcation analysis is carried out for this model. Robust numerical methods are then designed and analyzed for these models.&nbsp / Comparative numerical results are also provided for each model.</p>

There is a growing interest in the dynamics of the co-infection of these two diseases. In this thesis, firstly we focus on studying the effect of a distributed delay representing the incubation period for the malaria parasite in the mosquito vector to possibly reduce the initial transmission and prevalence of malaria. This model can be regarded as a generalization of SEI models (with a class for the latently infected mosquitoes) and SI models with a discrete delay for the incubation period in mosquitoes. We study the possibility of occurrence of backward bifurcation. We then extend these ideas to study a full model of HIV and malaria co-infection. To get further inside into the dynamics of the model, we use the geometric singular perturbation theory to couple the fast and slow models from the full model. Finally, since the governing models are very complex, they cannot be solved analytically and hence we develop and analyze a special class of numerical methods to solve them.

In this thesis, we study these models and design and analyze robust numerical methods to solve them. To proceed in this direction, first we study the sub-models and then the full model. The first sub-model describes the transmission dynamics of HIV that accounts for behavior change. The impact of HIV educational campaigns is also studied. Further, we explore the effects of behavior change and different responses of individuals to educational campaigns in a situation where individuals may not react immediately to these campaigns. This is done by considering a distributed time delay in the HIV sub-model. This leads to Hopf bifurcations around the endemic equilibria of the model. These bifurcations correspond to the existence of periodic solutions that oscillate around the equilibria at given thresholds. Further, we show how the delay can result in more HIV infections causing more increase in the HIV prevalence. Part of this study is then extended to study a co-infection model of HIV-TB. A thorough bifurcation analysis is carried out for this model. Robust numerical methods are then designed and analyzed for these models. Comparative numerical results are also provided for each model.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Les processus autorégressifs à bifurcation (BAR) ont été au centre de nombreux travaux de recherche ces dernières années. Ces processus, qui sont l'adaptation à un arbre binaire des processus autorégressifs, sont en effet d'intérêt en biologie puisque la structure de l'arbre binaire permet une analogie aisée avec la division cellulaire. L'objectif de cette thèse est l'estimation les paramètres de variantes de ces processus autorégressifs à bifurcation, à savoir les processus BAR à valeurs entières et les processus BAR à coefficients aléatoires. Dans un premier temps, nous nous intéressons aux processus BAR à valeurs entières. Nous établissons, via une approche martingale, la convergence presque sûre des estimateurs des moindres carrés pondérés considérés, ainsi qu'une vitesse de convergence de ces estimateurs, une loi forte quadratique et leur comportement asymptotiquement normal. Dans un second temps, on étudie les processus BAR à coefficients aléatoires. Cette étude permet d'étendre le concept de processus autorégressifs à bifurcation en généralisant le côté aléatoire de l'évolution. Nous établissons les mêmes résultats asymptotiques que pour la première étude. Enfin, nous concluons cette thèse par une autre approche des processus BAR à coefficients aléatoires où l'on ne pondère plus nos estimateurs des moindres carrés en tirant parti du théorème de Rademacher-Menchov.

The thesis is based on using dynamical systems theories and techniques to study the qualitative dynamics of herpes simplex virus type 2 (HSV-2), a sexually-transmitted disease of major public health significance. A deterministic model for the interaction of the virus with the immune system in the body of an infected individual (in vivo) is designed first of all. It is shown, using Lyapunov function and LaSalle's Invariance Principle, that the virus-free equilibrium of the model is globally-asymptotically stable whenever a certain biological threshold, known as the reproduction number, is less than unity. Furthermore, the model has at least one virus-present equilibrium when the threshold quantity exceeds unity. Using persistence theory, it is shown that the virus will always be present in vivo whenever the reproduction threshold exceeds unity. The analyses (theoretical and numerical) of this model show that a future HSV-2 vaccine that enhances cell-mediated immune response will be effective in curtailling HSV-2 burden in vivo. A new single-group model for the spread of HSV-2 in a homogenously-mixed sexually-active population is also designed. The disease-free equilibrium of the model is globally-asymptotically stable when its associated reproduction number is less than unity. The model has a unique endemic equilibrium, which is shown to be globally-stable for a special case, when the reproduction number exceeds unity. The model is extended to incorporate an imperfect vaccine with some therapeutic benefits. Using centre manifold theory, it is shown that the resulting vaccination model undergoes a vaccine-induced backward bifurcation (the epidemiological importance of the phenomenon of backward bifurcation is that the classical requirement of having the reproduction threshold less than unity is, although necessary, no longer sufficient for disease elimination. In such a case, disease elimination depends upon the initial sizes of the sub-populations of the model). Furthermore, it is shown that the use of such an imperfect vaccine could lead to a positive or detrimental population-level impact (depending on the sign of a certain threshold quantity). The model is extended to incorporate the effect of variability in HSV-2 susceptibility due to gender differences. The resulting two-group (sex-structured) model is shown to have essentially the same qualitative dynamics as the single-group model. Furthermore, it is shown that adding periodicity to the corresponding autonomous two-group model does not alter the dynamics of the autonomous two-group model (with respect to the elimination of the disease). The model is used to evaluate the impact of various anti-HSV control strategies. Finally, the two-group model is further extended to address the effect of risk structure (i.e., risk of acquiring or transmitting HSV-2). Unlike the two-group model described above, it is shown that the risk-structured model undergoes backward bifurcation under certain conditions (the backward bifurcation property can be removed if the susceptible population is not stratified according to the risk of acquiring infection). Thus, one of the main findings of this thesis is that risk structure can induce the phenomenon of backward bifurcation in the transmission dynamics of HSV-2 in a population.

La carotide est une artère très importante, car elle a pour fonction, principale avec le tronc basilaire d'irriguer le cerveau. Le flux sanguin dans cette région est complexe durant un cycle cardiaque. Les différentes formes de flux et en particulier le vortex ont rarement été discutés auparavant, et le battement de la paroi n'est pas pris en compte. Ce travail de thèse est une contribution pour comprendre l'évolution du vortex et les éléments qui l'influencent, en particulier les battements de parois, pour une recherche expérimentale au niveau de modèles de la bifurcation carotidienne. Les fantômes de carotide avec une transparence et une élasticité des parois artérielles proches de la réalité ont été réalisés par la technique de prototypage rapide. La description des phénomènes de flux et de vortex ont été réalisée dans les fantômes rigide et souple des carotides essentiellement de deux manières : longitudinalement par caméra rapide et transversalement par IRM. Une plateforme économique de PIV a été établie pour quantifier précisément le comportement du vortex avec des vecteurs de vitesse. Une méthode de segmentation de région de vortex et une analyse quantitative ont été mises au point pour étudier leur évolution durant le cycle cardiaque par IRM. La reproductibilité du vortex a été validée par une approche statistique. Les paramètres influençant le comportement des vortex dans les fantômes souple et rigide ont été étudiés. Enfin, une étude de faisabilité sur les vortex dans les fantômes en forme de carotide réelle a été réalisée pour la première fois.

Boom and bust cycles are widely documented in the literature on industry dynamics. Rigidities and delays in capacity adjustment in combination with bounded rational behavior have been identified as central driving forces. We construct a model that features only these two elements and we show that this is indeed sufficient to reproduce some stylized facts of a boom and bust cycle. The bifurcation diagrams summarizing the dynamic behavior reveal complex cycles and in particular also abrupt changes in the nature of these cycles. We apply new insights from the mathematical theory of piecewise smooth dynamic systems - in particular, results from the theory of border collision bifurcations - and show that the very existence of borders such as capacity constraints or nonnegativity constraints may lie behind abrupt changes in the dynamic behavior of economic variables. (author's abstract) / Series: Department of Economics Working Paper Series