Bifurcation Analysis of a Size-Structured Population Model: Application to Oocyte Dynamics and Ovarian Cycle

动力学(音乐) 分叉 人口 卵母细胞 人口模型 应用数学 数学 计算机科学 计量经济学 生物 物理 非线性系统 人口学 细胞生物学 社会学 量子力学 胚胎 声学
作者
Frédérique Clément,Louis Fostier,Romain Yvinec
出处
期刊:Siam Journal on Applied Dynamical Systems [Society for Industrial and Applied Mathematics]
卷期号:24 (3): 2427-2472
标识
DOI:10.1137/24m1705147
摘要

.We introduce and analyze a quasilinear size-structured population model with nonlinearities accounting for nonlocal interactions between individuals. The recruitment (immigration), growth, and death rates are inhomogeneous in time and/or space and depend on weighted averages of the density. We first prove the existence and uniqueness of globally bounded weak solutions using the characteristic curves and Banach fixed point theorem after transforming the partial differential equation (PDE) into an equivalent system of integral equations. We then investigate the long-time behavior of the PDE in the case when the growth rate is separable. Applying a classical time-scaling transformation, the problem boils down to a PDE with linear growth rate and nonlinear inflow boundary condition, entering the theoretical framework of abstract semilinear Cauchy problems. We can then perform a bifurcation analysis which reveals the richness of the model behavior. Depending on the ratio of the recruitment to the growth rate, the model can exhibit multistability and stable oscillatory solutions emanating, respectively, through saddle-node and Hopf bifurcations. We illustrate these theoretical results on the biological application motivating this work, oogenesis, the process of production and maturation of female gametes (oocytes) that is critical to reproductive fitness.Keywordssize-structured population dynamicsglobal existenceasymptotic behaviorbifurcation analysisreproductive biologyMSC codes35B3235B4035Q4992D25
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