Le but principal de cette thèse est de développer de nouveaux modèles non linéaires à longue mémoire pour modéliser des rendements financiers et leur estimation statistique. En plus de la longue mémoire, ces modèles sont capables de mettre en lumière d’autres faits stylisés comme l’asymétrie ou l’effet de levier. Les processus étudiés dans la thèse sont des solutions stationnaires de certaines équations aux différences stochastiques non linéaires impliquant un “bruit” i.i.d. Outre le fait de résoudre ces équations, qui est non trivial en lui-même, nous prouvons que leur solutions sont dépendantes à longue portée. Enfin pour un modèle non linéaire particulier à longue portée (GQARCH) nous prouvon la consistence et la normalité asymptotique de l’estimateur du quasi-maximum de vraisemblance (QMLE). / The thesis introduces new nonlinear models with long memory which can be used for modelling of financial returns and statistical inference. Apart from long memory, these models are capable to exhibit other stylized facts such as asymmetry and leverage. The processes studied in the thesis are defined as stationary solutions of certain nonlinear stochastic difference equations involving a given i.i.d. “noise”. Apart from solvability issues of these equations which are not trivial by itself, it is proved that their solutions exhibit long memory properties. Finally, for a particularly tractable nonlinear parametric model with long memory (GQARCH) we prove consistency and asymptotic normality of quasi-ML estimators.

On considère une marche aléatoire réelle dont les accroissements sont construits à partir d’une chaîne de Markov définie sur un espace abstrait. Sous des hypothèses de centrage de la marche et de décroissance rapide de la dépendance de la chaîne de Markov par rapport à son passé (de type trou spectral), on se propose d’étudier le premier instant pour lequel une telle marche markovienne passe dans les négatifs. Plus précisément, on établit que le comportement asymptotique de la probabilité de survie est inversement proportionnel à la racine carrée du temps. On étend également à nos modèles markoviens le résultat des marches aléatoires aux accroissements indépendants suivant : la loi asymptotique de la marche aléatoire renormalisée et conditionnée à rester positive est la loi de Rayleigh. Dans un deuxième temps, on restreint notre modèle aux cas où la chaîne de Markov définissant les accroissements de la marche aléatoire est à valeurs dans un espace d’états fini. Sous cette hypothèse et lorsque que la marche est dite non-lattice, on complète nos résultats par des théorèmes locaux pour la marche aléatoire conjointement avec le fait qu’elle soit restée positive. Enfin on applique ces développements aux processus de branchement soumis à un environnement aléatoire, lui-même défini à partir d’une chaîne de Markov à valeurs dans un espace d’états fini. On établit le comportement asymptotique de la probabilité de survie du processus dans le cas critique et les trois cas sous-critiques (fort, intermédiaire et faible) / We consider a real random walk whose increments are constructed by a Markov chain definedon an abstract space. We suppose that the random walk is centred and that the dependence of the Markov walk in its past decreases exponentially fast (due to the spectral gap property). We study the first time when the random walk exits the positive half-line and prove that the asymptotic behaviour of the survey probability is inversely proportional to the square root of the time. We extend also to our Markovian model the following result of random walks with independent increments: the asymptotic law of the random walk renormalized and conditioned to stay positive is the Rayleigh law. Subsequently, we restrict our model to the cases when the Markov chain defining the increments of the random walk takes its values on a finite state space. Under this assumption and the condition that the walk is non-lattice, we complete our results giving local theorems for the random walk conditioned to stay positive. Finally, we apply these developments to branching processes under a random environment defined by a Markov chain taking its values on a finite state space. We give the asymptotic behaviour of the survey probability of the process in the critical case and the three subcritical cases (strongly, intermediate and weakly).

L'analyse statique des programmes permet d'étudier les comportements possibles des programmes sans les exécuter. Les analyseurs statiques sont employés par exemple pour garantir que l'exécution d'un programme ne peut pas produire d'erreurs. Ces outils d'analyse étant eux-mêmes des programmes, ils peuvent être incorrects. Pour accroître la confiance que l'on peut accorder aux résultats d'une telle analyse, nous étudions dans cette thèse comment on peut formellement établir la correction de l'implantation d'un tel analyseur statique. En particulier, nous construisons au moyen de l'assistant à la preuve Coq des interpréteurs abstraits et prouvons qu'ils sont corrects ; c'est-à-dire nous établissons formellement que le résultat de l'analyse d'un programme caractérise bien toutes les exécutions possibles de ce programme. Ces interpréteurs abstraits s'intègrent, dans la mesure du possible, au compilateur vérifié CompCert, ce qui permet de garantir que les propriétés de sûreté prouvées sur le code source d'un programme sont aussi valides pour la version compilée de ce programme. Nous nous concentrons sur l'analyse de programmes écrits dans des langages de bas niveau. C'est-à-dire des langages qui ne fournissent que peu d'abstractions (variables, fonctions, objets, types…) ou des abstractions que le programmeur a loisir de briser. Cela complexifie la tâche d'un analyseur qui ne peut pas s'appuyer sur ces abstractions pour être précis. Nous présentons notamment comment reconstruire automatiquement le graphe de flot de contrôle de programmes binaires auto-modifiants et comment prouver automatiquement qu'un programme écrit en C (où l'arithmétique de pointeurs est omniprésente) ne peut pas produire d'erreurs à l'exécution. / Static analysis of programs enables to study the possible behaviours of programs without running them. Static analysers may be used to guarantee that the execution of a program cannot result in a run-time error. Such analysis tools are themselves programs: they may have bugs. So as to increase the confidence in the results of an analysis, we study in this thesis how the implementation of static analysers can be formally proved correct. In particular, we build abstract interpreters within the Coq proof assistant and prove them correct. Namely, we formally establish that analysis results characterize all possible executions of the analysed program. Such abstract interpreters are integrated to the formally verified CompCert compiler, when relevant ; this enables to guarantee that safety properties that are proved on source code also hold for the corresponding compiled code. We focus on the analysis of programs written in low-level languages. Namely, languages which feature little or no abstractions (variables, functions, objects, types…) or abstractions that the programmer is allowed to break. This hampers the task of a static analyser which thus cannot rely on these abstractions to yield precise results. We discuss in particular how to automatically recover the control-flow graph of binary self-modifying programs, and how to automatically prove that a program written in C (in which pointer arithmetic is pervasive) cannot produce a run-time error.

Comment fonctionne le cerveau ? Peut-on créer un cerveau artificiel ? Une étape essentielle en vue d'obtenir une réponse à ces questions est la modélisation mathématique des phénomènes à l'œuvre dans le cerveau. Ce manuscrit se focalise sur l'étude de modèles de réseaux de neurones inspirés de la réalité.Cette thèse se place à la rencontre entre trois grands domaines des mathématiques - l'étude des équations aux dérivées partielles (EDP), les probabilités et la statistique - et s'intéresse à leur application en neurobiologie. Dans un premier temps, nous établissons les liens qui existent entre deux échelles de modélisation neurobiologique. À un niveau microscopique, l'activité électrique de chaque neurone est représentée par un processus ponctuel. À une plus grande échelle, un système d'EDP structuré en âge décrit la dynamique moyenne de ces activités. Il est alors montré que le modèle macroscopique peut se retrouver de deux manières distinctes : en étudiant la dynamique moyenne d'un neurone typique ou bien en étudiant la dynamique d'un réseau de $n$ neurones en champ-moyen quand $n$ tend vers l’infini. Dans le second cas, la convergence vers une dynamique limite est démontrée et les fluctuations de la dynamique microscopique autour de cette limite sont examinées. Dans un second temps, nous construisons une procédure de test d'indépendance entre processus ponctuels, ces derniers étant destinés à modéliser l'activité de certains neurones. Ses performances sont contrôlées théoriquement et vérifiées d'un point de vue pratique par une étude par simulations. Pour finir, notre procédure est appliquée sur de vraies données / How does the brain compute complex tasks? Is it possible to create en artificial brain? In order to answer these questions, a key step is to build mathematical models for information processing in the brain. Hence this manuscript focuses on biological neural networks and their modelling. This thesis lies in between three domains of mathematics - the study of partial differential equations (PDE), probabilities and statistics - and deals with their application to neuroscience. On the one hand, the bridges between two neural network models, involving two different scales, are highlighted. At a microscopic scale, the electrical activity of each neuron is described by a temporal point process. At a larger scale, an age structured system of PDE gives the global activity. There are two ways to derive the macroscopic model (PDE system) starting from the microscopic one: by studying the mean dynamics of one typical neuron or by investigating the dynamics of a mean-field network of $n$ neurons when $n$ goes to infinity. In the second case, we furthermore prove the convergence towards an explicit limit dynamics and inspect the fluctuations of the microscopic dynamics around its limit. On the other hand, a method to detect synchronisations between two or more neurons is proposed. To do so, tests of independence between temporal point processes are constructed. The level of the tests are theoretically controlled and the practical validity of the method is illustrated by a simulation study. Finally, the method is applied on real data

Les schématisations de termes permettent de représenter des ensembles infinis de termes ayant une structure similaire de manière finie et compacte. Dans ce travail, nous étudions certains aspects liés à l'utilisation des schématisations de termes en déduction automatique, plus particulièrement dans les méthodes de démonstration de théorèmes du premier ordre par saturation. Après une brève étude comparée des formalismes de schématisation existants, nous nous concentrons plus particulièrement sur les termes avec exposants entiers (ou I-termes). Dans un premier temps, nous proposons une nouvelle approche permettant de détecter automatiquement des régularités dans les espaces de recherche. Cette détection des régularités peut avoir plusieurs applications, notamment la découverte de lemmes nécessaires à la terminaison dans certaines preuves inductives. Nous présentons DS3, un outil qui implémente ces idées. Nous comparons notre approche avec d'autres techniques de généralisation de termes. Notre approche diffère complètement des techniques existantes car d'une part, elle est complètement indépendante de la procédure de preuve utilisée et d'autre part, elle utilise des techniques de généralisation inductive et non déductives. Nous discutons également les avantages et les inconvénients liés à l'utilisation de notre méthode et donnons des éléments informels de comparaison avec les approches existantes. Nous nous intéressons ensuite aux aspects théoriques de l'utilisation des I-termes en démonstration automatique. Nous démontrons que l'extension aux I-termes du calcul de résolution ordonnée est réfutationnellement complète, que l'extension du calcul de superposition n'est pas réfutationnellement complète et nous proposons une nouvelle règle d'inférence pour restaurer la complétude réfutationnelle. Nous proposons ensuite un algorithme d'indexation (pour une sous-classe) des I-termes, utile pour le traitement des règles de simplification et d'élimination de la redondance. Finalement nous présentons DEI, un démonstrateur automatique de théorèmes capable de gérer directement des formules contenant des I-termes. Nous évaluons les performances de ce logiciel sur un ensemble de benchmarks. / Term schematisations allow one to represent infinite sets of terms having a similar structure by a finite and compact form. In this work we study some issues related to the use of term schematisation in automated deduction, in particular in saturation-based first-order theorem proving. After a brief comparative study of existing schematisation formalisms, we focus on terms with integer exponents (or I-terms). We first propose a new approach allowing to automatically detect regularities (obviously not always) on search spaces. This is motivated by our aim at extending current theorem provers with qualitative improvements. For instance, detecting regularities permits to discover lemmata which is mandatory for terminating in some kinds of inductive proofs. We present DS3, a tool which implements these ideas. Our approach departs from existing techniques since on one hand it is completely independent of the proof procedure used and on the other hand it uses inductive generalization techniques instead of deductive ones. We discuss advantages and disadvantages of our method and we give some informal elements of comparison with similar approaches. Next we tackle some theoretical aspects of the use of I-terms in automated deduction. We prove that the direct extension of the ordered resolution calculus is refutationally complete. We provide an example showing that a direct extension of the superposition calculus is not refutationally complete and we propose a new inference rule to restore refutational completeness. We then propose an indexing algorithm for (a subclass of) I-terms. This algorithm is an extension of the perfect discrimination trees that are are employed by many efficient theorem provers to implement redundancy elimination rules. Finally we present DEI, a theorem prover with built-in capabilities to handle formulae containing I-terms. This theorem-prover is an extension of the E-prover developed by S. Schulz. We evaluate the performances of this software on a set of benchmarks.

On s'intéresse à la géométrie des variétés de courbure de Ricci presque supérieure à $k$ (i.e. telle qu'une norme $L^p$---locale ou globale---de la fonction $(\underline(\rm Ric)-k)^-$ soit petite, où $\underline(\rm Ric)(x)$ est la plus petite valeur propre de la courbure de Ricci en $x$). On démontre sous cette hypothèse les équivalents des inégalités géométriques classiques de Myers, de Bishop-Gromov, de Lichnerowicz,... puis on caractérise les variétés qui réalisent presque les cas d'égalité (généralisant des travaux de T.~Colding et de P.~Petersen). Sur une variété compacte $M^n$ de courbure presque positive, le laplacien sur les 1-formes a au plus $n$ petites valeurs propres. S'il a exactement $n$ petites valeurs propres ($n-1$ suffisent si $M$ est orientable) alors $M$ est difféomorphe à une Nilvariété et la métrique est presque invariante à gauche. Ces résultats découlent d'estimées analytiques établies dans la première partie de la thèse.

Dans cette thèse, nous utilisons le degré et la topologie $\tau$ introduits en 1996 par Kryszewski et Szulkin pour généraliser, au cas des fonctionnelles fortement indéfinies, les théorèmes de la fontaine de T. Bartsch (1993), de T. Bartsch et M. Willem (1995) et de W. Zou (2001). Aucune méthode de réduction n'est utilisée. Nous appliquons les nouveaux théorèmes pour prouver l'existence d'une infinité de solutions pour quelques systèmes différentiels.

Le mouvement brownien fractionnaire en temps brownien Z est un processus qui sert de modèle à la diffusion d’un gaz le long d’une fissure. Dans cette thèse, réalisée sous la direction d'Ivan Nourdin, nous prouvons des formules de type Itô pour Z. Nos principaux outils sont le calcul de Malliavin, le calcul stochastique et l'utilisation de théorèmes limites. Une des spécificités des formules de changement de variables que nous avons obtenues est qu’elles ont lieu en loi, avec création d'un nouvel aléa. Ce mémoire est constitué d'un chapitre introductif, suivi de trois autres chapitres qui correspondent chacun à différents résultats obtenus lors de la préparation de cette thèse et rédigés sous forme d'articles de recherche. Plus précisément : 1) Dans un premier article, nous introduisons le processus central de cette thèse, à savoir le mouvement brownien fractionnaire en temps brownien Z. Nous étudions ensuite les fluctuations de ses variations d’ordre p, où p est n'importe quel entier supérieur ou égal à 1. 2) Dans un deuxième article, avec mon encadrant Ivan Nourdin nous avons utilisé les résultats du premier article pour construire une formule de type Itô pour Z. Pour ce faire, nous avons étendu à notre cadre une idée due originellement à Khoshnevisan et Lewis, consistant à travailler avec une partition aléatoire du temps au lieu de la partition déterministe classique. 3) Enfin, dans un troisième et dernier article, nous avons prolongé la formule unidimensionnelle décrite en 2) au cadre bidimensionnel / Fractional Brownian motion in Brownian time Z may serve as a model for the motion of a single gas particle constrained to evolve inside a crack. In this PhD thesis, written under the supervision of Ivan Nourdin, we prove Itô's type formulas for Z. To achieve this goal, our main tools are the Malliavin calculus, the stochastic calculus and the use of limit theorems. One of the specificity of the formula we have obtained is that they hold in law, with creation of a new alea. This manuscript consists in an introductory chapter, followed by three other chapters, each one corresponding to different results obtained along the preparation of this thesis and written is the form of research papers. More precisely: 1) In a first paper, we introduce the central process of this thesis, namely the fractional Brownian motion in Brownian time Z. Then, we study the fluctuations of its power variations of order p, for any integer p greater than or equal to 1. 2) In a second paper, written jointly with my supervisor Ivan Nourdin, we use the results obtained in 1) to build an Itô's type formula for Z. To do so, we need to extend to our setting an approach originally due to Khoshnevisan and Lewis, consisting in rather working with a random partition of time, instead of the classical uniform deterministic partition. 3) Finally, in a third and last paper, we extend to bi-dimension the one- dimensional formula obtained in 2)

Cette thèse présente des techniques efficaces pour déléguer des obligations de preuves TLA+ dans des démonstrateurs automatiques basées sur la logique du premier ordre non-sortée et multi-sortée. TLA+ est un langage formel pour la spécification et vérification des systèmes concurrents et distribués. Sa partie non-temporelle basée sur une variante de la théorie des ensembles Zermelo-Fraenkel permet de définir des structures de données. Le système de preuves TLAPS pour TLA+ est un environnement de preuve interactif dans lequel les utilisateurs peuvent vérifier de manière déductive des propriétés de sûreté sur des spécifications TLA+. TLAPS est un assistant de preuve qui repose sur les utilisateurs pour guider l’effort de preuve, il permet de générer des obligations de preuve puis les transmet aux vérificateurs d’arrière-plan pour atteindre un niveau satisfaisant d’automatisation. Nous avons développé un nouveau démonstrateur d’arrière-plan qui intègre correctement dans TLAPS des vérificateurs externes automatisés, en particulier, des systèmes ATP et solveurs SMT. Deux principales composantes constituent ainsi la base formelle pour la mise en oeuvre de ce nouveau vérificateur. Le premier est un cadre de traduction générique qui permet de raccorder à TLAPS tout démonstrateur automatisé supportant les formats standards TPTP/ FOF ou SMT-LIB/AUFLIA. Afin de coder les expressions d’ordre supérieur, tels que les ensembles par compréhension ou des fonctions totales avec des domaines, la traduction de la logique du premier ordre repose sur des techniques de réécriture couplées à une méthode par abstraction. Les théories sortées telles que l’arithmétique linéaire sont intégrés par injection dans la logique multi-sortée. La deuxième composante est un algorithme pour la synthèse des types dans les formules (non-typées) TLA+. L’algorithme, qui est basé sur la résolution des contraintes, met en oeuvre un système de type avec types élémentaires, similaires à ceux de la logique multi-sortée, et une extension avec des types dépendants et par raffinement. Les informations de type obtenues sont ensuite implicitement exploitées afin d’améliorer la traduction. Cette approche a pu être validé empiriquement permettant de démontrer que les vérificateurs ATP/SMT augmentent de manière significative le développement des preuves dans TLAPS / This thesis presents effective techniques for discharging TLA+ proof obligations to automated theorem provers based on unsorted and many-sorted first-order logic. TLA+ is a formal language for specifying and verifying concurrent and distributed systems. Its non-temporal fragment is based on a variant of Zermelo-Fraenkel set theory for specifying the data structures. The TLA+ Proof System TLAPS is an interactive proof environment in which users can deductively verify safety properties of TLA+ specifications. While TLAPS is a proof assistant that relies on users for guiding the proof effort, it generates proof obligations and passes them to backend verifiers to achieve a satisfactory level of automation. We developed a new back-end prover that soundly integrates into TLAPS external automated provers, specifically, ATP systems and SMT solvers. Two main components provide the formal basis for implementing this new backend. The first is a generic translation framework that allows to plug to TLAPS any automated prover supporting the standard input formats TPTP/FOF or SMT-LIB/AUFLIA. In order to encode higher-order expressions, such as sets by comprehension or total functions with domains, the translation to first-order logic relies on term-rewriting techniques coupled with an abstraction method. Sorted theories such as linear integer arithmetic are homomorphically embedded into many-sorted logic. The second component is a type synthesis algorithm for (untyped) TLA+ formulas. The algorithm, which is based on constraint solving, implements one type system for elementary types, similar to those of many-sorted logic, and an expansion with dependent and refinement types. The obtained type information is then implicitly exploited to improve the translation. Empirical evaluation validates our approach: the ATP/SMT backend significantly boosts the proof development in TLAPS

Cette thèse porte sur l'étude probabiliste des réponses démographique et génétique de populations à certains événements ponctuels. Dans une première partie, nous étudions l'impact de catastrophes tuant une fraction de la population et survenant de manière répétée, sur le comportement en temps long d'une population modélisée par un processus de branchement. Dans un premier temps nous construisons une nouvelle classe de processus, les processus de branchement à états continus avec catastrophes, en les réalisant comme l'unique solution forte d'une équation différentielle stochastique. Nous déterminons ensuite les conditions d'extinction de la population. Enfin, dans les cas d'absorption presque sûre nous calculons la vitesse d'absorption asymptotique du processus. Ce dernier résultat a une application directe à la détermination du nombre de cellules infectées dans un modèle d'infection de cellules par des parasites. En effet, la quantité de parasites dans une lignée cellulaire suit dans ce modèle un processus de branchement, et les "catastrophes" surviennent lorsque la quantité de parasites est partagée entre les deux cellules filles lors des divisions cellulaires. Dans une seconde partie, nous nous intéressons à la signature génétique laissée par un balayage sélectif. Le matériel génétique d'un individu détermine (pour une grande partie) son phénotype et en particulier certains traits quantitatifs comme les taux de naissance et de mort intrinsèque, ou sa capacité d'interaction avec les autres individus. Mais son génotype seul ne détermine pas son ``adaptation'' dans le milieu dans lequel il vit : l'espérance de vie d'un humain par exemple est très dépendante de l'environnement dans lequel il vit (accès à l'eau potable, à des infrastructures médicales,...). L'approche éco-évolutive cherche à prendre en compte l'environnement en modélisant les interactions entre les individus. Lorsqu'une mutation ou une modification de l'environnement survient, des allèles peuvent envahir la population au détriment des autres allèles : c'est le phénomène de balayage sélectif. Ces événements évolutifs laissent des traces dans la diversité neutre au voisinage du locus auquel l'allèle s'est fixé. En effet ce dernier ``emmène'' avec lui des allèles qui se trouvent sur les loci physiquement liés au locus sous sélection. La seule possibilité pour un locus de ne pas être ``emmené'' est l'occurence d'une recombination génétique, qui l'associe à un autre haplotype dans la population. Nous quantifions la signature laissée par un tel balayage sélectif sur la diversité neutre. Nous nous concentrons dans un premier temps sur la variation des proportions neutres dans les loci voisins du locus sous sélection sous différents scénarios de balayages. Nous montrons que ces différents scenari évolutifs laissent des traces bien distinctes sur la diversité neutre, qui peuvent permettre de les discriminer. Dans un deuxième temps, nous nous intéressons aux généalogies jointes de deux loci neutres au voisinage du locus sous sélection. Cela nous permet en particulier de quantifier des statistiques attendues sous certains scenari de sélection, qui sont utilisées à l'heure actuelle pour détecter des événements de sélection dans l'histoire évolutive de populations à partir de données génétiques actuelles. Dans ces travaux, la population évolue suivant un processus de naissance et mort multitype avec compétition. Si un tel modèle est plus réaliste que les processus de branchement, la non-linéarité introduite par les compétitions entre individus en rend l'étude plus complexe / This thesis is devoted to the probabilistic study of demographic and genetical responses of a population to some point wise events. In a first part, we are interested in the effect of random catastrophes, which kill a fraction of the population and occur repeatedly, in populations modeled by branching processes. First we construct a new class of processes, the continuous state branching processes with catastrophes, as the unique strong solution of a stochastic differential equation. Then we describe the conditions for the population extinction. Finally, in the case of almost sure absorption, we state the asymptotical rate of absorption. This last result has a direct application to the determination of the number of infected cells in a model of cell infection by parasites. Indeed, the parasite population size in a lineage follows in this model a branching process, and catastrophes correspond to the sharing of the parasites between the two daughter cells when a division occurs. In a second part, we focus on the genetic signature of selective sweeps. The genetic material of an individual (mostly) determines its phenotype and in particular some quantitative traits, as birth and intrinsic death rates, and interactions with others individuals. But genotype is not sufficient to determine "adaptation" in a given environment: for example the life expectancy of a human being is very dependent on his environment (access to drinking water, to medical infrastructures,...). The eco-evolutive approach aims at taking into account the environment by modeling interactions between individuals. When a mutation or an environmental modification occurs, some alleles can invade the population to the detriment of other alleles: this phenomenon is called a selective sweep and leaves signatures in the neutral diversity in the vicinity of the locus where the allele fixates. Indeed, this latter "hitchhiking” alleles situated on loci linked to the selected locus. The only possibility for an allele to escape this "hitchhiking" is the occurrence of a genetical recombination, which associates it to another haplotype in the population. We quantify the signature left by such a selective sweep on the neutral diversity. We first focus on neutral proportion variation in loci partially linked with the selected locus, under different scenari of selective sweeps. We prove that these different scenari leave distinct signatures on neutral diversity, which can allow to discriminate them. Then we focus on the linked genealogies of two neutral alleles situated in the vicinity of the selected locus. In particular, we quantify some statistics under different scenari of selective sweeps, which are currently used to detect recent selective events in current population genetic data. In these works the population evolves as a multitype birth and death process with competition. If such a model is more realistic than branching processes, the non-linearity caused by competitions makes its study more complex