Modelització matemàtica d'alguns aspectes de la teoria de l'evolució darwinista

Abstract

En aquest treball es donen alguns models matemàtics que intenten capturar els trets fonamentals de la teoria de l'evolució Darwinista. Aquests models tenen en compte, principalment, la selecció natural i la mutació, principis bàsics de la teoria de l'evolució. Per a això, es considera una densitat de població, u(t,x), on x_[0,1]n denota una col·lecció de variables evolutives, és a dir, característiques dels individus de la població que poden mutar al reproduir-se (per exemple, el color) i es donen unes equacions que ens permetran calcular l'evolució d'aquesta densitat de població a mida que passa el temps.<br/>Al Capítol 1 es fa una introducció dels models que ja existien a la literatura i dels que s'introdueixen a la memòria. <br/>Al Capítol 2 es considera una població formada per individus que comparteixen les mateixes característiques evolutives, es donen unes equacions amb retard en el temps modelant aquesta població i s'estudia primer l'existència, unicitat i positivitat global de solucions. Després es passa a estudiar l'existència de solucions estacionàries i la seva estabilitat (local). També s'estudien alguns aspectes de la dinàmica global com pot ser l'existència d'atractors globals. Finalment, s'estudien les estratègies evolutivament estables (ESS), es dóna un esquema numèric Adams-Bashforth-Moulton i es fan unes simulacions numèriques.<br/>Al Capítol 3 es considera una població d'individus com la del capítol anterior i es suposa que una proporció d'aquesta ha adquirit una (o més) característica evolutiva que li permet explotar un nou recurs. Considerem doncs, dues densitats de població: la dels ancestrals, u(t,x), i la dels mutants, v(t,x,y). Una vegada introduïda la situació es passa a donar un model matemàtic i veure que està ben posat, és a dir, s'estudia l'existència, unicitat i positivitat global de solucions. També s'estudia l'existència de solucions estacionàries així com la seva estabilitat local. Acte seguit es passa a estudiar alguns aspectes de la dinàmica global.<br/>A l'últim capítol es dóna un model presa-predador i se suposa que la població de preses depèn d'unes determinades variables evolutives. Com a la resta dels capítols comencem veient que el model donat està ben posat, calculem l'existència de solucions estacionàries i estudiem l'estabilitat d'aquestes únicament en un cas particular. Donem l'existència d'un atractor global i calculem les estratègies evolutivament estables.

In this work we give some mathematical models that try to capture the main traits of the darwinian theory of evolution. These models take into account mainly natural selection and mutation, which are the basic principles of the Theory of Evolution. In order to do that we consider the population density u(t,x), where x [0,1]n denotes a collection of evolutive variables, that is, characteristics of the individuals of the population that can mutate when reproducing (for instance, the color) and the equations that allow the prediction of this population density with time are given.<br/>In Chapter 1 we give an introduction to the already existing models in the literature and to the ones which are introduced in this work. <br/>In Chapter 2 we consider a population consisting of individuals sharing the same evolutive characteristics. We give the time lag equations modeling the evolution of this population and the global existence, uniqueness and positivity of the solutions are studied. Then we study the existence of stationary solutions and their (local) stability. We study also some aspects of their global dynamics, as the existence of global attractors. Finally the evolutionarily stable strategies (ESS) are studied, an Adams-Bashforth-Moulton method scheme is given and some numerical simulations are performed.<br/>In Chapter 3 we consider a population like the one considered in the previous chapter, when a certain number of their individuals have acquired one (or more) evolutive characteristics that allows them to exploit a new resource. Two population densities are hence considered: the ancestral one u(t,x) and the mutants v(t,x,y). Once this situation is established a mathematical model is given and shown to be well posed, that is, the global existence, uniqueness and positivity of solutions is studied. Next the existence of stationary solutions is considered, with the study of their local stability. Then some aspects of the global dynamics are established.<br/>In the last chapter a prey-predator model is given and it is assumed that the prey population depends on some determined evolutive variables. As in the preceding chapters, it is established that the model is well posed, the stationary solutions are determined and their stability is established in a particular case. The existence of a global attractor is proven and the evolutionarily stable strategies are computed.