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Thermodynamic and kinetic aspects of interaction networks

par Garcia Cantu Ros, Anselmo
Président du jury Mareschal, Michel
Promoteur Gaspard, Pierre ;Nicolis, Grégoire
Publication Non publié, 2007-10-01

Thèse de doctorat

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Résumé :

In view of the fact that a same complex phenomenon can be approached by different conceptual frameworks, it is natural to inquire on the possibility to find connections between different types of quantities, such as topological, dynamical, statistical or thermodynamical, characterizing the same system. The present work is built on the idea that this line of approach can provide interesting insights on possible universal principles governing complex phenomena. In Chapter I we introduce concepts and tools of dynamical systems and thermodynamics as applied in macroscopic scale description as well as, for a later use, a number of selected representative models. In Chapter II we briefly present the elements of the theory of Markov processes describing a large class of stochastic process and also introduce some important concepts on the probabilistic description of deterministic systems. This chapter ends with a thermodynamic formulation accounting for the evolution of the entropy under the effect of stochastic fluctuations. In Chapter III, after introducing the main concepts and recent advances in network theory, we provide a connection between dynamical systems and network theory, which shows how universal structural properties of evolving networks can arise from deterministic dynamics. More specifically, we show explicitly the relation between the connectivity patterns of these networks and the indicators of the underlying dynamics, such as the local Lyapunov exponents. Our analysis is applied to representative models of chaotic maps, chaotic flows and is finally extended to stochastic processes. In Chapter IV we address the inverse problem, namely, processes whose dynamics is determined, in part, by the structure of the network in which they are embedded. In particular, we focus on systems of particles diffusing on a lattice and reacting instantaneously upon encountering each other. We study the role of the topology, the degree of synchronicity of motion and the reaction mechanism on the efficiency of the process. This lead us to identify a common generic mechanism responsible for the behavior of the efficiency, as a function of the control parameters. Finally, in Chapter V we study the connection between the topology and the thermodynamic properties of reaction networks, with focus on the entropy production and the system’s efficiency at nonequilibrium steady states. We also explore the connection between dynamic and thermodynamic properties of nonlinear feedbacks, as well as the response properties of reaction networks against both deterministic and stochastic external perturbations. We address networks of varying topologies, from regular lattices to complex structures./Le présent travail s’inscrit dans le domaine de recherche sur les systèmes complexes. Différentes approches, basées des systèmes dynamiques, de la thermodynamique des systèmes hors d’équilibre, de la physique statistique et, plus récemment, de la théorie des réseaux, sont combinés afin d’explorer des liens entre différentes types de grandeurs qui caractérisent certaines classes de comportements complexes. Dans le Chapitre I nous introduisons les principaux concepts et outils de systèmes dynamiques et de thermodynamique. Dans le Chapitre II nous présentons premièrement des éléments de la théorie de processus de Markov, ainsi que les concepts à la base de la description probabiliste des systèmes déterministes. Nous finissons le chapitre en proposant une formulation thermodynamique qui décrit l’évolution de l’entropie hors d’équilibre, soumis à l’influence de fluctuations stochastiques. Dans le Chapitre III nous introduisons les concepts de base en théorie des réseaux, ainsi qu’un résumé générale des progrès récents dans le domaine. Nous établissons ensuite une connexion entre la théorie des systèmes dynamiques et la théorie de réseaux. Celle-ci permet d’approfondir la compréhension des mécanismes responsables de l’émergence des propriétés structurelles dans des réseaux crées par des lois dynamiques déterministes. En particulier, nous mettons en évidence la relation entre des motifs de connectivité de ce type de réseaux et des indicateurs de la dynamique sous-jacente, tel que des exposant de Lyapounov locaux. Notre analyse est illustrée par des applications et des flots chaotiques et étendue à des processus stochastiques. Dans le Chapitre IV nous étudions le problème complémentaire, à savoir, celui de processus dont la dynamique est déterminée, en partie, par la structure du réseau dans lequel elle se déroule. Plus précisément, nous nous concentrons sur le cas de systèmes de particules réactives, diffusent au travers d’un réseau et réagissant instantanément lorsqu’un rencontre se produit entre elles. Nous étudions le rôle de la topologie, du degré de synchronicité des mouvements et aussi celui du mécanisme de réaction sur l’efficacité du processus. Dans les différents modèles étudiés, nous identifions un mécanisme générique commun, responsable du comportement de l’efficacité comme fonction des paramètres de contrôle. Enfin, dans le Chapitre V nous abordons la connexion entre la topologie et les propriétés thermodynamiques des réseaux de réactions, en analysant le comportement local et global de la production d’entropie et l’efficacité du système dans des état stationnaires de non-équilibre. Nous explorons aussi la connexion entre la dynamique et les propriétés de boucles de rétroaction non linéaires, ainsi que les propriétés de réponse des réseaux de réaction à des perturbations stochastiques et déterministes externes. Nous considérons le cas de réseaux à caractère régulier aussi bien que celui de réseaux complexes.