PDE and applications seminar | Metz

This is an introductory talk to mathematics of active biosystems. The goal is to illustrate by simple examples how  mathematics changes when transition from traditional physics/materials problems to PDEs in biology. Before jumping into mathematics we present experimental videos of striking biological phenomena that motivate our study. The talk consists of three parts. First we give a brief introduction to homogenization theory which is a powerful mathematical tool for studying multiscale problems. Next we describe a PDE model of collective behavior for swimming bacteria and present mathematical results on the effective viscosity of bacterial suspensions. Finally we present a phase field PDE model of a crawling cell on a substrate and describe its surprising features such as self-sustained motion (traveling wave solutions) and spontaneous breaking of symmetry. In conclusion, we briefly discuss the concept of interdisciplinary mathematics.

Cet exposé présentera des modèles mathématiques de la fermeture de trous dans des tissus épithéliaux. Ces modèles mettent en évidence l’importance de la géométrie des bords (en particulier la courbure locale à  chaque point de la frontière du tissu) et de l’adhésion à  la matrice extra-cellulaire pour la détermination du type de mécanisme de fermeture dominant.

L’équation de Klein-Gordon peut être écrite dans un cadre assez général sous la forme $(partial_t^2-2ikpartial_t+h)u=0$, o๠$h$ et $k$ sont des opérateurs autoadjoints. Lorsque $h$ n’est pas positif l’énergie naturelle conservée $Vert partial_tuVert^2+(hu,u)$ n’est pas positive et en général aucune énergie positive conservée n’est disponible. De tels phénomènes apparaissent lorsque l’équation de Klein-Gordon est couplée à  un champ électrique fort o๠lorsqu’elle provient d’une géométrie lorentzienne sans champ de Killing global de type temps. Dans ce cas on parle souvent de superradiance. Un exemple typique est la métrique de De Sitter Kerr qui décrit des trous noirs en rotation. Nous allons décrire comment on peut obtenir dans un tel cadre des résultats de complétude asymptotique et donner quelques applications à  la métrique de De Sitter Kerr. Il s’agit d’un travail en collaboration avec Christian Gérard et Vladimir Georgescu.

The purpose of our talk is to introduce a framework that enables one to study general homogenization problems. We study the qualitative properties of generalized Besicovitch spaces, and prove some general compactness results related to these spaces. We then apply them to study some new homogenization problems.

Sur quelques exemples simples de contrôle de systèmes d’équations paraboliques, quelques faits inhabituels dans le cas scalaire surgissent. Il apparaît que contrôlabilité approchée et contrôlabilité aux trajectoires ne sont pas toujours équivalentes, qu’il peut apparaître un temps minimal de contrôle et que contrôlabilité par le bord et contrôlabilité interne ne se déduisent pas l’une de l’autre et ne sont pas équivalentes.

Résumé

Dans cet exposé, on présentera certains résultats sur le comportement en temps grand des solutions des équations de réaction-diffusion, dont le terme de réaction dépend de la variable $x-ct$, la position dans un repère mobile. Ces équations peuvent être comprises comme des modèles simplistes de dynamique de populations sous l’influence d’un changement climatique. On montrera en particulier qu’en présence d’un effet Allee faible (corrélation positive entre le taux de croissance d’une population et sa densité), la taille de la population initiale est cruciale pour la survie de l’espèce, ce qui n’est pas le cas pour une équation homogène semblable. Je consacrerai également une partie de cet exposé à  une présentation de certains résultats classiques sur le comportement en temps grand des solutions des équations de réaction-diffusion dans le cas homogène.

Le problème spectral de Cosserat vient de la mécanique de la fin du 19e siècle, mais par ses relations avec la condition LBB et les équations de Stokes il a récemment gagné en popularité. En présence de coins, il existe un spectre essentiel causé par les singularités de coin des fonctions propres. Si ces singularités se déterminent bien par la théorie classique de Kondratev, leur rôle pour le spectre et son approximation numérique est original. Je présenterai des resultants récents théoriques et expérimentaux sur la convergence (ou non-convergence) de diverses approximations.

On montre la décroissance de l’énergie locale pour l’équation des ondes dans un guide d’onde avec dissipation constante au bord. On observe que l’onde se comporte en fait en temps grand comme la solution d’une équation de la chaleur. La preuve repose sur des estimées de résolvante. Comme les fonctions propres du problème transverse ne forment pas une base de Riesz, l’analyse spectrale ne se réduit pas de façon évidente à  des études “séparées” sur des domaines compacts et euclidiens.

Dans cet exposé, on présentera une nouvelle approche de l’utilisation de conditions aux limites transparentes pour l’équation de Schrödinger et l’équation des ondes linéaires. L’idée est de pouvoir les rendre locales en considérant une inconnue auxiliaire qui sera calculée sur tout le domaine et liée à  la solution de l’équation initiale par un couplage linéaire et local sur le bord. On présentera des résultats numériques en dimensions 1 et 2, sur des demi-espaces et des quarts de plan, la difficulté de ce dernier cas étant la présence d’une singularité géométrique.