Ergebnis für URL: http://www.ummisco.ird.fr/perso/bacaer/2015JMB.html
     Le modèle stochastique SIS pour une épidémie dans un environnement périodique

                          J. Math. Biol. 71 (2015) p. 491-511

                                    Nicolas Bacaër

              Institut de recherche pour le développement, Bondy, France
            Université Pierre et Marie Curie, Les Cordeliers, Paris, France
                                 nicolas.bacaer@ird.fr

     * [de] Um den Artikel auf Deutsch zu lesen, benutzen Sie den in Ihrem Browser
       integrierten automatischen Übersetzer.
     * [en] To read the article in English, use your browser's machine translator.
     [es] Para leer el artículo en español, utilice el traductor automático de su
       navegador.
     [it] Per leggere l'articolo in italiano, utilizzare il traduttore automatico
       del browser.
     [ja]
       日本語de記事wo読muniha,_BuRaU6Zani&#20869
       ;蔵saretei5ru自動翻訳機能wogo&#2103
       3;用kudasai5._
     [pt]  Para ler o artigo em português, utilize o tradutor automático do seu
       navegador.
     * [ru] CHtoby prochitat' stat'yu na russkom yazyke, vospol'zujtes' vstroennym
       avtomaticheskim perevodchikom Vashego brauzera.
     * [zh]
       要阅读中文文本,请使&#29
       992;你的浏览器内置的自&
       #21160;翻译器._

    Résumé

   Dans le modèle stochastique SIS pour une épidémie avec un taux de contact a, un
   taux de guérison b < a et une taille de population N, le temps moyen jusqu'à
   extinction t est tel que \((\log \tau)/N\) converge
   vers \(c=b/a-1-\log(b/a)\) lorsque N converge vers l'infini. Cet article
   considère le cas plus réaliste où le taux de contact est une fonction périodique
   dont la moyenne est supérieure à b. \((\log \tau)/N\) converge vers une nouvelle
   limite C, qui est liée à une équation de Hamilton-Jacobi périodique. Lorsque le
   taux de contact est une fonction cosinus avec une petite amplitude, avec une
   grande fréquence ou avec une fréquence très petite, on peut obtenir des formules
   approchées pour C de manière analytique comme dans [Assaf et coll., 2008, Phys
   Rev E 78, 041123]. Ces résultats sont illustrés par des simulations numériques.

1. Introduction

       Le modèle stochastique SIS pour une épidémie a été étudié en détail lorsque
   l'environnement est supposé constant, comme dans le livre de Nåsell (2011). Avec
   un taux de contact rate a, un taux de guérison b < a et une taille de population
   N, le temps moyen jusqu'à extinction t (partant par exemple d'une personne
   infectée) est tel que \begin{equation}\tag{1} \frac{\log \tau}{N}
   \mathop{\longrightarrow}_{N\to +\infty} c=b/a-1-\log(b/a) > 0\, \end{equation}
   (Nåsell, 2011, théorème 12.1). Parmi d'autres références, voir aussi (Andersson
   et Djehiche, 1998), (Doering et coll., 2005) et (Assaf et Meerson, 2010). Ces
   derniers utilisent la méthode de Brillouin, Kramers et Wentzel [BKW]. La
   probabilité \(P_n(t)\ \) d'avoir n>= 1 personnes infectées au temps t s'approche
   d'abord d'une distribution quasi-stationnaire \(\pi_n\). On définit \(x=n/N\) de
   sorte que \(0\leq x\leq 1\). Lorsque N converge vers l'infini, \(-(\log
   \pi_n)/N\) s'approche d'une fonction continue \(S(x)\)  avec l'équation de
   Hamilton-Jacobi stationnaire \[H\left (x,\frac{\partial S}{\partial x}\right
   )=0\] avec \begin{align} H(x,p)&=a x (1-x) (e^p - 1) +b x (e^{-p}-1)\nonumber\\
   &= x (1 -e^{-p}) [a(1-x)e^p - b ] \tag{2} \end{align} (Assaf et Meerson, 2010,
   (12) et §IV.D.3). Plus précisément, la branche de la ligne de niveau H=0
   avec \(a(1-x)e^p - b=0\) conduit à la formule \begin{equation}\tag{3} S(x)=x
   \log(b/a) + x + (1-x)\log(1-x) + \mathrm{constante}\, . \end{equation} Cette
   fonction a un minimum lorsque \(x=x^*=1-b/a\ \), avec \(x^* > 0\) parce que \(b <
   a\). Finalement \[c=S(0)-S(x^*)\] est la hauteur entre le fond et le bord à x=0
   du puits de potentiel \(S(x)\). De manière équivalente, le système hamiltonien
   \begin{equation}\tag{4} \frac{dx}{dt} = \frac{\partial H}{\partial p},\quad
   \frac{dp}{dt} = -\frac{\partial H}{\partial x} \end{equation} a une orbite
   hétérocline qui relie
   \((x^*,0)=(1-\frac{b}{a},0)\) et \((0,p^*)=(0,\log\frac{b}{a})\). Le nombre c est
   égal à l'action \[\int_{x^*}^0 p\, dx\] le long de cette orbite. La méthode BKW a
   été utilisée pour d'autres processus de naissance et de mort en physique ou en
   biologie des populations (Ovaskainen et Meerson, 2010 ; Kamenev, 2011).

       Dans leur étude d'une réaction chimique avec branchement et annihilation,
   (Escudero et Rodríguez, 2008) a montré comment un environnement périodique en
   temps influençait l'orbite hétérocline qui joue un rôle central pour le temps
   moyen d'extinction. (Assaf et coll., 2008) a étudié le même modèle plus en
   détail, calculant notamment la correction au temps moyen d'extinction due à une
   perturbation périodique de petite amplitude, de basse fréquence ou de haute
   fréquence. Ces auteurs ont obtenu des formules générales qui peuvent être
   appliquées à d'autres processus de naissance et de mort présentant une
   métastabilité. Par ailleurs, (Billings et coll., 2013, figure 7) montre des
   simulations Monte-Carlo d'un modèle stochastique SIS périodique.

       L'objectif ici est d'appliquer la méthode BKW utilisée par (Assaf et coll.,
   2008) au modèle épidémique SIS avec un taux de contact périodique de période T,
   dont la moyenne est supérieure à b. Un tel modèle peut représenter par exemple la
   propagation d'une infection bactérienne qui ne confère pas d'immunité. La
   propagation peut avoir lieu dans une école avec une périodicité hebdomadaire
   (liée aux fins de semaine), ou une périodicité annuelle (liée aux vacances et à
   la saisonnalité). Il s'agit bien sûr seulement d'une première étape vers des
   modèles plus réalistes.

       Dans la section 2, des calculs informels suggèrent que le temps moyen
   d'extinction  \(\tau\) (partant par exemple d'une personne infectée au temps 0)
   est tel que \begin{equation}\tag{5} \frac{\log \tau}{N}
   \mathop{\longrightarrow}_{N\to +\infty}C = \min_{0\leq t \leq T} S^*(t,0^+)-
   \min_{0\leq t \leq T} \, \min_{0\leq x\leq 1} S^*(t,x) \, . \end{equation}
   Ici, \(S^*(t,x)\) est une solution de viscosité, périodique de période T, de
   l'équation de Hamilton-Jacobi \begin{equation}\tag{6} \frac{\partial S}{\partial
   t}+H\left (t,x,\frac{\partial S}{\partial x}\right )=0,\quad 0 < x < 1,
   \end{equation} avec la condition aux bords mixte Dirichlet-« état contraint»
   \[S(t,0)=0,\quad \frac{\partial S}{\partial x}(t,1)=+\infty.\]  \(S(t,x)\) ne
   doit pas être identiquement nulle près de x=0. La condition aux bords doit être
   entendue au sens de viscosité (Barles, 1994) parce que \(S^*(t,0^+)\) peut ne pas
   être égal à 0. Le hamiltonien \(H(t,x,p)\) est identique à (2) sauf que le
   paramètre constant \(a\) est remplacé par \(a(t)\). Avec \[a(t)=a_0(1+\varepsilon
   \cos(\omega t)),\quad \omega=2\pi/T, \quad a_0 > b, \quad |\varepsilon|\leq 1,\]
   on définit \(c_0=b/a_0-1-\log(b/a_0)\). Suivant les méthodes de (Assaf et coll.,
   2008), la section 2 montre que \[ C\simeq c_0- \frac{\pi\, \omega\, |\varepsilon|
   }{a_0 \sinh \left (\frac{ \pi \omega}{a_0-b}\right )} \] si \(\varepsilon\) est
   proche de 0, \[C\simeq c_0 - |\varepsilon| (1-b/a_0)\] si \(\omega\ll a_0\) et \[
   C\simeq c_0 - \frac{ (a_0-b)^2 \varepsilon^2}{12\ \omega^2} (1 + 2b/a_0) \] dans
   la limite haute-fréquence \(\omega\gg a_0\). On peut conjecturer que \(C >
   0\) tant que \(\frac{1}{T} \int_0^T a(t)\, dt > b\). \(C\) est probablement
   toujours inférieur à \(c_0\,\), parce que les variations saisonnières tendent à
   favoriser l'extinction des maladies infectieuses. Ceci suggère plus précisément
   qu'un environnement périodique conduit pour le modèle SIS à une décroissance
   exponentielle du temps moyen d'extinction semblable à celle obtenue pour le
   modèle de branchement et annihilation (Assaf et coll., 2008). La section 3
   illustre ces résultats avec des simulations numériques. La section 4 ajoute
   quelques remarques.

2.   Calculs analytiques

  2.1   L'équation aux dérivées partielles de Hamilton-Jacobi

       Équation maîtresse et théorie de Floquet. N est la population totale,
   supposée constante. On définit
     *  \(S(t)\,\), nombre de personnes saines
     *  \(I(t)\,\), nombre de personnes infectées

   au temps t, avec \(N=S(t)+I(t)\). Si on a \(I(t)=n\,\),
     * avec la probabilité \(b n dt + o(dt)\,\), une personne guérit
     * avec la probabilité  \(a(t) n (1-n/N) dt+o(dt)\,\), une personne est infectée

   entre t et t+dt. \(a(t)\) est le taux de contact. b est le taux de guérison. On
   suppose que \(a(t)\) est une fonction continue, périodique de période T, positive
   avec \[r=\frac{1}{T}\int_0^T \!\! a(t)\, dt-b > 0,\] autrement dit \[ R_0 =
   \frac{\frac{1}{T}\int_0^T a(t)\, dt}{b} > 1\, .\] Pour une interpretation
   biologique de \(R_0\,\), voir (Bacaër et Ait Dads, 2012). (Hethcote, 1973) a
   remarqué que r > 0 (c'est-à-dire \(R_0 > 1\)) est une condition nécessaire et
   suffisante pour que la solution de cette équation de champ moyen converge vers
   une fonction périodique et positive : \[\frac{di}{dt} = a(t) i (1-i) - b\, i.\]
   Sinon la solution converge vers zéro.

        \(P_n(t)\) est la probabilité que \(I(t)=n\,\). On a \begin{align}
   \frac{dP_n}{dt} = a(t) (n-1)(1-(n-1)/N) P_{n-1} &-[a(t) n(1-n/N)+b\, n ] P_n +
   b(n+1) P_{n+1},\quad 0\leq n\leq N. \tag{7} \end{align}
   Ici, \(P_{-1}=0\) et \(P_{N+1}=0\). Bien sûr, \[\sum_{n=0}^N P_n(t)=1.\] Le
   système (7) s'écrit aussi \[\frac{dP}{dt} = M(t)\, P.\]  \(P(t)\) est le
   vecteur \((P_n(t))_{0\leq n\leq N}\) et \(M(t)\) est la matrice carrée de taille
   N+1 \[ M(t)=\left ( \begin{array}{cccccc} 0 & b & 0 & 0 & \cdots & 0\\ 0 &
   -b-a(t)(1-\frac{1}{N}) & 2b &0 & \cdots& 0\\ 0 & a(t) (1-\frac{1}{N}) &
   -2b-2a(t)(1-\frac{2}{N}) & 3b& \cdots& 0\\ \vdots & \vdots & \vdots & \vdots & &
   \vdots\\ 0 & 0 & 0 & 0 & \cdots & -bN \end{array} \right ). \] Cette matrice a la
   structure par blocs \[M(t)=\left (\begin{array}{c|c} 0 & \ast \\ \hline 0 & Q(t)
   \end{array}\right ).\]  \(Q(t)\) est une matrice carrée de taille
   N. \(X(t)\) et \(Y(t)\) sont les matrices avec \[\frac{dX}{dt} = M(t)\, X,\quad
   X(0)=I_{N+1}\] \[\frac{dY}{dt}=Q(t)\, Y,\quad Y(0)=I_N.\]  \(I_N\) est la matrice
   identité de taille N. Les multiplicateurs de Floquet de \(M(t)\,\), c'est-à-dire
   les valeurs propres de la matrice de monodromie \(X(T)\) sont  \(\{\mu_0=1\}\) et
   les multiplicateurs de Floquet de \(Q(t)\). La matrice \(Q(t)\)  est coopérative:
   les coefficients en dehors de la diagonale sont positifs ou nuls. Cette matrice
   est aussi irréductible parce que les éléments juste au-dessus et en-dessous de la
   diagonale sont tous strictement positifs. Par conséquent, tous les éléments
   de \(Y(t)\) sont strictement positifs pour \(t > 0\). D'après le théorème de
   Perron et Frobenius, la valeur propre \(\mu_1\) de \(Y(T)\) avec la partie réelle
   la plus grande est un nombre réel strictement positif et le sous-espace propre
   associé est de dimension 1. De plus, \[(1\ 1 \ldots 1)Q(t)=(-b\ 0\ 0\ \ldots
   0).\] On a \(0 < \mu_1 < 1\, \) (Aronsson et Kellogg, 1978) et  \(\lambda_1=(\log
   \mu_1)/T < 0\). Le vecteur \((1,0,0,\ldots,0)\) est un état stationnaire.
   \(P(t)\) converge vers ce vecteur si \(t\to +\infty\). L'objectif ici est
   d'estimer, pour N grand, la proximité entre  \(\lambda_1\) et 0.

       Soit v un vecteur propre de \(X(T)\) associé à la valeur
   propre \(\mu_1=e^{\lambda_1 T}\). On peut choisir v de sorte que \(v_n > 0, \
   1\leq n\leq N\). On a ainsi \[X(T)v=e^{\lambda_1 T} v.\] Comme dans la théorie de
   Floquet, on définit \[\pi(t)=e^{-\lambda_1 t} X(t) v.\] On a alors
   \[\frac{d\pi}{dt}(t)= -\lambda_1 \pi(t) + M(t) \pi(t).\] De plus
   \[\pi(T)=e^{-\lambda_1 T} X(T) v=v=\pi(0).\] Donc \(\pi(t)\) est une fonction
   périodique de période T. Avec \(\pi(t)=(\pi_n(t))_{0\leq n\leq N}\,\), on a
   \begin{align} \lambda_1 \pi_n + \frac{d\pi_n}{dt} = a(t) (n-1)(1-(n-1)/N)
   \pi_{n-1} &-[a(t) n(1-n/N)+b\, n ] \pi_n + b(n+1) \pi_{n+1} \, .\tag{8}
   \end{align} En sommant ces équations, on obtient \[\lambda_1 \sum_{n=0}^N
   \pi_n(t) + \frac{d}{dt} \sum_{n=0}^N \pi_n(t) = 0.\] On a donc \[\sum_{n=0}^N
   \pi_n(t)=e^{-\lambda_1 t} \sum_{n=0}^N \pi_n(0).\] Mais \(\sum_{n=0}^N
   \pi_n(t)\) est une fonction périodique de période T. Par
   conséquent \(\sum_{n=0}^N \pi_n(0)=0\) et \(\sum_{n=0}^N \pi_n(t)=0\ \forall t\).
   On a donc \[\pi_0(t)=-\sum_{n=1}^N \pi_n(t).\] Mais (8) avec \(n=0\) montre aussi
   que \[\lambda_1 \pi_0(t) + \frac{d\pi_0}{dt} = b\, \pi_1(t).\] Parce
   que \(\pi_0(t)\) est périodique, on obtient en intégrant \begin{equation}\tag{9}
   \lambda_1 = b\, \frac{\int_0^T \pi_1(t)\, dt}{\int_0^T \pi_0(t)\, dt} = -b\,
   \frac{\int_0^T \pi_1(t)\, dt}{\sum_{n=1}^N \int_0^T \pi_n(t)\, dt}\, .
   \end{equation}

       Solution BKW et équation de Hamilton-Jacobi. Lorsque N est grand, cherchons
   une solution BKW \[\pi_n(t)\simeq e^{-N S(t,x)},\quad 1\leq n\leq N,\]
   avec \(x=n/N\). \(S(t,x)\) est une fonction continue de t et x si (\,0 < x < 1\),
   qui est périodiquede période T par rapport à t. On a alors \begin{align*}
   \frac{d\pi_n}{dt} &\simeq -N\, \frac{\partial S}{\partial t}(t,x) \, e^{-N
   S(t,x)}\, ,\\ \pi_{n+1}(t) &\simeq e^{-N S(t,x+\frac{1}{N})} \simeq e^{-N S(t,x)
   - \frac{\partial S}{\partial x}(t,x)},\quad \pi_{n-1}(t) \simeq e^{-N S(t,x) +
   \frac{\partial S}{\partial x}(t,x)}. \end{align*} On
   définit \(\alpha(t,x)=a(t)x(1-x)\) et \(\beta(x)=b\, x\). Alors (8) s'écrit
   \[\lambda_1 \pi_n + \frac{d\pi_n}{dt} = N \alpha(t,x-1/N) \pi_{n-1} -N
   [\alpha(t,x)+\beta(x) ] \pi_n + N \beta(x+1/N) \pi_{n+1} \, .\] En ne gardant que
   les expressions dominantes, on peut utiliser \(\alpha(t,x-1/N)\simeq
   \alpha(t,x)\) et \(\beta(x+1/N)\simeq \beta(x)\) pour obtenir \[\lambda_1 \pi_n +
   \frac{d\pi_n}{dt} \simeq N \alpha(t,x) [\pi_{n-1} - \pi_n] + N \beta(x)
   [\pi_{n+1} - \pi_{n}] \, .\]  \(\lambda_1\) est probablement exponentiellement
   petit. On peut le négliger du côté gauche. En injectant la forme BKW et en
   divisant par \(N\, e^{-N S(t,x)}\,\), on obtient l'équation de Hamilton-Jacobi
   \begin{equation}\tag{10} \frac{\partial S}{\partial t} + a(t) x (1-x) \left [
   e^{\frac{\partial S}{\partial x}}-1 \right ] + b\, x \left [e^{-\frac{\partial
   S}{\partial x}}-1 \right ]= 0\, ,\quad 0 < x < 1. \end{equation} Ceci est de la
   forme (6) avec un hamiltonian périodique \(H(t,x,p)\) donné par (2), et
   \(a(t)\)  remplace \(a\). Des équations telles que (10) ont normalement des
   solutions asymptotiques de la
   forme \(S(t,x)=-Et+\Sigma(t,x)\). \(\Sigma(t,x)\) est une fonction périodique de
   période T par rapport à t et E est une constante. Ici cependant, seules les
   solutions avec \(E=0\) présentent un intérêt: elles correspondent aux orbites
   hétéroclines de la section 2.2 ci-dessous.

       Conditions aux bords. Parce que \(H(t,0,p)=0\,\), on a \(\frac{\partial
   S}{\partial t}(t,0)=0\). \(S(t,0)\) est donc une constante \(S_0\) indépendante
   de t. Comme (10) ne fait intervenir que des dérivées partielles du premier ordre,
   ses solutions sont définies à une constante additive près (rappelons que le
   vecteur propre v de \(X(T)\) est défini à une constante multiplicative près). On
   peut donc choisir \(S_0=0\), d'où la condition de Dirichlet:
   \begin{equation}\tag{11} S(t,0)=0\quad \forall t. \end{equation} De plus, parce
   que \(\pi_n(t)=0\ \forall n > N\) et parce que la formule (3) dans un
   environnement constant montre que \(|S(1)| 0\)
     *  \(L(t,1,0)=b\)
     *  \(L(t,1,v)=-v\log(-v/b)+v+b\) si \(v < 0\).

   Pour x=0, on a
     *  \(L(t,0,v)=+\infty\) si \(v\neq 0\)
     *  \(L(t,0,0)=0\).

   Pour x proche de 0, noter cependant que \(L(t,x,v)\sim -v \log x\). Donc
   pour \(\eta > 0\) petit et pour toute fonction \(\xi\in
   C^1([\theta,t];[0,1])\) avec \(\xi(\theta)=0\,\), on a
   \[\int_\theta^{\theta+\eta} L(s,\xi(s),\dot{\xi}(s))\ ds\simeq
   -\int_\theta^{\theta+\eta} \frac{d\xi}{ds}(s)\, \log \xi(s)\, ds
   =-\int_{0}^{\xi(\theta+\eta)} \! \log \xi\, d\xi,\] qui n'est pas infini.

       Solutions de l'équation de Hamilton-Jacobi. Pour une condition initiale
   donnée \(S_0(x)\), la fonction \begin{align*} S(t,x)=\inf \Bigl \{
   &\int_\theta^t\!\!\! L(s,\xi(s),\dot{\xi}(s))\, ds+1_{\theta=0}\,
   S_0(\xi(\theta))\, ;\\ &0\leq \theta\leq t,\ \xi\in C^1([\theta,t];[0,1]),\
   \theta=0\ \vee\ \xi(\theta)=0,\ \xi(t)=x\Bigr \} \end{align*} est une solution de
   viscosité de (10) avec les conditions mixtes (11)-(12) aux bords, et
   avec \(S(0,x)=S_0(x)\) (Barles, 1994). C'est la fonction valeur d'un problème de
   temps de sortie en \(x=0\) avec la « contrainte d'état» en \(x=1\). Une solution
   périodique \(S^*(t,x)\) de (10)-(11)-(12) est ainsi donnée par un point fixe de
   l'opérateur d'évolution ci-dessus: \(S^*(0,x)=S^*(T,x)\). (Roquejoffre, 2001) et
   (Mitake, 2009) ont étudié de semblables équations de Hamilton-Jacobi périodiques
   avec des conditions aux bords du type de Dirichlet. Noter cependant qu'il n'y a
   pas d'unicité. Pour des problèmes reliés, voir (Barles et Perthame, 1988). En
   effet, considérons le cas spécial où \(a(t)=a_0\) est constant. Dans ce cas, il y
   a deux types de solutions de viscosité stationnaires \(S^*(x)\).
     * D'un côté il y a les solutions de la forme
       \[x\log(b/a_0)+x+(1-x)\log(1-x)+\gamma\] avec une constante \(\gamma\leq 0\),
       qui ne diffèrent qu'à travers la constante g. La solution
       avec \(\gamma=0\) est la seule à vérifier la condition au bord en x=0 au sens
       classique.
     * D'un autre côté il y a les solutions de la forme \[\min
       \{0,x\log(b/a_0)+x+(1-x)\log(1-x)+\gamma\}\] avec une constante g telle
       que \(0 < \gamma \leq c_0\). Ces dernières solutions sont identiquement
       nulles près de x=0 et ne donnent pas C.

   Pour l'équation périodique (10) avec les conditions mixtes (11)-(12) aux bords,
   on peut conjecturer qu'elle a des solutions de viscosité
     * qui sont périodiques de période T par rapport à t,
     * qui ne sont pas identiquement nulles près de x=0,
     * qui ne diffèrent que d'une constante (donnant ainsi le même C).

   C'est une telle solution que l'on choisit comme solution BKW. Comme le suggère la
   figure 3 ci-dessous, la condition au bord en x=0 doit être entendue au sens de
   viscosité parce que la solution peut ne pas être continue en x=0.

       Comportement de \(\lambda_1\) si N est grand. Retournant à (9), on a \[
   \frac{\log(-\lambda_1)}{N} = \frac{\log b}{N} + \frac{1}{N} \log \left (\int_0^T
   \pi_1(t)\, dt \right )- \frac{1}{N} \log \left (\sum_{n=1}^N \int_0^T \pi_n(t)\,
   dt\right )\, .\] On a \[\pi_1(t)\simeq e^{-N S^*(t,1/N)}\simeq e^{-N
   S^*(t,0^+)}\] pour N grand. On a donc \[ \frac{1}{N} \log \left (\int_0^T
   \pi_1(t)\, dt \right )\mathop{\longrightarrow}_{N \to +\infty} -\min_{0\leq t
   \leq T} S^*(t,0^+)\] à cause de la formule de Laplace pour l'évaluation
   asymptotique des intégrales. De même, parce que \(\pi_n(t)\simeq e^{-N
   S^*(t,n/N)}\,\), on a \begin{align*} \frac{1}{N} \log \left (\sum_{n=1}^N
   \int_0^T \pi_n(t)\, dt \right )&\mathop{\longrightarrow}_{N \to +\infty} -
   \min_{0\leq t\leq T} \, \min_{0\leq x\leq 1} S^*(t,x) \end{align*} et
   \[\frac{\log(-\lambda_1)}{N} \mathop{\longrightarrow}_{N\to +\infty} -C\] avec
   Cdonné par (5). On peut conjecturer que \(C > 0\) si et seulement
   si \(\frac{1}{T} \int_0^T a(t)\, dt > b\).

       Temps moyen d'extinction. En partant de n personnes infectées au temps t, le
   temps moyen d'extinction  \(\tau_n(t)\)  est une solution périodique de période T
   du système \begin{equation}\tag{13} -1=\frac{d\tau_n}{dt} + b\, n \tau_{n-1} -
   (a(t) n (1-n/N)+b\, n) \tau_n + a(t) n (1-n/N) \tau_{n+1},\quad 1\leq n\leq N,
   \end{equation} avec \(\tau_0(t)=0\). Ce système fait intervenir la matrice
   transposée \(Q^*(t)\) de la matrice \(Q(t)\). On définit
     *  \(\hat{\tau}(t)=(\tau_n(t))_{1\leq n\leq N}\)
     *  \(\hat{\pi}(t)=(\pi_n(t))_{1\leq n\leq N}\)
     *  \(\mathbf{1}=(1,1,\ldots,1)\)
     *  \(\langle\cdot,\cdot \rangle\) le produit scalaire usuel de vecteurs réels.

   On a alors \[ \lambda_1 \hat{\pi} + \frac{d\hat{\pi}}{dt} = Q(t) \hat{\pi},\quad
   -\mathbf{1} = \frac{d\hat{\tau}}{dt} + Q^*(t) \hat{\tau}\, .\] et \[\frac{d}{dt}
   \langle \hat{\pi},\hat{\tau} \rangle = \langle \frac{d\hat{\pi}}{dt},\hat{\tau}
   \rangle+\langle \hat{\pi},\frac{d\hat{\tau}}{dt} \rangle= \langle Q(t)
   \hat{\pi},\hat{\tau} \rangle - \lambda_1 \langle \hat{\pi},\hat{\tau} \rangle -
   \langle \hat{\pi},\mathbf{1}\rangle - \langle \hat{\pi} ,Q^*(t) \hat{\tau}
   \rangle.\] Les expressions avec \(Q(t)\) et \(Q^*(t)\) s'annulent. En intégrant
   et en utilisant la périodicité de  \(\hat{\pi}(t)\) et \(\hat{\tau}(t)\), on
   obtient \[-\lambda_1 = \frac{\int_0^T \langle
   \hat{\pi},\mathbf{1}\rangle}{\int_0^T \langle \hat{\pi},\hat{\tau} \rangle\,
   dt}\, .\] Ceci suggère que le temps moyen d'extinction t, partant par exemple
   d'une personne infectée au temps 0, est du même ordre de grandeur
   que \(-1/\lambda_1 \ :\)  \[\frac{\log(\tau)}{N} \mathop{\longrightarrow}_{N\to
   +\infty} C\, .\] On peut conjecturer que cette analyse essentiellement informelle
   peut être mise sous forme rigoureuse, comme pour le modèle SIS dans un
   environnement constant (Nåsell, 2011).

2.2   L'orbite hétérocline

       Cas général. Rappelons que l'équation de Hamilton-Jacobi (6) peut être
   résolue au moins localement par tracé de rayons, c'est-à-dire, en résolvant
   simultanément le système hamiltonien (4) et l'équation \[\frac{dz}{dt}=p(t)
   \frac{\partial H}{\partial p}(t,x(t),p(t)) - H(t,x(t),p(t))\] avec les conditions
   initiales \(x(0)=x_0\), \(p(0)=\frac{\partial S}{\partial
   x}(0,x_0)\), \(z(0)=S(0,x_0)\), de sorte que \(z(t)=S(t,x(t))\). En suivant
   (Assaf et coll., 2008), considérons de plus près le système hamiltonien (4). Dans
   le cas présent, \begin{align} \frac{\partial H}{\partial p}(t,x,p)&=a(t)x(1-x)e^p
   - b x e^{-p},\tag{14}\\ \frac{\partial H}{\partial
   x}(t,x,p)&=a(t)(1-2x)(e^p-1)+b(e^{-p}-1)\, .\nonumber \end{align}

       Cherchons d'abord une solution non triviale périodique de période T,
   avec \(x\equiv 0\) et \[ \frac{dp}{dt} = - \frac{\partial H}{\partial x}(t,0,p)=
   - (a(t) - b\, e^{-p}) (e^p-1)\, . \] Avec \(p = \log (1+q)\,\), on obtient une
   équation différentielle de Bernoulli qui peut être facilement résolue. Cela donne
   la solution périodique de période T \[p^*(t)= \log \left ( 1 + \left [
   \frac{e^{-bt +\int_0^t a(s)\, ds}}{e^{p^*(0)}-1} + \int_0^t a(s)\, e^{-b(t-s) +
   \int_s^t a(u)\, du} ds\right ]^{-1} \right )\, , \] avec \[p^*(0)=\log \left
   (1+\frac{1-e^{-bT+\int_0^T a(s)\, ds}}{\int_0^T a(s)\, e^{-b(T-s)+\int_s^T a(u)\,
   du} ds}\right )\, .\] La solution périodique \((0,p^*(t))\) est instable. En
   effet, avec \(x(t)=\tilde{x}(t)\) et \(p(t)=p^*(t)+\tilde{p}(t)\) et en
   linéarisant les équations, on obtient \[\left (\begin{array}{c} d\tilde{x}/dt \\
   d\tilde{p}/dt \end{array} \right )= \left ( \begin{array}{ccc} a(t) e^{p^*(t)} -
   b e^{-p^*(t)} &\quad& 0 \\ 2a(t)(e^{p^*(t)}-1) &\quad& -a(t) e^{p^*(t)} + b
   e^{-p^*(t)} \end{array} \right ) \left ( \begin{array}{c} \tilde{x} \\ \tilde{p}
   \end{array} \right ).\] Les multiplicateurs de Floquet sont \[f=\exp \int_0^T
   [a(t) e^{p^*(t)}-b e^{-p^*(t)}] dt\] et \(1/f\,\), d'où l'instabilité.
   L'instabilité peut aussi être vue comme une conséquence du théorème de Liouville
   concernant l'invariance du « volume» dans l'espace de phase (x,p) sous l'action
   du flot hamiltonien.

       Deuxièmement, cherchons une solution non triviale, périodique de période T,
   avec \(p\equiv 0\) et \[\frac{dx}{dt} = \frac{\partial H}{\partial p}(t,x,0) =
   a(t) x (1-x) - b x\, .\] C'est l'équation de champ moyen du modèle SIS. L'unique
   solution périodique non nulle est \[x^*(t)=\left ( \frac{1}{x^*(0)} \,
   e^{bt-\int_0^t a(s)\, ds} + \int_0^t a(u)\, e^{b(t-u)-\int_u^t a(s)\, ds} du
   \right )^{-1}\] avec \begin{equation}\tag{15} x^*(0)=\frac{1-e^{bT-\int_0^T
   a(s)\, ds}}{\int_0^T a(u)\, e^{b(T-u)-\int_u^T a(s)\, ds}\, du}\, .
   \end{equation} La solution périodique \((x^*(t),0)\) est également instable. En
   effet, avec \(x(t)=x^*(t)+\tilde{x}(t)\) et \(p(t)=\tilde{p}(t)\) et en
   linéarisant les équations, on obtient \[\left (\begin{array}{c} d\tilde{x}/dt \\
   d\tilde{p}/dt \end{array} \right )= \left ( \begin{array}{ccc} a(t) (1-2x^*(t)) -
   b &\quad & a(t)x^*(t)(1-x^*(t))+b x^*(t) \\ 0 &\quad & -a(t) (1-2x^*(t)) + b
   \end{array} \right ) \left ( \begin{array}{c} \tilde{x} \\ \tilde{p} \end{array}
   \right ).\] Les multiplicateurs de Floquet sont une nouvelle fois inverses l'un
   de l'autre, d'où l'instabilité.

       Rappelons de la section 1 que dans un environnement constant, il y a une
   orbite hétérocline dans le plan de phase (x,p) reliant les points
   stationnaires \((x^*,0)=(1-b/a,0)\) et \((0,p^*)=(0,\log(b/a))\) si \(a > b\).
   (Escudero et Rodríguez, 2008) a trouvé une orbite hétérocline semblable pour le
   modèle périodique de branchement et annihilation de particules identiques, au
   moins pour une petite amplitude de la perturbation périodique. Donc on peut
   espérer l'existence d'une orbite hétérocline \((\hat{x}(t),\hat{p}(t))\,\), qui
   relie les solutions périodiques \((x^*(t),0)\) et \((0,p^*(t))\). L'existence
   peut probablement être démontrée en utilisant une approche variationnelle
   (Rabinowitz, 1994). Cette orbite spéciale peut être obtenue numériquement par une
   méthode de tir. D'après (Assaf et coll., 2008, équation (20)),
   \begin{equation}\tag{16} C=\int_{-\infty}^{+\infty} \left [ \hat{p}(t)
   \frac{\partial H}{\partial p}(t,\hat{x}(t),\hat{p}(t)) -
   H(t,\hat{x}(t),\hat{p}(t))\right ] dt\, . \end{equation} Cette intégrale peut
   être évaluée numériquement.

       Méthode de perturbation. Si la fonction \(a(t)\) est une constante \(a_0\,\),
   alors \((\hat{x}_0(t),\hat{p}_0(t))\) est l'orbite hétérocline reliant les points
   stationnaires \((x^*,0)=(1-b/a_0,0)\) et \((0,p^*)=(0,\log(b/a_0))\). Cette
   orbite est telle que \(a_0(1-x)e^p-b =0\), comme on peut le voir avec (2). En
   utilisant cette équation pour exprimer p en fonction de x et en insérant le
   résultat dans la première équation de (4), on obtient \[\frac{dx}{dt}=b\, x - a_0
   x (1-x).\] La solution est \[x(t)=\left [ \frac{1}{x(t_0)} e^{(a_0-b)(t-t_0)} +
   \frac{a_0}{a_0-b} (1-e^{(a_0-b)(t-t_0)}) \right ]^{-1}.\] En choisissant par
   exemple \(x(t_0)=(1-b/a_0)/2\,\), on obtient
   \[\hat{x}_0(t)=\frac{1-b/a_0}{1+e^{(a_0-b)(t-t_0)}}\quad \mathrm{et}\quad
   \hat{p}_0(t)= \log \frac{1+e^{(a_0-b)(t-t_0)}}{1+e^{(a_0-b)(t-t_0)} a_0/b}\, .\]

       Supposons maintenant que \[a(t)=a_0 (1+ \varepsilon\, \phi(t))\] avec \(a_0 >
   b\), \(\varepsilon\) petit et \(\phi(t)\) une fonction périodique avec \(\int_0^T
   \phi(t)\, dt=0\). L'hamiltonien peut être écrit sous la forme
   \[H(t,x,p)=H_0(x,p)+\varepsilon\, H_1(t,x,p).\] \(H_0(x,p)\) est identique à (2),
   sauf que \(a_0\) remplace \(a\,\). \[H_1(t,x,p)=a_0\, \phi(t)\, x (1-x)
   (e^p-1).\] Avec \(c_0=b/a_0-1-\log(b/a_0)\), \[C \simeq \min_{t_0}
   \Gamma(t_0),\quad \Gamma(t_0)=c_0 - \varepsilon \int_{-\infty}^{+\infty}
   H_1(t,\hat{x}_0(t),\hat{p}_0(t))\, dt,\quad \varepsilon\simeq 0\] (Assaf et
   coll., 2008, équation (24)). Dans le cas présent, \((1-\hat{x}_0)e^{\hat{p}_0} =
   b/a_0\). On a donc \begin{align*} \Gamma(t_0) &=c_0 - \varepsilon\, a_0
   \int_{-\infty}^{+\infty} \phi(t)\, \hat{x}_0(t) \left [b/a_0 -1
   +\hat{x}_0(t)\right ] dt \\ &= c_0+\varepsilon (1-b/a_0) \int_{-\infty}^{+\infty}
   \phi(t_0+u/(a_0-b)) \frac{e^u}{(1+e^u)^2}\, du\, . \end{align*}
   \(\Gamma(t_0)\) est ainsi une fonction périodique de \(t_0\) avec \(\int_0^T
   \Gamma(t_0)\, dt_0=0\). Considérons la décomposition de Fourier de \(\phi(t)\),
   \[\phi(t)=\sum_{k=-\infty}^{+\infty} \phi_k \, e^{ k\, \mathrm{i} \omega t},\]
   avec \(\omega=2\pi/T\), \(\phi_0=0\) parce que la moyenne de \(\phi(t)\) est
   nulle, et \(\phi_{-k}=\bar{\phi_k}\) (nombre complexe conjugué). On a alors
   \begin{align*} \Gamma(t_0)&= c_0+\varepsilon (1-b/a_0) \sum_{k=-\infty}^{+\infty}
   \phi_k \, e^{ k\, \mathrm{i} \omega t_0} \int_{-\infty}^{+\infty} \!\!\!
   e^{\frac{ k\, \mathrm{i} \omega u}{a_0-b}} \frac{e^u}{(1+e^u)^2}\, du\\ &=
   c_0+\varepsilon (1-b/a_0) \sum_{k=-\infty}^{+\infty} \phi_k \, e^{ k\, \mathrm{i}
   \omega t_0} \frac{\frac{ k \pi \omega}{a_0-b}}{\sinh \left (\frac{k \pi
   \omega}{a_0-b}\right )} \end{align*} (voir Appendice). En particulier
   si \(\phi(t)=\cos(\omega t)\,\), on a \(\phi_{\pm 1}=1/2\) et \(\phi_k=0\) sinon.
   On a donc \begin{equation}\tag{17} \Gamma(t_0)=c_0+\varepsilon \frac{\pi \omega
   \cos( \omega t_0)}{a_0 \sinh \left (\frac{\pi \omega}{a_0-b}\right )}\, .
   \end{equation}

       Comme (Escudero et Rodríguez, 2008) et (Assaf et coll., 2008), le système
   perturbé est de la forme \begin{equation}\tag{18} \frac{dx}{dt} = \frac{\partial
   H_0}{\partial p}+\varepsilon \frac{\partial H_1}{\partial p},\quad \frac{dp}{dt}
   = -\frac{\partial H_0}{\partial x}-\varepsilon \frac{\partial H_1}{\partial x}\,
   . \end{equation}  \(\hat{x}_0(t)\) et \(\hat{p}_0(t)\) ne dépendent que
   de \(t-t_0\). Donc la fonction de Melnikov est \begin{align*}
   \mathcal{M}(t_0)&=\int_{-\infty}^{+\infty} \! \left [ - \frac{\partial
   H_1}{\partial x} \frac{\partial H_0}{\partial p} + \frac{\partial H_1}{\partial
   p} \frac{\partial H_0}{\partial x} \right ]\!\!(t,\hat{x}_0(t),\hat{p}_0(t))\
   dt\\ &=\int_{-\infty}^{+\infty} \! \left [ - \frac{\partial H_1}{\partial x}
   \frac{d\hat{x}_0}{dt} - \frac{\partial H_1}{\partial p} \frac{d\hat{p}_0}{dt}
   \right ]\!\!(t,\hat{x}_0(t),\hat{p}_0(t))\ dt\, \\ &=\int_{-\infty}^{+\infty} \!
   \left [ \frac{\partial H_1}{\partial x} \frac{d\hat{x}_0}{dt_0} + \frac{\partial
   H_1}{\partial p} \frac{d\hat{p}_0}{dt_0} \right
   ]\!\!(t,\hat{x}_0(t),\hat{p}_0(t))\ dt =-\frac{1}{\varepsilon}\,
   \frac{d\Gamma}{dt_0}\, . \end{align*} En utilisant (17), on obtient
   \[\mathcal{M}(t_0)= \frac{\pi \omega \sin( \omega t_0)}{a_0 \sinh \left
   (\frac{\pi \omega}{a_0-b}\right )}\, .\]  \(\mathcal{M}(t_0)\) traverse 0
   pour \(t_0=k\pi/\omega\) (k un nombre entier). Par conséquent, l'orbite
   hétérocline existe au moins pour \(\varepsilon\) petit.

       Le minimum de \(\Gamma(t_0)\) dans (17) est obtenu
   pour \(t_0=T/2\) si \(\varepsilon > 0\) et pour \(t_0=0\) si \(\varepsilon < 0\).
   Dans les deux cas, on obtient \begin{equation}\tag{19} C\simeq c_0- \frac{\pi
   \omega |\varepsilon|}{a_0 \sinh \left (\frac{\pi \omega}{a_0-b}\right )}\, ,
   \quad \varepsilon\simeq 0, \end{equation} comme annoncé dans l'introduction.
   Noter que (19) ressemble à l'équation (4.76) de (Kamenev, 2011) obtenue en
   partant d'un hamiltonien légèrement différent. Si w est petit (T est grand) de
   sorte que \(\omega \ll a_0\), alors (19) montre que \begin{equation}\tag{20}
   C\simeq c_0-|\varepsilon|(1-b/a_0)\, , \end{equation} qui est indépendant
   de \(\omega\). Cette formule est la même que celle que l'on obtient dans (1)
   avec \(a=a_0(1-|\varepsilon|)\, :\)  \[\frac{b}{a_0(1-|\varepsilon|)} -1 -\log
   \frac{b}{a_0 (1-|\varepsilon|)} = \frac{b}{a_0} - 1 - \log \frac{b}{a_0}
   -|\varepsilon|(1-b/a_0)+o(\varepsilon)\, ,\quad \varepsilon\simeq 0. \] Comme
   dans « l'approximation adiabatique» de (Assaf et coll., 2008, section IV), on
   s'attend à ce que la formule (20) soit valable non seulement
   pour \(\varepsilon\simeq 0\,\), mais aussi tant que \(\omega\ll a_0\) et que le
   côté droit de (20) est positif. Parce que \(\sinh(x)\geq x\ \forall x\geq 0\,\),
   on peut remarquer que la valeur approchée de Cdonnée par (20) est toujours
   inférieure à celle donnée par (19).

       Limite haute fréquence. Supposons maintenant que \(\omega\gg a_0\), toujours
   avec \(\phi(t)=\cos(\omega t)\). Le système (18) s'écrit \begin{align*}
   \frac{dx}{dt} &= \frac{\partial H_0}{\partial p}(x,p) + a_0 \varepsilon
   \cos(\omega t) x (1-x) e^p\\ \frac{dp}{dt} &= -\frac{\partial H_0}{\partial
   x}(x,p) - a_0 \varepsilon \cos(\omega t) (1-2x) (e^p-1)\, . \end{align*} Avec la
   méthode de Kapitsa (Assaf et coll., 2008, §III.B), \[x(t)=X(t)+\xi(t),\quad
   p(t)=Y(t)+\eta(t),\] où X et Y sont des variables lentes, tandis que c et y sont
   de petites mais rapides oscillations. Les expressions qui oscillent rapidement
   donnent: \[\frac{d\xi}{dt}\simeq a_0 \varepsilon \cos(\omega t) X (1-X) e^Y,\quad
   \frac{d\eta}{dt} \simeq - a_0 \varepsilon \cos(\omega t) (1-2X) (e^Y-1)\, .\] On
   suppose que X et Y sont constants durant une courte oscillation,
   avec \(T=2\pi/\omega\). On obtient \[\xi(t)\simeq \frac{a_0 \varepsilon}{\omega}
   \sin(\omega t) X (1-X) e^Y,\quad \eta(t) \simeq - \frac{a_0 \varepsilon}{\omega}
   \sin(\omega t) (1-2X) (e^Y-1)\, .\] Ceci suggère la transformation \begin{align*}
   x&=X+\frac{a_0 \varepsilon}{\omega} \sin(\omega t) X (1-X) e^Y\\ p&=Y - \frac{a_0
   \varepsilon}{\omega} \sin(\omega t) (1-2X) (e^Y-1) + \frac{a_0^2
   \varepsilon^2}{\omega^2} \Phi(t,X,Y)\, . \end{align*}  \(\Phi(t,X,Y)\) est choisi
   pour que la transformation soit presque canonique, c'est-à-dire pour que les
   crochets de Poisson satisfassent la condition \begin{equation}\tag{21}
   \{x,p\}=\frac{\partial x}{\partial X} \frac{\partial p}{\partial Y} -
   \frac{\partial x}{\partial Y} \frac{\partial p}{\partial X}
   =1+o(a_0^2/\omega^2)\,. \end{equation} Parce que \begin{align*} \{x,p\}&=\left
   [1+\frac{a_0 \varepsilon}{\omega} \sin(\omega t) (1-2X) e^Y \right ] \left
   [1-\frac{a_0 \varepsilon}{\omega} \sin(\omega t) (1-2X) e^Y+ \frac{a_0^2
   \varepsilon^2}{\omega^2} \frac{\partial \Phi}{\partial Y} \right ]\\ &\quad -
   \left [ \frac{a_0 \varepsilon}{\omega} \sin(\omega t) X(1-X) e^Y \right ] \left [
   2 \frac{a_0 \varepsilon}{\omega} \sin(\omega t) (e^Y-1) + \frac{a_0^2
   \varepsilon^2}{\omega^2} \frac{\partial \Phi}{\partial X} \right ], \end{align*}
   la condition (21) s'écrit \begin{align*} \{x,p\}&=1-\frac{a_0^2
   \varepsilon^2}{\omega^2} \sin^2(\omega t) (1-2X)^2 e^{2Y} + \frac{a_0^2
   \varepsilon^2}{\omega^2}\frac{\partial \Phi}{\partial Y} \\ &\quad - 2\frac{a_0^2
   \varepsilon^2}{\omega^2} \sin^2(\omega t) X(1-X) e^{Y}(e^Y-1) + o(a_0^2/\omega^2)
   = 1+ o(a_0^2/\omega^2). \end{align*} On a donc \[\frac{\partial \Phi}{\partial Y}
   = \sin^2(\omega t) \left [(1-2X)^2 e^{2Y}+2X(1-X)e^Y (e^Y-1) \right ].\] Pour
   avoir \(\Phi(t,X,0)=0\,\), on doit choisir \[\Phi(t,X,Y)= \sin^2(\omega t) \left
   [(1-2X)^2 (e^{2Y}-1)/2+X(1-X)(e^Y-1)^2 \right ].\] La fonction
   génératrice \(F_2(t,x,Y)\) de cette transformation, avec \[\frac{\partial
   F_2}{\partial Y}=X+o(a_0^2/\omega^2),\quad \frac{\partial F_2}{\partial
   x}=p+o(a_0^2/\omega^2),\] est donnée par \begin{align*} F_2(t,x,Y)=xY&-\frac{a_0
   \varepsilon}{\omega} \sin(\omega t) x(1-x)(e^Y-1) \\ &+ \frac{a_0^2
   \varepsilon^2}{2 \omega^2} \sin^2(\omega t) x(1-x)(1-2x)(e^{2Y}-1)\, .
   \end{align*} Avec \(H(t,x,y)=h(t,X,Y)\,\), le nouveau hamiltonien est
   \[h(t,X,Y)+\frac{\partial F_2}{\partial t}.\] On a \(T=2\pi/\omega\). En prenant
   la moyenne de ce hamiltonien, la seconde expression s'annule parce que \[\int_0^T
   \frac{\partial F_2}{\partial t}\, dt=0\] et il ne reste que le hamiltonien
   effectif \[\bar{H}(X,Y)=\frac{1}{T} \int_0^T h(t,X,Y)\, dt.\] Un calcul laborieux
   utilisant le fait que \(\frac{1}{T} \int_0^T \sin^2(\omega t)\, dt=1/2\) conduit
   à \begin{align*} \bar{H}(X,Y)\simeq &X (1-e^{-Y}) \Bigl [ a_0(1-X)e^Y-b +\frac{
   a_0^2 \varepsilon^2}{2\omega^2} \Bigl \{ -a_0 X(1-X)^2 e^{2Y}+\\ & +
   b(1-X)(1-2X)e^Y - bX(1-X)(e^Y-1)-b(1-2X)^2\Bigr \} \Bigr ]\, . \end{align*} On
   obtient l'orbite hétérocline perturbée en imposant que le terme entre crochets
   soit nul. Cette orbite
   relie \((X^*_\varepsilon,0)\) et \((0,Y^*_\varepsilon)\,\), avec \begin{align*}
   X^*_\varepsilon &\simeq (1-b/a_0) \left [1-\frac{b(a_0-b)\,
   \varepsilon^2}{2\omega^2} \right ] ,\quad Y^*_\varepsilon\simeq \log(b/a_0) +
   \frac{a_0 (a_0-b) \varepsilon^2}{2 \omega^2} . \end{align*} L'action le long de
   cette orbite hétérocline est \[C=\int_{X_\varepsilon^*}^0 Y\, dX.\] Un autre
   calcul fastidieux conduit finalement à \begin{equation}\tag{22} C\simeq c_0 -
   \frac{ (a_0-b)^2 \varepsilon^2}{12\ \omega^2} (1 + 2b/a_0)\, , \end{equation}
   comme annoncé dans l'introduction. Parce que la fonction \(z\mapsto
   (1-z)^2(1+2z)\) est inférieure à 1 sur l'intervalle \(0 < z < 1\,\), le terme
   correctif pour Cest toujours inférieur à \(\frac{a_0^2\, \varepsilon^2}{12\,
   \omega^2}\,\). C'est petit parce que \(\omega\gg a_0\) par hypothèse. Comme on
   pouvait s'y attendre, une population sujette à une perturbation haute fréquence
   dépend peu de l'amplitude de cette perturbation.

3. Calculs numériques

       Multiplicateurs de Floquet. \(\lambda_1\) peut être estimé directement en
   calculant les multiplicateurs de Floquet de l'équation maîtresse en utilisant un
   logiciel tel que Scilab qui résout les équations différentielles ordinaires et
   calcule les valeurs propres des matrices numériquement. \(e^{\lambda_1 T}\) est
   la valeur propre avec la deuxième partie réelle la plus grande, la première étant
   1. On peut alors tracer \(-\log(-\lambda_1)\)  en fonction de N. La pente de
   cette courbe donne une valeur approchée de C.

       Orbite hétérocline. Comme pour (Assaf et coll., 2008), on peut obtenir
   l'orbite qui relie \((x^*(t),0)\) et \((0,p^*(t))\)  par une méthode de tir. On
   prend la condition initiale \(x^*(0)\) donnée par (15) et une toute petite valeur
   négative pour \(p(0)\). On varie cette valeur jusqu'à obtenir une
   solution \((x(t),p(t))\) qui tend à devenir périodique, c'est-à-dire
   avec \(x(t)\) proche de 0 et \(p(kT)\) proche de \(p^*(0)\) pour k grand (mais
   pas trop grand pour éviter l'instabilité numérique). On peut alors utiliser
   l'intégrale (16) pour calculer Cnumériquement.

       L'équation aux dérivées partielles. Il est aussi possible de calculer une
   solution périodique \(S^*(t,x)\) de l'équation de Hamilton-Jacobi (6) en
   utilisant les méthodes numériques de la théorie des solutions de viscosité. On
   définit
     *  \(\Delta t\) le pas de temps
     *  \(\Delta x\) le pas de discrétisation de l'espace
     *  \(S_j^m\) une approximation de \(S(m\Delta t,j\Delta x)\), où j et m sont
       des entiers tels que \(m\geq 0\) et \(0\leq j\leq J\) avec \(J=1/\Delta x\).

   On peut utiliser la méthode de Godunov \[\frac{S_j^{m+1}-S_j^m}{\Delta t} +
   \mathcal{H}\left (m\Delta t,j\Delta x, \frac{S_j^m-S_{j-1}^m}{\Delta
   x},\frac{S_{j+1}^m-S_{j}^m}{\Delta x}\right )= 0\, ,\] où le hamiltonien
   \(\mathcal{H}(t,x,p^-,p^+)\) est donné par \[\mathcal{H}(t,x,p^-,p^+)=\left
   \{\begin{array}{lll} \min \{H(t,x,p);\ p^-\leq p\leq p^+\}, & & p^- < p^+,\\ \max
   \{H(t,x,p);\ p^+\leq p\leq p^-\}, & & p^+\leq p^- \end{array} \right. \] (Osher
   et Shu, 1991). Parce que \(H(t,x,p)\) est convexe par rapport à p, la seconde
   expression faisant intervenir un maximum est égale à \[\max \{
   H(t,x,p^+),H(t,x,p^-)\}.\] Quant à la première expression faisant intervenir un
   minimum, noter avec (14) que \(H(t,x,p)\) a un minimum par rapport à p
   si \(\frac{\partial H}{\partial p}=0\,\), c'est-à-dire si
   \[p=p^\sharp=\frac{1}{2} \log \frac{b}{a(t)(1-x)}.\] On a donc \[\min
   \{H(t,x,p);\ p^-\leq p\leq p^+\} = \left \{\begin{array}{lll} H(t,x,p^+), & & p^-
   < p^+\leq p^\sharp,\\ H(t,x,p^-), & & p^\sharp\leq p^- < p^+,\\ H(t,x,p^\sharp),
   & & p^-\leq p^\sharp\leq p^+. \end{array} \right .\] Pour les conditions aux
   bords, on prend \[S_0^m=0,\quad (S_{J}^m-S_{J-1}^m)/\Delta x=K\,\] avec une très
   grande valeur pour K. Le pas de temps \(\Delta t\) doit être assez petit comparé
   à Dx pour que la condition de Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) soit satisfaite.
   Comme condition initiale on a pris \[S(0,x)=x\log(b/a_0)+x+(1-x)\log(1-x),\]
   c'est-à-dire la solution stationnaire régulière lorsque \(a(t)\) est remplacé par
   sa moyenne temporelle. On peut aussi choisir une fonction
   constante \(S(0,x)=\sigma\) avec s assez négative, mais la convergence vers le
   régime périodique est alors plus lente. La constante s doit être assez négative
   pour éviter le problème de non-unicité déjà mentionné dans la section 2. Une fois
   que la solution du problème non stationnaire a atteint un régime périodique, on
   peut estimer \[C=\min_t S^*(t,0^+)-\min_{t,x} S^*(t,x).\]

       Méthode de Monte-Carlo. Le temps moyen d'extinction peut aussi être estimé
   par une méthode de Monte-Carlo. On fait la moyenne des simulations stochastiques.
   Noter cependant que l'algorithme de Gillespie prenant avantage des temps
   d'attente distribués exponentiellement ne peut pas être utilisée parce
   que \(a(t)\) est périodique. Si N croît, le temps d'extinction peut devenir
   astronomique. On ne présente pas de résultats utilisant cette méthode.

       Exemples. On suppose \[a(t)=a_0(1+\varepsilon \cos(2\pi t/T))\]
   avec \(T=1\) semaine. Considérons d'abord le cas où \(a_0=20\) par semaine
   et \(b=5\) par semaine. La durée moyenne d'infection est \(1/b=
   \mbox{1,4}\) jours. On a ainsi \(R_0=a_0/b=4 >
   1\) et \(c_0=b/a_0-1-\log(b/a_0)\simeq \mbox{0,636}\). La figure 1 montre \(
   -\log(-\lambda_1)\) en fonction de N pour \(\varepsilon\in \{0,2\ ;\ 0,5\ ;\
   0,8\}\) et \(N=10\), 20, \(\ldots\), 60, calculé en utilisant les multiplicateurs
   de Floquet. Les lignes correspondent à une régression linéaire des 3 derniers
   points \(N=40\), 50, 60. Les pentes de ces lignes, qui sont des estimations de C,
   sont \(\mbox{0,524}\), \(\mbox{0,364}\) et \(\mbox{0,225}\)  pour \(\varepsilon=
   \mbox{0,2}\), \(\mbox{0,5}\) et \(\mbox{0,8}\).
   [Figure1JMB2015.png] Figure 1. Calcul des multiplicateurs de Floquet de
   l'équation maîtresse: \(-\log(-\lambda_1)\) en fonction de N
   pour \(\varepsilon\in \{0,2\ ;\ 0,5\ ;\ 0,8\}\) et \(N=10,\ 20,\ \ldots, 60\). Le
   nombre C est la pente de ces lignes. Valeurs des
   paramètres: \(T=1\), \(a_0=20\), \(b=5\).

        \(a_0\) et \(\omega=2\pi/T\) sont du même ordre de grandeur dans cet
   exemple. C'est un cas intermédiaire pour la fréquence. On s'attend donc à ce que
   (19) donne une bonne approximation pour C lorsque e est petit. La figure 2 montre
   les courbes suivantes en fonction de e pour \(0\leq \varepsilon \leq 1\) :
     * une ligne pleine pour C utilisant l'orbite hétérocline
     * des pointillés longs pour C utilisant l'équation aux dérivées partielles
       avec \(\Delta x= \mbox{0,002}\) et \(\Delta t= \mbox{0,0002}\)  (presque
       indiscernable)
     * trois points représentant les valeurs de C obtenues dans la figure 1
     * des pointillés courts pour la formule approchée (19)
     * des pointillés longs et courts, pour l'approximation (20) avec une basse
       fréquence.

   On peut voir que la formule approchée (19) est proche de C même lorsque e n'est
   que modérément petit. [Figure2JMB2015.png] Figure 2. Fréquence intermédiaire: le
   nombre Ccalculé en utilisant l'orbite hétérocline [ligne pleine] ou l'équation
   aux dérivées partielles [pointillés longs] (les deux lignes ne peuvent presque
   pas être distinguées), les multiplicateurs de Floquet comme dans la figure 1
   [points], la formule approchée (19) [pointillés courts], et la formule basse
   fréquence (20) [pointillés longs et courts], en fonction de \(\varepsilon\). Même
   valeurs des paramètres que dans la figure 1.

       La figure 3 montre une solution périodique \(S^*(t,x)\) de l'équation de
   Hamilton-Jacobi, tracée en fonction de x pour différentes valeurs de t,
   lorsque \(\varepsilon= \mbox{0,5}\). Noter la discontinuité de la solution
   en \(x=0\). Un zoom près de \(x=0\) montrerait que \(S^*(t,0^+)\) est
   effectivement périodique en temps, de sorte que la condition au
   bord \(S^*(t,0)=0\) ne peut être satisfaite que dans un sens faible.
   [Figure3JMB2015.png] Figure 3. Une solution périodique \(S^*(t,x)\) de l'équation
   de Hamilton-Jacobi, tracée en fonction de x pour \(t=0\) (ligne
   pleine), \(t=T/4\) (pointillés longs), \(t=T/2\) (pointillés courts)
   et \(t=3T/4\) (pointillés longs et courts). Mêmes valeurs des paramètres que dans
   la figure 1 et \(\varepsilon= \mbox{0,5}\).

       La figure 4 considère un exemple haute fréquence: \(a_0=2\) par semaine
   et \(b=1\) par semaine. On a ainsi \(R_0=2\) et \(c_0\simeq \mbox{0,1931}\). Dans
   ce cas \(\omega\simeq \mbox{6,28}\) par semaine est quelque peu supérieur
   à \(a_0\). Pour \(0\leq \varepsilon \leq 1\,\), on calcule le nombre C en
   utilisant l'orbite hétérocline et la formule haute fréquence (22). L'accord est
   bon sur toute la plage de valeurs. Enfin la figure 5 montre l'orbite
   reliant \((x^*(t),0)\) et \((0,p^*(t))\) pour les mêmes valeurs des paramètres
   avec \(\varepsilon= \mbox{0,1}\).
   [Figure4JMB2015.png] Figure 4. Régime haute fréquence: C calculé en utlisant
   l'orbite hétérocline [ligne pleine] et la formule haute fréquence (22) [ligne en
   pointillé] en fonction de e. Valeurs des paramètres: \(T=1\), \(a_0=2\), \(b=1\).
   [Figure5JMB2015.png] Figure 5. Les composantes \(t\mapsto
   \hat{x}(t)\) et \(t\mapsto \hat{p}(t)\)  de l'orbite hétérocline reliant les deux
   solutions périodiques \((0,p^*(t))\) et \((x^*(t),0)\). Mêmes valeurs des
   paramètres que dans la figure 4 et \(\varepsilon= \mbox{0,1}\).

4. Remarques

     * Il est possible d'obtenir des estimations plus précises avec la solution BKW
       raffinée \[\pi_n(t)\simeq e^{-N\, S_0(t,n/N)-S_1(t,n/N)}.\] En insérant
       \[\pi_{n+1}(t) \simeq e^{-N\, S_0(t,n/N) - \frac{\partial S_0}{\partial
       x}(t,n/N) - \frac{1}{2N}\frac{\partial^2 S_0}{\partial
       x^2}(t,n/N)-S_1(t,n/N)-\frac{1}{N} \frac{\partial S_1}{\partial x}(t,n/N)}\]
       et une expression semblable pour \(\pi_{n-1}(t)\) dans (8), et en séparant
       les termes de plus haut degré, on obtient l'équation de Hamilton-Jacobi (10)
       pour \(S_0(t,x)\) et l'équation de transport \begin{align*} \frac{\partial
       S_1}{\partial t} &+ \left [a(t)x(1-x)e^{\frac{\partial S_0}{\partial x}}-bx
       e^{-\frac{\partial S_0}{\partial x}} \right ] \frac{\partial S_1}{\partial
       x}\\ &=a(t)\, e^{\frac{\partial S_0}{\partial x}} \left
       [1-2x+\frac{x(1-x)}{2}\frac{\partial^2 S_0}{\partial x^2} \right ]+b\,
       e^{-\frac{\partial S_0}{\partial x}} \left [-1+\frac{x}{2} \frac{\partial^2
       S_0}{\partial x^2} \right ] \end{align*} pour \(S_1(t,x)\). Si la
       fonction \(a(t)\) est périodique, alors \(S_0(t,x)\) et \(S_1(t,x)\) doivent
       être calculés numériquement. Si la fonction \(a(t)=a\) est constante, alors
       le facteur pré-exponentiel pour \(\lambda_1\) s'obtient par la méthode des
       développements asymptotiques raccordés, comme suit (Assaf et Meerson, 2010).
       D'abord \(S_0(x)\) est donné par (3) et l'équation pour \(S_1(x)\) conduit à
       \[S_1(x)=\log (x \sqrt{1-x})+\mathrm{const}.\] On a donc \[\pi_n\simeq
       \kappa\ \frac{e^{-NS_0(n/N)}}{\frac{n}{N}\sqrt{1-\frac{n}{N}}}\] pour une
       constante \(\kappa\). Si n est petit, \begin{equation}\tag{23} \pi_n\simeq
       \frac{\kappa\, N}{n}\, e^{-NS_0(0)-nS_0'(0)}=\frac{\kappa\, N}{n}\,
       e^{-NS_0(0)} \left (\frac{a}{b}\right )^n\, . \end{equation} Pour le système
       (8), on peut aussi utiliser l'approximation
       \[a(n-1)\pi_{n-1}-n(a+b)\pi_n+b(n+1)\pi_{n+1}\simeq 0,\quad n\geq 1.\] On a
       alors \[\pi_n\simeq \frac{\pi_1}{n} \frac{1-(a/b)^n}{1-a/b} \sim
       \frac{\pi_1}{n} \frac{(a/b)^n}{a/b-1}.\] Ceci coïncide avec (23) seulement
       si \(\pi_1\simeq \kappa N e^{-NS_0(0)} (\frac{a}{b}-1)\). Finalement (9)
       donne \[\lambda_1\simeq \frac{-b\, \pi_1/(\kappa\, N)}{\int_0^1
       \frac{e^{-NS_0(x)}}{x\sqrt{1-x}}\, dx}\simeq \frac{(b-a)x^*\sqrt{1-x^*}
       \sqrt{N S_0''(x^*)}}{e^{N[S_0(0)-S_0(x^*)]} \sqrt{2\pi} }=
       -\frac{(a-b)^2}{a\, e^{cN}} \sqrt{\frac{N}{2\pi}}\, \] (Assaf et Meerson,
       2010, équation (71)). Si par exemple \(a=20\), \(b=5\) et \(N=50\,\), alors
       cette estimation est seulement 2% au-dessus de la valeur
       de \(\lambda_1\) obtenue avec un logiciel calculant les valeurs propres de
       grandes matrices comme dans la figure 1. La méthode des développements
       asymptotiques raccordés peut probablement être étendue au cas périodique mais
       il est peu probable qu'elle conduise à une formule explicite.
     * Soit la fonction génératrice \[\phi(t,z)=\sum_{n=0}^N P_n(t)\, z^n\]
       avec \(0\leq z\leq 1\). On a \(\phi(t,1)=1\ \forall t\). Un calcul simple
       partant de (7) montre que \[ \frac{\partial \phi}{\partial t} = (1-z)\left
       (b+\frac{a(t)z}{N}-a(t) z \right ) \frac{\partial \phi}{\partial z} +
       \frac{a(t)}{N}\, z^2(1-z) \frac{\partial ^2 \phi}{\partial z^2},\quad 0 < z <
       1. \] Dans le régime quasi-stationnaire, on s'attend à ce que
       \[\phi(t,z)\simeq 1+e^{\lambda_1 t} \psi(t,z)\] avec \(\psi(t,z)\) périodique
       en \(t\), \(\psi(t,1)=0\) et \[ \lambda_1 \psi + \frac{\partial
       \psi}{\partial t} = (1-z)\left (b+\frac{a(t)z}{N}-a(t) z \right )
       \frac{\partial \psi}{\partial z} + \frac{a(t)}{N}\, z^2(1-z) \frac{\partial
       ^2 \psi}{\partial z^2}\, . \]  \(\lambda_1\) est donc aussi la valeur propre
       non nulle la plus grande de ce problème parabolique. Ceci pourrait être un
       moyen de démontrer plus rigoureusement les résultats asymptotiques pour N
       grand.
     * Avec \(P_n(t)=\mathcal{P}(t,x)\) et \(x=n/N\) et en effectuant un
       développement de Taylor à l'ordre 2 de l'équation maîtresse (7), on obtient
       l'équation de Fokker-Planck ou équation de diffusion \[\frac{\partial
       \mathcal{P}}{\partial t} = -\frac{\partial}{\partial x} \Bigl [ \bigl
       (a(t)x(1-x)-bx \bigr ) \mathcal{P} \Bigr ] +\frac{1}{2N}
       \frac{\partial^2}{\partial x^2} \Bigl [ \bigl (a(t)x(1-x)+bx \bigr )
       \mathcal{P} \Bigr ]\, .\] De même pour le temps moyen
       d'extinction \(\tau_n(t)=\tau(t,x)\) avec \(x=n/N\), (13) conduit au problème
       adjoint \[-1 = \frac{\partial \tau}{\partial t} + \bigl (a(t)x(1-x)-bx \bigr
       )\frac{\partial \tau}{\partial x} + \frac{1}{2N} \bigl (a(t)x(1-x)+bx \bigr
       )\frac{\partial^2 \tau}{\partial x^2}\, .\] Cependant on sait déjà dans le
       cas des coefficients indépendants du temps que ces équations ne donnent pas
       normalement la valeur correcte de C (Doering et coll., 2005). La valeur ne
       tend à être correcte que si \(R_0\) est proche de 1. Le même problème
       apparaît dans d'autres modèles épidémiques. Par exemple (Diekmann et coll.,
       2012, p. 112-113) utilise une approximation de diffusion pour estimer Cdans
       un modèle SIR en dépit du fait que \(R_0\simeq 10\) dans leur application.
       Pour une analyse BKW du modèle SIR stochastique, voir (Kamenev et Meerson,
       2008).
     * Le nombre \(1/C\)  peut être appelé la taille critique de la communauté
       (Diekmann et coll., 2012).

Annexe

       Démontrons que \[\int_{-\infty}^{+\infty} \!\!\! e^{\mathrm{i} \lambda u}
   \frac{e^u}{(1+e^u)^2}\, du = \frac{\pi \lambda}{\sinh (\pi \lambda)}\, .\]
   D'abord, \(e^u/(1+e^u)^2=1/(4\cosh^2(u/2))\) est une fonction paire. Ceci combiné
   avec une intégration par parties montre que \begin{align*}
   \int_{-\infty}^{+\infty} \!\!\! e^{\mathrm{i} \lambda u} \frac{e^u}{(1+e^u)^2}\,
   du&=2 \int_{0}^{+\infty} \!\!\! \cos(\lambda u) \frac{e^u}{(1+e^u)^2}\, du\\ &=2
   \left [\frac{-\cos(\lambda u)}{1+e^u}\right ]_0^\infty - 2 \int_0^\infty
   \frac{\lambda \sin (\lambda u)}{1+e^u}\, du\\ &= 1 - 2 \lambda \int_0^\infty
   \frac{e^{-u} \sin (\lambda u)}{1+e^{-u}}\, du\, . \end{align*} En développant en
   série de puissance \(1/(1+e^{-u})\,\), on obtient \begin{align*}
   \int_{-\infty}^{+\infty} \!\!\! e^{\mathrm{i} \lambda u} \frac{e^u}{(1+e^u)^2}\,
   du&=1 - 2 \lambda \sum_{n=0}^\infty (-1)^n \int_0^\infty e^{-(n+1)u} \sin
   (\lambda u) \, du\\ &=1 + 2 \lambda^2 \sum_{n=0}^\infty
   \frac{(-1)^{n+1}}{\lambda^2 + (n+1)^2}\, . \end{align*} La somme de cette série
   peut être calculée avec la formule d'Euler \[\frac{1}{\sin z} = \frac{1}{z} +
   \sum_{n=1}^\infty (-1)^n \frac{2 z}{z^2-n^2\pi^2}\, ,\] qui est vraie pour tout
   nombre complexe z avec \(z\neq n\pi\) (n entier). On prend \(z=\mathrm{i}
   \pi\lambda\). Parce que \(\sin(\mathrm{i}\pi\lambda)=\mathrm{i}
   \sinh(\pi\lambda)\ \), on obtient \[\frac{\pi \lambda}{\sinh(\pi \lambda)} = 1 +
   2\lambda^2 \sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n}{\lambda^2+n^2}\] et le résultat s'en
   suit.

    Remerciements

       Cet article a été stimulé par une discussion avec Hans Metz concernant la
   taille de population effective dans un environnement périodique lors d'une
   conférence sur les modèles stochastiques en écologie, évolution et génétique à
   Angers en décembre 2013.

    Références bibliographiques

     * Andersson H, Djehiche B (1998) A threshold limit theorem for the stochastic
       logistic epidemic. J Appl Probab 35:662-670
     * Aronsson G, Kellogg RB (1978) On a differential equation arising from
       compartmental analysis. Math Biosci 38:113-122
     * Assaf M, Kamenev A, Meerson B (2008) Population extinction in a
       time-modulated environment. Phys Rev E 78:041123
     * Assaf M, Meerson B (2010) Extinction of metastable stochastic populations.
       Phys Rev E 81:021116
     * Bacaër N, Ait Dads E (2012) On the biological interpretation of a definition
       for the parameter R0 in periodic population models. J Math Biol 65:601-621
     * Barles G (1994) Solutions de viscosité des équations de Hamilton-Jacobi.
       Springer, Berlin
     * Barles G, Perthame B (1988) Exit time problems in optimal control and
       vanishing viscosity method. SIAM J Control Optim 26:1133-1148
     * Billings L, Mier-y-Teran-Romero L, Lindley B, Schwartz IB (2013)
       Intervention-based stochastic disease eradication. PLoS ONE 8(8): e70211
     * Diekmann O, Heesterbeek H, Britton T (2012) Mathematical tools for
       understanding infectious disease dynamics. Princeton University Press,
       Princeton
     * Doering CR, Sargsyan KV, Sander LM (2005) Extinction times for birth-death
       processes: exact results, continuum asymptotics, and the failure of the
       Fokker-Planck approximation. Multiscale Model Simul 3:283-299
     * Escudero C, Rodríguez JA (2008) Persistence of instanton connections in
       chemical reactions with time-dependent rates. Phys Rev E 77:011130
     * Hethcote H (1973) Asymptotic behavior in a deterministic epidemic model. Bull
       Math Biol 35:607-614
     * Kamenev A (2011) Field theory of non-equilibrium systems. Cambridge
       University Press, Cambridge
     * Kamenev A, Meerson B (2008) Extinction of an infectious disease: a large
       fluctuation in a nonequilibrium system. Phys Rev E 77:061107
     * Mitake H (2009) Large time behavior of solutions of Hamilton-Jacobi equations
       with periodic boundary data. Nonlinear Anal 71:5392-5405
     * Nasell I (2011) Extinction and quasi-stationarity in the stochastic logistic
       SIS model. Springer, Berlin
     * Osher S, Shu CW (1991) High-order essentially nonoscillatory schemes for
       Hamilton-Jacobi equations. SIAM J Numer Anal 28:907-922
     * Ovaskainen O, Meerson B (2010) Stochastic models of population extinction.
       Trends Ecol Evol 25:643-652
     * Rabinowitz PH (1994) Heteroclinics for a reversible Hamiltonian system. Ergod
       Theor Dyn Syst 14:817-829
     * Roquejoffre JM (2001) Convergence to steady states or periodic solutions in a
       class of Hamilton-Jacobi equations. J Math Pures Appl 80:85-104
     * Soner HM (1986) Optimal control with state-space constraint I. SIAM J Control
       Optim 24:552-561


Usage: http://www.kk-software.de/kklynxview/get/URL
e.g. http://www.kk-software.de/kklynxview/get/http://www.kk-software.de
Errormessages are in German, sorry ;-)