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            Résonance du seuil épidemique dans un environnement périodique

                          J. Math. Biol. 57 (2008) p. 649-673

                                    Nicolas Bacaër

                      Institut de recherche pour le développement
                     32 avenue Henri Varagnat, 93143 Bondy, France
                                 nicolas.bacaer@ird.fr

                                  Xamxinur Abdurahman

    Département de mathématiques et sciences des systèmes, Université du Xinjiang,
                                     Urumqi, Chine

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    Résumé

   Il y a eu de nombreuses études sur la résonance entre la période naturelle d'une
   maladie endémique et un taux de contact saisonnier périodique. Cet article ne se
   focalise pas sur la résonance pour des maladies endémiques mais sur la résonance
   pour des maladies émergentes. La périodicité peut avoir une grande influence sur
   le taux de croissance initial et donc sur le seuil épidémique. Il y a résonance
   quand l'équation d'Euler-Lotka a une racine complexe dont la partie imaginaire
   (c'est-à-dire la fréquence naturelle) est proche de la pulsation du taux de
   contact et dont la partie réelle n'est pas trop éloignée du paramètre malthusien.
   C'est une sorte d'analogue en temps continu des travaux de Tuljapurkar sur les
   modèles de population en temps discret. On illustre ce phénomène de résonance sur
   plusieurs modèles simples d'épidemies avec des contacts qui varient
   périodiquement de manière hebdomadaire. On explique les différences surprenantes
   entre un modèle SEIR périodique avec une période de latence distribuée
   exponentiellement et le même modèle avec une période de latence fixe.

1.   Introduction

       Depuis au moins le travail de 1932 de Kermack et McKendrick, on sait que les
   maladies infectieuses peuvent présenter des oscillations amorties près d'un état
   d'équilibre endémique. En effet, en utilisant un modèle simple formé d'un système
   d'équations différentielles ordinaires, ils montrèrent que les valeurs propres de
   la matrice jacobienne en ce point d'équilibre peuvent être complexes. Ces valeurs
   propres déterminent une période naturelle d'oscillation. Depuis les années 1970
   et en particulier depuis l'essor de la « théorie du chaos », de nombreux travaux
   ont montré que la résonance entre cette période naturelle et un taux de contact
   saisonnier périodique ou un autre facteur périodique pouvait induire un
   comportement dynamique inattendu.

       Ceci se produit même pour des modèles mathématiques non linéaires très
   simples (Dietz, 1974 et 1976 ; Grossman et coll., 1977 ; Grossman, 1980 ; Smith,
   1983a et 1983b ; Schwartz et Smith, 1983 ; Aron et Schwartz, 1984 ; Schwartz,
   1985 ; Schaffer, 1985 ; Hethcote et Levin, 1989 ; Olsen et Schaffer, 1990 ; Rand
   et Wilson, 1991 ; Grenfell, 1992 ; Bolker et Grenfell, 1993 ; Kuznetsov et
   Piccardi, 1994 ; Grenfell et coll., 1995 ; Glendinning et Perry, 1997 ; Earn et
   coll., 2000 ; Keeling et coll., 2001 ; Keeling et Grenfell, 2002 ; Billings et
   Schwartz, 2002 ; Kamo et Sasaki, 2002 ; Dushoff et coll., 2004 ; Greenman et
   coll., 2004 ; Ireland et coll., 2004 ; Zeng et coll., 2005 ; Altizer et coll.,
   2006 ; Choisy et coll., 2006 ; Grassly et Fraser, 2006 ; Ireland et coll., 2007 ;
   Moneim, 2007a et 2007b).

       Premièrement, si les équations linéarisées près de l'équilibre endémique ont
   une valeur propre complexe avec une partie imaginaire y proche de la pulsation w
   du taux de contact et avec une partie réelle x proche de 0, alors des
   oscillations relativement petites du taux de contact peuvent causer de grandes
   oscillations de la prévalence. Deuxièmement, quand \(y/\omega\) est proche d'un
   nombre rationnel  \(p/q\neq 1\) avec p et q  petits, et pour des amplitudes
   d'oscillations suffisamment grandes du taux de contact, la prévalence peut
   osciller à une fréquence sous-harmonique. Du chaos peut également apparaître pour
   certaines plages des valeurs des paramètres. De cette manière, la théorie
   explique les séries temporelles pour l'incidence de certaines maladies telles que
   la rougeole, qui fut à une époque endémique mais avec des pics épidémiques à peu
   près tous les deux ans dans certaines villes (Soper, 1929), et dont on pensait
   par conséquent que la « période naturelle » d'oscillation près de son équilibre
   endémique était proche de deux ans. En écologie, il y a également des phénomènes
   de résonance similaires entre un environnement fluctuant et une période naturelle
   d'oscillation près d'un état d'équilibre non nul (Gurney et Nisbet, 1980 ; Nisbet
   et Gurney, 1982, chapitre 3).

       D'après (Lotka, 1939a, p. 73 ; Lotka, 1939b), l'équation caractéristique (ou
   équation d'Euler-Lotka) pour les modèles démographiques linéaires en temps
   continu a aussi des racines complexes, qui provoquent des ondes de population.
   Lotka pensait qu'il y a toujours une infinité de telles racines et que l'une
   d'entre elle a en général une période naturelle associée proche d'une génération,
   soit deux ou trois décennies pour des populations humaines. A. J. Coale a étudié
   le cas d'une fertilité périodique et a remarqué un accroissement significatif du
   taux de croissance du modèle lorsque la période de la fertilité est proche d'une
   génération, un phénomène qu'il a aussi appelé résonance (Coale, 1972, figure
   6.8). (Kim et Schoen, 1996 ; Schoen et Kim, 1997 ; Schoen, 2006) ont également
   étudié la résonance de l'amplitude des oscillations, mais pas la résonance du
   taux de croissance, dans les modèles linéaires en temps continu. (Tuljapurkar,
   1985 et 1990), (Caswell, 2001, § 13.3.2) et (Keyfitz et Caswell, 2005, § 7.3.2)
   ont étudié la résonance dans les modèles matriciels linéaires en temps discret:
   étant donnée la transformation exponentielle qui relie les modèles en temps
   discret et ceux en temps continu, la résonance se produit quand la matrice qui
   décrit la croissance dans un environnement constant a une valeur propre complexe
    \(x+\mathrm{i}\, y\) avec  \(\arctan(y/x)\)  proche de w et avec un module
   proche du rayon spectral de la matrice. À nouveau, (Tuljapurkar, 1985) se
   concentre sur la résonance de l'amplitude des oscillations mais pas sur la
   résonance du taux de croissance.

       Les modèles mathématiques que l'on obtient par linéarisation de modèles
   épidémiques non linéaires près de l'équilibre sans maladie (et non l'équilibre
   endémique) sont très semblables aux modèles de population linéaires mentionnés
   dans le paragraphe précédent; la variable âge est remplacée par le temps écoulé
   depuis l'infection. Par conséquent, on s'attend à ce que la résonance du taux de
   croissance initial puisse aussi se produire dans un environnement périodique, ce
   qui change considérablement le seuil épidémique. Cela peut avoir des conséquences
   importantes pour les maladies émergentes. Noter cependant que pour beaucoup de
   maladies transmises par voie aérienne, le temps moyen entre deux générations
   d'infectés est de l'ordre d'une ou deux semaines; cela dépend de la période de
   latence. Ainsi la résonance n'est probable que si le taux de contact varie avec
   une période du même ordre de grandeur, typiquement s'il varie de manière
   hebdomadaire. Pour les enfants scolarisés, les contacts diminuent pendant les
   week-ends. On peut aussi imaginer une maladie infectieuse pour des animaux vendus
   une fois par semaine sur un marché.

       La section 2 rappelle comment calculer le taux de croissance dans les modèles
   de population qui sont linéaires, périodiques et continus en temps. On donne une
   formule générale pour la perturbation du premier ordre; elle fait intervenir la
   notion de valeur reproductive dans un environnement périodique. Mais pour une
   petite perturbation périodique d'un modèle avec des coefficients qui ne dépendent
   pas du temps, cette formule montre qu'il est nécessaire d'inclure un terme de
   second ordre pour étudier la résonance du taux de croissance.

       La section 3 présente trois méthodes différentes pour étudier la résonance.
   Les deux premières méthodes, l'une purement numérique, l'autre en partie
   analytique, reposent sur nos travaux antérieurs (Bacaër et Guernaoui, 2006 ;
   Bacaër, 2007 ; Bacaër et Ouifki, 2007). La troisième méthode suggère, comme on
   peut s'y attendre, que la résonance du taux de croissance se produit si
     * l'équation d'Euler-Lotka (Lotka, 1939a, p. 65) a une racine complexe
     * la partie imaginaire est proche de la pulsation w du taux de contact
     * la partie réelle est proche du paramètre malthusien.

   Il y a aussi une autre condition technique.

       La section 4 applique les trois méthodes à cinq modèles épidémiques
   classiques avec des taux de contact périodiques pour montrer comment des modèles
   avec seulement de légères différences peuvent avoir des propriétés bien
   différentes:
     * un modèle SIR avec une période infectieuse exponentielle, c'est-à-dire
       distribuée exponentiellement; la résonance du taux de croissance initial y
       est impossible. L'objectif est d'insister sur le fait que ce modèle est
       exceptionnel dans le sens où le taux de croissance initial est même
       complètement indépendant de la fréquence du facteur périodique. Ce modèle est
       responsable de l'idée commune mais fausse suivant laquelle les modèles
       linéarisés avec des coefficients périodiques se traitent facilement en
       prenant la moyenne.
     * un modèle SIR avec une période infectieuse fixe, pour lequel la résonance est
       possible. Mais avec les valeurs des paramètres choisies ici, la résonance
       s'avère très faible.
     * un modèle SEIR avec une période de latence et une période infectieuse qui
       sont distribuées exponentiellement; la résonance est impossible, comme
       (Bacaër, 2007) l'a remarqué, mais le taux de croissance dépend du facteur
       périodique, contrairement au premier modèle SIR.
     * un modèle SEIR avec une période de latence fixe et une période infectieuse
       distribuée exponentiellement, où contrairement aux modèles précédents une
       forte résonance est possible, comme (Bacaër et Ouifki, 2007) l'a remarqué.
     * un modèle SEIR avec une période de latence qui suit une distribution Gamma et
       une période infectieuse distribuée exponentiellement; c'est une
       généralisation des deux modèles précédents, qui montre comment la résonance
       devient impossible lorsque la distribution de la période de latence passe
       progressivement d'une fonction en escalier à une exponentielle.

   Un point clé est que l'équation d'Euler-Lotka pour le modèle autonome peut bien
   ne pas avoir de racine complexe autre que sa racine réelle (§4.1, §4.3), comme
   (Feller, 1941) l'a déjà remarqué. Bien sûr, on sait depuis longtemps que deux
   modèles épidémiques avec seulement une distribution différente pour le temps
   passé dans un compartiment peuvent avoir des propriétés qualitatives différentes;
   voir l'étude de l'existence de solutions périodiques pour les modèles épidémiques
   autonomes (Hethcote et Levin, 1989, §3).

       En résumé, la règle a priori raisonnable d'un point de vue biologique, selon
   laquelle la résonance du seuil épidémique est importante lorsque la fréquence de
   l'environnement est proche d'une fréquence naturelle de la maladie, ne marche pas
   toujours. De manière surprenante, elle ne marche pas pour le modèles les plus
   simples, les modèles SIR et SEIR avec des période de latence et d'infectiosité
   distribuées exponentiellement. Cette règle doit être remplacée par une étude plus
   précise des racines complexes de l'équation d'Euler-Lotka. Un phénomène de
   résonance similaire peut se produire pour la reproductivité  \(R_0\) (Bacaër et
   Ouifki, 2007, figure 1). On devrait donc revoir les estimations de la
   reproductivité pour les maladies se propageant dans un environnement périodique
   tel que l'école.

       Le premier appendice contient une preuve de la croissance de la valeur
   reproductive totale d'une population dans un environnement périodique. Voir aussi
   (Michel et coll., 2005). C'est un corollaire de notre étude et une généralisation
   d'un résultat classique de R.A. Fisher pour les modèles de population autonomes
   (Fisher, 1930, chapitre 2). Le second appendice explique pourquoi la définition
   que l'on propose pour la valeur reproductive dans un environnement périodique
   semble avoir de meilleures propriétés que la définition utilisée par Ediev (2001,
   2007).

2.   Formules de perturbation du premier ordre

  2.1   Le taux de croissance initial

       Lorsqu'on étudie la stabilité de l'équilibre sans maladie d'un modèle
   épidémique, la première chose à faire est de linéariser le modèle près de cet
   équilibre. Le système linéaire qui en résulte peut en général s'écrire comme une
   équation intégrale de renouvellement \begin{equation}\tag{1} J(t)=\int_0^\infty
   \Phi(t,x)\, J(t-x)\, \mathrm{d}x\, . \end{equation}
     *  \(J(t)\) est un vecteur colonne \((J_1(t),\ldots,J_n(t))^{\mathrm{T}}\,\),
       avec l'indice k qui représente différents types de personnes infectées
     *  \(J_k(t)\) représente le nombre de nouvelles personnes qui entrent dans le
       compartiment infecté k par unité de temps au temps t
     *  \(\Phi(t,x)\) est une matrice carrée de taille n et une fonction positive
       qui est périodique de période T par rapport à t
     *  \(\Phi_{k,\ell}(t,x)\) est le nombre moyen d'infections par unité de temps,
       de type k, produites au temps t par une personne qui a été infectée au temps
       t-x, et qui était de type \(\ell\)
     * x est le temps depuis l'infection.

       Pour simplifier, on ne considérera que le cas \(n=1\) puisque c'est suffisant
   pour les exemples que nous avons à l'esprit. Ce cas intervient par exemple (mais
   pas seulement) lorsqu'on considère une population unique de personnes infectées
   avec
     * un taux de guérison \(\mu(t,x)\)
     * un taux de contact effectif  \(\beta(t,x)\) (produit du taux de contact et de
       la probabilité de transmission par contact),

   qui dépendent du temps t et de la durée x écoulée depuis l'infection. On suppose
     *  \(\mu(t+T,x)=\mu(t,x)\) et \(\beta(t+T,x)=\beta(t,x)\)
     *  \(i(t,x)\) est la densité de population infectée depuis x unités de temps au
       temps t.

   Dans l'approximation linéaire près de l'équilibre sans maladie, \(i(t,x)\) est
   solution du système \begin{equation} \frac{\partial i}{\partial t}+\frac{\partial
   i}{\partial x}+\mu(t,x)\, i(t,x)=0\, ,\quad i(t,0)=\int_0^\infty
   \!\!\!\beta(t,x)\, i(t,x)\, \mathrm{d}x\, .\tag{2} \end{equation}
   \(J(t)=i(t,0)\) est solution de (1) avec \begin{equation}\tag{3}
   \Phi(t,x)=\ell(t-x,x)\, \beta(t,x)\quad ,\quad \ell(\tau,x)=\exp\Bigl (-\int_0^x
   \mu(\tau+y,y)\, dy\Bigr )\, . \end{equation} Ici,  \(\ell(\tau,x)\) est la
   probabilité pour qu'une personne nouvellement infectée au temps t soit encore
   infectée au temps \(\tau+x\). Le taux de croissance initial r de l'épidémie est
   l'unique nombre réel pour lequel l'équation intégrale suivante a une solution
   positive, non triviale et périodique de période T : \begin{equation}\tag{4}
   p(t)=\int_0^\infty e^{-r x}\, \Phi(t,x)\, p(t-x)\, \mathrm{d}x \, ,
   \end{equation} (Coale, 1972 ; Bacaër et Guernaoui, 2006 ; Bacaër, 2007 ; Bacaër
   et Ouifki, 2007 ; Michel et coll., 2005 ; Thieme, 1984 ; Jagers et Nerman, 1985 ;
   Williams et Dye, 1997). Comme dans (Michel et coll., 2005), c'est aussi l'unique
   nombre réel tel qu'il existe une fonction \(u(t,x)\) positive, non triviale,
   périodique de période T par rapport à t, avec \begin{align} &-\frac{\partial
   u}{\partial t}-\frac{\partial u}{\partial x}-\mu(t,x)\, u(t,x)=r\, u(t,x)\,
   ,\quad u(t,0)=\int_0^\infty\!\!\! \beta(t,x)\, u(t,x)\, \mathrm{d}x\, ,\tag{5}
   \end{align} et la condition de normalisation \begin{equation}\tag{6} \frac{1}{T}
   \int_0^T \!\!\! \int_0^\infty \!\!\!u(t,x)\, \mathrm{d}x\, \mathrm{d}t =1\, .
   \end{equation} Enfin, comme dans (Michel et coll., 2005), le taux de
   croissance \(r\) est aussi l'unique nombre réel tel qu'il existe une
   fonction \(v(t,x)\)  positive, non triviale, périodique de période T par rapport
   à t, avec \begin{align} &\frac{\partial v}{\partial t}+\frac{\partial v}{\partial
   x}-\mu(t,x)\, v(t,x) + \beta(t,x)\, v(t,0) = r\, v(t,x)\, ,\tag{7} \end{align} et
   la condition de normalisation \begin{equation}\tag{8} \langle u,v\rangle =
   \frac{1}{T} \int_0^T \!\! \int_0^\infty \!\!\!u(t,x)\, v(t,x)\, \mathrm{d}x\,
   \mathrm{d}t=1 . \end{equation} Le triplet \((r,u,v)\) est celui qui vient de la
   théorie de Krein-Rutman pour les operateurs positifs (Michel et coll., 2005,
   théorème 5.1).

        \(v(t,x)\) est la valeur reproductive d'un individu infecté depuis x unités
   de temps au temps t. Noter que dans les modèles
   démographiques, \(\beta(t,x)\) serait la fécondité et  \(\mu(t,x)\) la mortalité.
   Sauf pour la normalisation,  \(v(t,x)\) est la généralisation pour le modèle avec
   des coefficients périodiques de la définition de Fisher pour la valeur
   reproductive dans les modèles autonomes (Fisher, 1927 et 1930 ; Lotka et Fisher,
   1927). Noter aussi que (Michel et coll., 2005) ne mentionne pas le lien avec la
   notion de valeur reproductive. (Grafen, 2006) a présenté récemment des
   généralisations dans d'autres directions.

       Avec la présente définition de \(v(t,x)\,\), on peut facilement généraliser
   un théorème dû à Fisher (1930, chapitre 2) : \begin{equation}\tag{9}
   V(t)=\int_0^\infty \!\!\!i(t,x)\, v(t,x)\, \mathrm{d}x = V(0)\, e^{rt}\, ,
   \end{equation} (voir l'appendice 1). C'est la raison principale pour laquelle la
   définition que nous utilisons pour la valeur reproductive dans un environnement
   périodique semble plus appropriée que celle de (Ediev, 2001 et 2007) (voir
   l'appendice 2).

  2.2   Formules perturbatives du premier ordre pour le taux de croissance du système (2)

       Considérons d'abord le cas où \[\mu(t,x)=\mu_0(t,x)+\varepsilon\,
   \mu_1(t,x),\] avec deux fonctions \(\mu_0(t,x)\) et \(\mu_1(t,x)\) qui sont
   périodiques par rapport à \(t\). On écrit la première équation de (5) sous la
   forme \[\mathcal{L}_\varepsilon u=r \, u.\]  \(\mathcal{L}_\varepsilon\) est un
   opérateur différentiel linéaire sur un espace de fonctions périodiques de période
   T (par rapport à la variable t) qui satisfont la contrainte donnée par la seconde
   équation de (5). Alors \[\mathcal{L}_\varepsilon=\mathcal{L}_0+\varepsilon\,
   \mathcal{M}, \quad (\mathcal{M}u)(t,x)=-\mu_1(t,x)\, u(t,x).\]
   \((r_0,u_0,v_0)\) est le triplet associé avec  \(\mathcal{L}_0\). La théorie
   perturbative des opérateurs linéaires (Kato, 1984) dit que la valeur propre
   principale  \(r_\varepsilon\) associée à \(\mathcal{L}_\varepsilon\) est donnée
   par \[r_\varepsilon= r_0+\varepsilon\, \rho+o(\varepsilon),\quad \varepsilon\to
   0\] (notations de Landau), avec \begin{equation} \rho=\langle
   \mathcal{M}u_0,v_0\rangle = -\frac{1}{T}\int_0^T \!\!\!\int_0^\infty
   \!\!\!\mu_1(t,x)\, u_0(t,x)\, v_0(t,x)\, \mathrm{d}x\ \mathrm{d}t\, .\tag{10}
   \end{equation} Noter que \(\rho < 0\) si \(\mu_1 > 0\), comme il se doit.

       De même, on peut considérer le cas où
   \[\beta(t,x)=\beta_0(t,x)+\varepsilon'\, \beta_1(t,x),\] avec deux
   fonctions \(\beta_0(t,x)\) et \(\beta_1(t,x)\) qui sont périodiques par rapport à
   t. Écrivons (7) \[\mathcal{L}'_\varepsilon v=r\, v, \quad
   \mathcal{L}'_\varepsilon=\mathcal{L}_0'+\varepsilon'\, \mathcal{N}, \quad
   (\mathcal{N}v)(t,x)=\beta_1(t,x)\, v(t,0).\] Noter que \((r_0,v_0,u_0)\) est le
   triplet associé à \(\mathcal{L}_0'\). La même théorie perturbative dit que la
   valeur propre principale  \(r_\varepsilon\) associée
   à \(\mathcal{L}'_\varepsilon\) est donnée par \[r_\varepsilon= r_0+\varepsilon'\,
   \rho'+o(\varepsilon'), \quad \varepsilon'\to 0\] avec \begin{equation}
   \rho'=\langle \mathcal{N}v_0,u_0\rangle = \frac{1}{T}\int_0^T \!\!\! v_0(t,0)
   \int_0^\infty \!\!\!\beta_1(t,x)\, u_0(t,x)\, \mathrm{d}x\ \mathrm{d}t\,
   .\tag{11} \end{equation} Noter que \(\rho' > 0\) si \(\beta_1 > 0\), comme il se
   doit.

  2.3   Formules perturbatives du premier ordre pour le taux de croissance dans deux cas
  particuliers

       Coefficients indépendants du temps.
   Avec \(\mu(t,x)=\mu(x)\) et \(\beta(t,x)=\beta(x)\,\), (4) montre que le taux de
   croissance initial  \(r\) est l'unique solution réelle de l'équation
   d'Euler-Lotka \begin{equation}\tag{12} 1=\int_0^\infty e^{-r\, x}\, \Phi(x)\,
   \mathrm{d}x\quad ,\quad \Phi(x)=\ell(x)\, \beta(x)\quad ,\quad \ell(x)=\exp\Bigl
   (-\int_0^x \mu(y)\, dy\Bigr ). \end{equation} Les solutions de (5)-(6) et (7)-(8)
   sont les formules bien connues dues à Lotka et Fisher pour la pyramide par âge et
   pour la valeur reproductive: \begin{align}\tag{13} u(x)&=\frac{e^{-r x}\,
   \ell(x)}{\int_0^\infty e^{-r y}\, \ell(y)\, dy}\, ,\quad v(x)= v(0) \int_x^\infty
   \!\!\!e^{-r (y-x)} \frac{\ell(y)}{\ell(x)}\, \beta(y)\, dy\, . \end{align}
   Avec \(\mu(x)=\mu_0(x)+\varepsilon
   \mu_1(x)\) ou \(\beta(x)=\beta_0(x)+\varepsilon'\, \beta_1(x)\,\), alors (10) et
   (11) deviennent \begin{equation} \rho=-\frac{\int_0^\infty \mu_1(x) \int_x^\infty
   e^{-r_0 y}\, \ell_0(y)\, \beta_0(y)\, dy\ \mathrm{d}x}{\int_0^\infty x\, e^{-r_0
   x}\, \ell_0(x)\, \beta_0(x)\, \mathrm{d}x}\ ,\quad \rho'=\frac{\int_0^\infty
   e^{-r_0 x}\, \ell_0(x)\, \beta_1(x)\, \mathrm{d}x}{\int_0^\infty x\, e^{-r_0 x}\,
   \ell_0(x)\, \beta_0(x)\, \mathrm{d}x}\ . \end{equation} Aux notations près, ces
   formules sont dues à W.D. Hamilton (1966, équations (9) et (25)). Pour les
   modèles en temps discret, (Caswell, 2001 ; Demetrius, 1969 ; Goodman, 1971 ;
   Caswell, 1978) présentent des formules similaires.

       Coefficients indépendants de x.
   Avec\(\,\mu(t,x)=\mu(t)\) et \(\beta(t,x)=\beta(t)\,\), on peut montrer, comme
   dans (Bacaër et Guernaoui, 2006, §5) pour r et \(u(t,x)\), que les solutions de
   (4), (5)-(6) et (7)-(8) sont \[ r=\frac{1}{T} \int_0^T\!\! (\beta(t)-\mu(t))\,
   \mathrm{d}t\ ,\] \[ u(t,x)=\frac{\beta(t-x)\ e^{-\int_{t-x}^t \beta(\tau)\,
   \mathrm{d}\tau}\ \psi(t)}{\frac{1}{T} \int_0^T\! \psi(\tau)\, \mathrm{d}\tau}\
   ,\quad v(t,x)=\frac{\frac{1}{T} \int_0^T\!\! \psi(\tau)\,
   \mathrm{d}\tau}{\psi(t)}\ , \] avec  \(\psi(t)=e^{-rt+\int_0^t
   (\beta(\tau)-\mu(\tau))\, \mathrm{d}\tau}\). Noter que la valeur
   reproductive \(v(t,x)\) est indépendante de x. Avec
   \(\mu(t)=\mu_0(t)+\varepsilon \mu_1(t)\) ou  \(\beta(t)=\beta_0(t)+\varepsilon'\,
   \beta_1(t)\,\), alors (10) et (11) deviennent \[\rho=-\frac{1}{T} \int_0^T\!\!
   \mu_1(t)\, \mathrm{d}t\ ,\quad \rho'=\frac{1}{T} \int_0^T\!\! \beta_1(t)\,
   \mathrm{d}t\ ,\] comme il se doit avec l'expression de r.

  2.4   Le taux de croissance pour une petite perturbation périodique du cas autonome

       Considérons maintenant le cas d'une petite perturbation périodique d'une
   situation autonome de la forme \begin{equation}\tag{14} \mu(t,x)=\mu_0(x)\,
   ,\quad \beta(t,x)=(1+\varepsilon \cos \omega t) \beta_0(x)\, \end{equation}
   avec \(|\varepsilon|\leq 1\). La sinusoïde est le facteur périodique le plus
   utilisé dans la littérature. Dans ce cas, l'équation (3) prend la forme
   \begin{equation}\tag{15} \Phi(t,x)=(1+\varepsilon \cos \omega t) \phi(x)\, ,
   \end{equation} avec \(\phi(x)=\ell_0(x)\, \beta_0(x)\). Les
   fonctions \(u_0(t,x)\) et \(v_0(t,x)\) sont toujours indépendantes de t et
   données par (13). Parce que la moyenne temporelle de \(\beta_1(t,x)=\cos(\omega
   t) \beta_0(x)\) est 0, l'équation (11) donne \(\rho'=0\). Donc
   \(r_\varepsilon=r_0+o(\varepsilon)\). À cause de cela, on doit étudier le terme
   quadratique pour voir comment la résonance du taux de croissance peut se
   produire.

       Il faut insister sur le fait que pas toutes les situations intéressantes sont
   de la forme (14). Par exemple, si l'on étudie l'influence d'un petit changement
   climatique sur une maladie à vecteurs, alors
   \(\mu_0(t,x)\) et \(\beta_0(t,x)\) seront des fonctions périodiques du temps à
   cause de la saisonnalité de la population de vecteurs. Dans un pareil cas, le
   changement du premier ordre dans le taux de croissance donné par l'équation (11)
   sera vraisemblablement différent de zéro.

       Dans le reste de cet article (sauf dans les deux appendices), on se
   focalisera sur les modèles linéarisés qui s'écrivent sous la forme d'une équation
   de renouvellement (1) avec un noyau \(\Phi(t,x)\) de la forme (15), même si
   certains de ces modèles ne peuvent s'écrire sous la forme de l'équation aux
   dérivées partielles (2).

  3.   Formule du second ordre et résonance

       (Bacaër et Ouifki, 2007) a développé une méthode numérique spéciale pour
   calculer le taux de croissance \(r_\varepsilon\) lorsque le
   noyau \(\Phi(t,x)\) est de la forme (15). Noter cependant que les méthodes de
   (Bacaër, 2007 ; Bacaër et Ouifki, 2007) pouvaient gérer un facteur périodique
   arbitraire, en particulier le cas d'une fonction périodique en escalier. C'est
   plus réaliste non seulement pour la différence annuelle entre la période scolaire
   et les vacances, mais aussi pour la différence hebdomadaire entre les jours de la
   semaine et les week-ends.

       On dira de manière peu précise qu'il y a « résonance »
   si \(r_\varepsilon\) est significativement plus grand que  \(r_0\) si
   \(\varepsilon\neq 0\) pour certaines valeurs spéciales de la pulsation w,
   c'est-à-dire si certaines fréquences spéciales favorisent la croissance. Les
   questions sont alors: la résonance peut-elle se produire et si oui, pour quelles
   valeurs des paramètres?

       La première méthode, et la plus évidente, pour répondre à ces questions est
   de calculer  \(r_\varepsilon\) numériquement et de le comparer avec \(r_0\).
   (Bacaër et Ouifki, 2007) a montré que le taux de
   croissance \(r_\varepsilon\) défini par (4) et (15) est la racine réelle la plus
   grande de l'équation suivante, qui fait intervenir une fraction continue,
   \begin{equation}\tag{16} 1/\widehat{\phi}_0(r)-1=2\, \mathrm{Re}\
   \cfrac{\varepsilon^2/4}{1/\widehat{\phi}_1(r)-1-\cfrac{\varepsilon^2/4}{1/\wideha
   t{\phi}_2(r)-1-\cfrac{\varepsilon^4/4}{\cdots}}}\ . \end{equation}
   \(\mathrm{Re}\) désigne la partie réelle. Par définition \begin{equation}\tag{17}
   \widehat{\phi}_n(r)=\int_0^\infty \phi(x)\, e^{-r\, x-n\mathrm{i}\omega x}\,
   \mathrm{d}x \end{equation} est la transformée de Laplace de \(\phi(x)\) calculée
   en \(z=r+n\mathrm{i}\omega\). Noter que lorsque  \(\varepsilon=0\), (16) se
   réduit à \(\widehat{\phi}_0(r)=1\,\). C'est l'équation d'Euler-Lotka (12).

       Il y a une deuxième méthode pour détecter la résonance. (Coale, 1972 ; Bacaër
   et Ouifki, 2007) ont obtenu une formule approchée du second ordre
   pour \(r_\varepsilon\) défini par (4) et (15) lorsque \(\varepsilon\) est petit:
   \begin{equation}\tag{18} r_\varepsilon = r_0 + \alpha\, \varepsilon^2 +
   o(\varepsilon^2) \quad ,\quad \alpha= -\frac{1}{2\, \widehat{\phi}'_0(r_0)}\,
   \mathrm{Re} \Big (\frac{1}{1/\widehat{\phi}_1(r_0)-1}\Bigr )\, . \end{equation}
   De cette manière, on voit que la résonance se produit si \(\alpha > 0\) et
   si \(\alpha\) n'est pas très petit comparé à \(r_0\). On peut facilement vérifier
   ces conditions numériquement. Pour les modèles avec un temps discret, Tuljapurkar
   (1985) a étudié la résonance de l'amplitude des oscillations de la population.
   Mais il n'a pas étudié la résonance pour le taux de croissance, après cependant
   avoir remarqué que  \(r_\varepsilon=r_0+O(\varepsilon^2)\).

       Il y a enfin une troisième méthode, peut-être la plus intéressante, pour
   détecter la résonance. Elle s'inspire des idées de (Tuljapurkar, 1985 et 1990)
   pour les modèles en temps discret mais aussi de l'abondante littérature
   mentionnée dans l'introduction sur la résonance près d'un équilibre endémique
   dans les modèles avec un temps continu. On s'attend à ce que la résonance se
   produise lorsque l'équation d' Euler-Lotka (12) a une paire de racines complexes
   conjuguées \(r=x\pm \mathrm{i} y\) avec y proche de w et x proche du paramètre
   malthusien \(r_0\). En effet, si  \(r=\xi+\mathrm{i} \omega\) est une racine
   exacte de (12), \[\widehat{\phi}_1(\xi)=\int_0^\infty \phi(x)\, e^{-\xi\, x
   -\mathrm{i} \omega x}\, \mathrm{d}x=1\, .\] Si la partie réelle c est proche
   de \(r_0\,\), plus précisément si \((r_0-\xi)/\omega\) est petit, on a très
   approximativement \[\widehat{\phi}_1(r_0)\simeq \widehat{\phi}_1(\xi)+(r_0-\xi)
   \widehat{\phi}_1'(\xi) = 1+(r_0-\xi) \widehat{\phi}_1'(\xi)\, .\] Remplaçons
   cette approximation dans la formule (18) pour a et considerons à nouveau
   que \(r_0-\xi\) est petit. On obtient \begin{equation}\tag{19} \alpha \simeq
   \frac{1}{2\, \widehat{\phi}_0'(r_0)\, (r_0-\xi)}\, \mathrm{Re} \Bigl
   (\frac{1}{\widehat{\phi}_1'(\xi)}\Bigr ) \, . \end{equation} Pour toute racine
   \(r=\xi+\mathrm{i} \omega\) de (12), on a \(\xi < r_0\). Noter aussi que
   \[\widehat{\phi}_0'(r_0)=-\int_0^\infty x\, \phi(x)\, e^{-r_0 x}\, \mathrm{d}x <
   0\, .\] Par ailleurs, pour tout nombre complexe  \(z=x+\mathrm{i} y\), on
   a \(\mathrm{Re}(1/z)=x/(x^2+y^2)\). Le signe de  \(\mathrm{Re}(1/z)\) est le même
   que le signe de  \(\mathrm{Re}(z)\). Donc pour (19), il suffit de déterminer le
   signe de \(\mathrm{Re}(\widehat{\phi}_1'(\xi))\). Le dénominateur \(r_0-\xi\) est
   petit. \(\alpha\) est positif si \[\mathrm{Re}(\widehat{\phi}_1'(\xi)) < 0.\]
   Autrement dit, \(r_\varepsilon\) sera significativement plus grand que \(r_0\) :
   il y a résonance. Le degré de résonance se mesure d'une certaine manière par la
   distance \(r_0-\xi\). Plus elle est petite, plus la résonance est importante.
   Rappelons aussi que \(r_0-\xi\) est lié à la vitesse avec laquelle la population
   converge vers sa forme stable (au sens de Lotka, avec la durée d'infection x qui
   remplace l'âge). Dans les modèles épidémiques, cette notion n'est pas très
   importante car les termes non linéaires dominent rapidement la dynamique.

       On n'a pas réussi à démontrer que la
   condition \(\mathrm{Re}(\widehat{\phi}_1'(\xi)) < 0\) résultait de nos
   hypothèses. Donc pour le moment, elle doit être considérée comme une condition
   technique supplémentaire pour que la résonance se produise.

       Pour cette troisième méthode, un point important est que l'équation
   d'Euler-Lotka peut ne pas avoir de racine complexe autre que la racine réelle,
   comme (Feller, 1941) l'a remarqué. C'est ce qui distingue les modèles où la
   résonance peut se produire et ceux où elle ne se produit pas. Bien qu'il soit
   possible de calculer le temps de génération moyen dans chaque modèle, cela ne
   veut pas dire qu'il y a toujours une racine complexe de l'équation d'Euler-Lotka
   avec une partie imaginaire proche de ce temps de génération. C'est ce que Lotka
   (1939a, p. 76-77) laissait croire.

       Dans la prochaine section, on va étudier ces trois méthodes pour plusieurs
   modèles épidémiques simples avec un taux de contact périodique, pour montrer
   comment des modèles a priori peu différents peuvent avoir des propriétés bien
   différentes en ce qui concerne la résonance du taux de croissance initial.

4.   Exemples

  4.1   Le modèle SIR périodique

       On définit
     *  \(S(t)\) la proportion de personnes saines (non infectées),
     *  \(I(t)\) la proportion de personnes infectées et infectieuses,
     *  \(R(t)\) la proportion de personnes ayant guéri.

   Considérons le modèle \[S'(t)= - a(t)\, S\, I \, ,\quad I'(t)=a(t)\, S\, I - b\,
   I\, ,\quad R'(t)=b\, I\, , \] avec \(S+I+R=1\), \(a(t)=\bar{a} (1+\varepsilon
   \cos \omega t)\) et \(|\varepsilon|\leq 1\). Le paramètre \(a(t)\) est le taux de
   transmission, qui est de période \(T=2\pi/\omega\). Le paramètre b est le taux de
   guérison. Dietz (1974 et 1976), Grossman et coll. (1977), Grossman (1980), Smith
   (1983a,1983b), Kuznetsov et Piccardi (1994), Keeling et Grenfell (2002), Greenman
   et coll. (2004), et Moneim (2007a) ont étudié ce modèle avec en plus des
   naissances et des morts. Dushoff et coll. (2004) ont tenu compte des personnes
   guéries qui redeviennent saines après un certain temps. Greenman et Norman (2007)
   ont tenu compte des deux possibilités. Contrairement aux travaux sur la résonance
   pour les maladies endémiques, l'addition de naissances et de morts ou le retour
   dans le compartiment sain ne sont pas importants pour le seuil épidémique. On a
   omis ces termes (dans ce modèle et aussi dans les autres modèles ci-dessous) pour
   garder la discussion aussi simple que possible.

       L'état d'équilibre sans maladie est \((S,I,R)=(1,0,0)\). On linéarise le
   système près de cet état d'équilibre et l'on pose \(J(t)=a(t)\, I(t)\). C'est le
   nombre de nouvelles infections par unité de temps dans cette approximation.
   \(J(t)\) est solution d'une équation de la forme (1) avec (15). En utilisant
   (12), (17) et (18), on trouve facilement que \[\phi(x)=\bar{a}\, e^{-b\, x}\,
   ,\quad \widehat{\phi}_n(r)=\bar{a}/(b+r+n \mathrm{i} \omega)\, ,\quad r_0=\bar{a}
   - b\, ,\quad \alpha=0\, .\]

       La première méthode pour détecter la résonance consiste à
   calculer \(r_\varepsilon\) numériquement. Pour le présent modèle, (Bacaër et
   Ouifki, 2007) a déjà remarqué que  \(r=\bar{a} - b=r_0\) est une racine de (16)
   pour tout  \(|\varepsilon|\leq 1\), mais a priori peut-être pas la plus grande.
   Donc on peut suspecter que \(r_\varepsilon=r_0\). Et en effet, une autre méthode,
   partant de la définition (4) de \(r_\varepsilon\), montre
   que \(r_\varepsilon=r_0\) (Bacaër et Guernaoui, 2006, §5). Il n'y a pas de
   résonance, quelles que soient les valeurs des paramètres.

       La seconde méthode se focalise sur \(\alpha\). Ici a est nul, ce qui tend à
   confirmer qu'il n'y a pas de résonance. Quant à la troisième méthode, on note
   que \(r_0\) est la seule racine dans tout le plan complexe de l'équation
   d'Euler-Lotka (12). Donc il n'y a pas de résonance. Tout ceci est trivial car on
   arrive aux mêmes conclusions en calculant analytiquement la solution de
   l'équation différentielle linéarisée. C'est ce qui est fait d'habitude dans la
   littérature. Cependant il est tout de même intéressant de voir comment la méthode
   générale marche sur un exemple trivial.

       L'indépendance de  \(r_\varepsilon\) par rapport à  \(\varepsilon\) dans ce
   modèle fait penser à l'idée que la distribution de probabilité
   \(\phi(x)/\int_0^\infty \phi(x)\, \mathrm{d}x=b\, e^{-bx}\) est, parmi les
   distributions de probabilité sur la demi-droite  \([0,\infty)\) avec la même
   moyenne  \(1/b\), celle d'entropie maximale et donc la plus « résistante aux
   perturbations environnementales », représentées ici par le facteur périodique
   (Demetrius, 1977). Demetrius (1977) insiste sur le lien entre l'entropie et les
   racines complexes de l'équation d'Euler-Lotka.

  4.2   Le modèle SIR périodique avec une période d'infection fixe

       Considérons le modèle \begin{align*} S'(t)&= - a(t)\, S(t)\, I(t) \, ,\quad
   I'(t)\, =\, a(t)\, S(t)\, I(t) - a(t-\tau)\, S(t-\tau)\, I(t-\tau)\, ,\\ R'(t)&=
   a(t-\tau)\, S(t-\tau)\, I(t-\tau)\, , \end{align*}
   avec \(S+I+R=1\) et \(a(t)=\bar{a} (1+\varepsilon \cos \omega t)\). Le paramètre
   t est la durée de la période infectieuse. Grossman (1980), Keeling et Grenfell
   (2002) ont étudié ce modèle avec des naissances et des morts. Cooke et Kaplan
   (1976), Smith (1977) et Nussbaum (1977,1978) l'ont étudié avec des personnes
   infectées qui retournent directement dans le compartiment sain. Cette dernière
   variante ne change pas le seuil épidémique.

       L'état d'équilibre sans maladie est  \((S,I,R)=(1,0,0)\). Le nombre de
   nouvelles infections par unité de temps dans le modèle linéarisé, \(J(t)=a(t)\,
   I(t)\,\), est solution d'une équation de la forme (1) avec (15). Ici
   \begin{equation}\tag{20} \phi(x)=\left \{\begin{array}{lll} \bar{a} & &\forall x
   < \tau,\\ 0 & & \forall x > \tau, \end{array}\right.\quad \quad \quad
   \widehat{\phi}_n(r)=\left\{\begin{array}{ll} \bar{a}\, \tau & \quad
   (r+n\mathrm{i}\omega=0)\\ \bar{a}\ \frac{1-e^{-r \tau -n \mathrm{i}\omega
   \tau}}{r+n \mathrm{i}\omega} & \quad (r+n\mathrm{i}\omega \neq 0)
   \end{array}\right.\, ,\quad \quad 1=\bar{a}\ \frac{1-e^{-r_0 \tau}}{r_0}\, .
   \end{equation}  \(r_0\) est une fonction implicite de  \(\tau\)
   \begin{equation}\tag{21} \tau=-\frac{1}{r_0} \log \Bigl
   (1-\frac{r_0}{\bar{a}}\Bigr )\, . \end{equation} De plus
     *  \(r_0\to -\infty\) si \(\tau\to 0\)
     * le signe de \(r_0\) change si \(\tau=1/\bar{a}\)
     *  \(r_0 \to \bar{a}\) si \(\tau\to+\infty\).

   On peut facilement le démontrer avec (20) et (21). La formule (18) pour a ne peut
   pas vraiment être simplifiée. On suppose  \(T=2\pi/\omega=1\). C'est juste une
   question de choix de l'unité de temps. Comme exemple, considérons comme dans
   (Cooke et Kaplan, 1976 ; Smith, 1977 ; Nussbaum, 1977 et 1978) le cas
   où \(\bar{a}=1\) par unité de temps.

       Avec la première méthode, la figure 1a montre comment le taux de croissance
   dépend de la période infectieuse t. On a pris  \(0 < \tau < \mbox{2,5}\) et
   diverses valeurs de \(\varepsilon\). Un zoom sur la figure montrerait
   que \(r_\varepsilon > r_0\) si  \(\varepsilon\neq 0\) et \(1 < \tau <
   \mbox{1,43}\) ou alors  \(2 < \tau < \mbox{2,44}\) (approximativement). Néanmoins
   la différence n'est pas significative. Il n'y a qu'une faible résonance.
   [2008JMBFig1a.png] [2008JMBFig1b.png] Figure 1. Résonance faible dans le modèle
   SIR périodique avec une période infectieuse fixe. (a) Taux de
   croissance \(r_\varepsilon\) en fonction de la période infectieuse \(\tau\) pour
   diverses valeurs de \(\varepsilon\). (b) \(\alpha\) en fonction de \(\tau\).

       Avec la deuxième méthode, la figure 1b montre comment a dépend de la période
   infectieuse t dans la même plage de valeurs. Numériquement, on a \(\alpha >
   0\) si \(1 < \tau < \mbox{1,43}\) ou bien \(2 < \tau < \mbox{2,44}\), comme il se
   doit. Le maximum de \(\alpha/r_0\), qui est atteint lorsque \(\tau\simeq
   \mbox{1,174}\,\), est d'environ 9,4%. Cela confirme la faiblesse de la résonance.

       Avec la troisième méthode, rappelons tout d'abord qu'il y a toujours une
   unique racine  \(r_0\in \mathbb{R}\) de l'équation d'Euler-Lotka (20). Mais cette
   équation a aussi une infinité de paires de racines complexes conjuguées. C'est le
   cas plus généralement pour les modèles où  \(\phi(x)\) a un support compact. Voir
   par exemple (Lopez, 1961, p. 15) ou (Gyllenberg, 1985, p. 323-324). Parmi ces
   racines complexes, certaines peuvent avoir une partie imaginaire égale à w pour
   certaines valeurs particulières de t. Pour trouver ces valeurs, noter que la
   dernière équation de (20), avec \(r=x+\mathrm{i} y\) à la place de  \(r_0\),
   équivaut (si l'on exclut \(x=y=0\)) au système réel \[x=\bar{a} (1-e^{-x\tau}
   \cos(y\tau) )\ ,\quad y=\bar{a}\, e^{-x\tau}\, \sin(y\tau)\, .\] On
   prend \(y=\omega\) et on élimine x de la deuxième équation. On obtient une seule
   équation pour t : \begin{equation}\tag{22} \frac{1}{\omega \tau} \log \Bigl
   [\frac{\omega}{\bar{a} \sin(\omega \tau)}\Bigr ] - \frac{1}{\tan(\omega\tau)} +
   \frac{\bar{a}}{\omega}=0\, . \end{equation} Le côté gauche
     * est une fonction continue de t pour  \(nT < \tau < (n+1/2)T\) et tout
       entier \(n\geq 1\)
     * converge vers \(-\infty\) si \(\tau\to nT^+\)
     * converge vers \(+\infty\) si \(\tau\to (n+1/2)T^-\).

   Donc (22) a une infinité de solutions positives  \(\tau_1 < \tau_2 < \cdots\).
   Pour notre exemple où \(\omega=2\pi\) et \(\bar{a}=1\), on
   obtient: \(\tau_1\simeq \mbox{1,187}\), \(\tau_2\simeq
   \mbox{2,204}\), \(\tau_3\simeq \mbox{3,211}\ldots\)

       Avec \(\tau=\tau_1\,\), les racines complexes conjuguées de (20) avec la
   partie réelle la plus grande sont \(x_1\pm \mathrm{i} \omega\) avec \(x_1\simeq
   -\mbox{1,615}\,\), tandis que \(r_0\simeq \mbox{0,303}\). Donc bien que \(\
   \mathrm{Re}(\widehat{\phi}_1'(x_1))\simeq -\mbox{1,19} < 0\) , la différence
   entre \(x_1\) et \(r_0\) est trop grande pour qu'une résonance significative se
   produise: \((r_0-x_1)/\omega \simeq \mbox{0,30}\). De même lorsque \(
   \tau=\tau_2\, \), les racines complexes conjuguées de (20) avec la seconde partie
   réelle la plus grande sont \(x_2\pm \mathrm{i} \omega\) avec \(x_2\simeq
   -\mbox{0,853}\,\), tandis que \(r_0\simeq \mbox{0,845}\). Donc bien que  \(\
   \mathrm{Re}(\widehat{\phi}_1'(x_2))\simeq -\mbox{2,23} < 0\,\), la différence
   entre \(x_2\) et \(r_0\) est à nouveau trop grande pour qu'une résonance
   significative se produise: \((r_0-x_2)/\omega \simeq \mbox{0,27}\). La même
   conclusion vaut pour les autres racines complexes avec une partie imaginaire
   égale à w pour \(\tau=\tau_n\).

  4.3   Un modèle SEIR périodique

       Supposons maintenant qu'il y ait une proportion \(E(t)\) de la population qui
   soit infectée mais pas encore infectieuse, c'est-à-dire qui soit dans la phase
   latente. Considérons le modèle \[ S'(t)=- a(t)\, S\, I\, ,\quad E'(t)=a(t)\, S\,
   I -c\, E,\quad I'(t)=c\, E - b\, I\, ,\quad R'(t)=b\, I\, , \]
   avec \(S+E+I+R=1\) et \(a(t)=\bar{a} (1+\varepsilon \cos \omega t)\). Le nouveau
   paramètre c est le taux auquel les personnes infectées deviennent infectieuses.
   (Dietz, 1976 ; Schwartz et Smith, 1983 ; Aron et Schwartz, 1984 ; Schwartz, 1985
   ; Rand et Wilson, 1991 ; Grenfell, 1992 ; Bolker et Grenfell, 1993 ; Kuznetsov et
   Piccardi, 1994 ; Grenfell et coll., 1995 ; Keeling et Grenfell, 2002 ; Billings
   et Schwartz, 2002 ; Altizer et coll., 2006 ; Moneim, 2007a et 2007b) ont étudié
   ce modèle avec en plus des naissances et des morts, (Ma et Ma, 2006) avec les
   personnes guéries qui retournent dans le compartiment sains, et (Greenman et
   Norman, 2007) avec les deux. Ce modèle converge vers le modèle SIR de la section
   4.1 si \(c\to +\infty\,\).

       L'état d'équilibre sans maladie est  \((S,E,I,R)=(1,0,0,0)\). Le nombre de
   nouvelles infections par unité de temps dans le modèle linéarisé, \(J(t)=a(t)\,
   I(t)\,\), est solution d'une équation de la forme (1) avec (15). Ici,
   \[\phi(x)=\bar{a}\, c \ \frac{e^{-c\, x}-e^{-b\, x}}{b-c}\, ,\quad
   \widehat{\phi}_n(r)=\frac{\bar{a}\, c}{(r+c+n\mathrm{i}\omega)
   (r+b+n\mathrm{i}\omega)}\, , \] \begin{equation}\tag{23}
   r_0=\frac{-(b+c)+\sqrt{(b-c)^2+4\bar{a}c}}{2}\, ,\quad \alpha= \frac{-(\bar{a}\,
   c)^2}{\sqrt{(b-c)^2+4\bar{a}c}\ [\omega^2+(b-c)^2+4\bar{a}\, c]}\, .
   \end{equation}

       Pour la première méthode, considérons par exemple le cas
   où \(T=2\pi/\omega=1\) semaine, qui modélise des différences de taux de contact
   entre les jours de la semaine et les week-ends, et où la période infectieuse
   moyenne  \(1/b\) est égale à 2 jours, soit 2/7 semaine. Prenons un taux de
   contact moyen  \(\bar{a}=\mbox{1,2}\, b\), ce qui donne une
   reproductivité \(\bar{a}/b=\mbox{1,2}\) si \(\varepsilon=0\). C'est une hypothèse
   raisonnable si l'on considère une maladie émergente. La figure 2 montre comment
   le taux de croissance dépend de la période de latence moyenne pour diverses
   valeurs de  \(\varepsilon\). Noter que \(r_\varepsilon\) est toujours plus petit
   que \(r_0\) si \(\varepsilon\neq 0\). Il n'y a pas de résonance.
   [2008JMBFig2.png] Figure 2. Absence de résonance dans le modèle SEIR périodique.
   Le taux de croissance en fonction de la moyenne de la période de latence pour
   différentes valeurs de \(\varepsilon\).

       Pour la deuxième méthode, on remarque que  \(\alpha < 0\) : il n'y a pas de
   résonance. Quant à la troisième méthode, l'équation d'Euler-Lotka (12) pour ce
   modèle n'a qu'une seule racine, à savoir \(r_0\,\), dans la partie du plan
   complexe où converge l'intégrale du côté droit de (12): \(\mathrm{Re}(r) >
   \max\{-b,-c\}\). Noter que  \(r_0\) est solution d'une équation pôlynomiale de
   degré 2. L'autre solution, donnée par (23) avec un signe moins devant la racine
   carrée, est une racine de l'équation déduite de (12) par continuation analytique
   de l'intégrale (Feller, 1941). Pour cette seconde solution, l'intégrale diverge.
   De toute façon, cette solution est réelle; il n'y a pas de résonance.

  4.4   Le modèle SEIR périodique avec une période de latence fixe

       Le modèle est donné par \begin{align*} S'(t)&= - a(t)\, S(t)\, I(t) \, ,\quad
   E'(t)\, =\, a(t)\, S(t)\, I(t) - a(t-\tau)\, S(t-\tau)\, I(t-\tau)\, ,\\
   I'(t)&=a(t-\tau)\, S(t-\tau)\, I(t-\tau) - b\, I(t)\, ,\quad R'(t)\, =\, b\,
   I(t)\, , \end{align*} avec \(S+E+I+R=1\) et \(a(t)=\bar{a} (1+\varepsilon \cos
   \omega t)\). Il figure implicitement dans (Williams et Dye, 1997) et sous une
   forme légèrement différente dans (Bacaër et Ouifki, 2007). Le paramètre t est
   maintenant la durée de la période de latence. Le modèle converge vers celui de la
   section 4.1 si \(\tau\to 0\).

       L'état d'équilibre sans maladie est \((S,E,I,R)=(1,0,0,0)\). Le nombre de
   nouvelles infections par unité de temps dans le modèle linéarisé, \(J(t)=a(t)\,
   I(t)\,\), est solution d'une équation de la forme (1) avec (15). Ici
   \begin{equation}\tag{24} \phi(x)=\left\{\begin{array}{lll} 0 & & \forall x <
   \tau,\\ \bar{a}\, e^{-b(x-\tau)} & & \forall x > \tau, \end{array}\right. \quad
   \quad \widehat{\phi}_n(r)= \bar{a}\, \frac{e^{-n\mathrm{i} \omega \tau -
   r\tau}}{r+b+n\mathrm{i} \omega}\, ,\quad \quad r_0 = \bar{a} \, e^{-r_0 \tau} -
   b\, . \end{equation} Noter à nouveau que la formule pour \(r_0\) n'est pas
   explicite. La formule (18) pour a ne peut être vraiment simplifiée.

       Pour la première méthode, on a choisi comme dans la section
   précédente \(T=2\pi/\omega=1\) semaine, \(1/b=2\) jours ou 2/7 semaine,
   et \(\bar{a}=\mbox{1,2}\, b\). La figure 3a montre comment le taux de croissance
   dépend de la période de latence pour diverses valeurs de e. Remarquer dans la
   figure 3a que la résonance se produit approximativement si \(\mbox{0,66} < \tau <
   1\) ou bien \(\mbox{1,66} < \tau < 2\). Il y a aussi résonance pour des valeurs
   plus grandes de t, que l'on ne montre pas. (Bacaër et Ouifki, 2007) a obtenu un
   résultat semblable pour un modèle légèrement différent (SEIS et non SEIR); mais
   aucune explication pour les bosses n'avait été donnée. Noter que lorsque
   \(\varepsilon=1\), le taux de croissance \(r_\varepsilon\) peut devenir négatif
   dans une certaine plage de valeurs de la période de latence. La moyennisation du
   taux de contact (ce qui équivaut à prendre \(\varepsilon=0\)) prédirait une
   croissance épidémique alors qu'en fait aucune épidémie ne peut envahir la
   population.
   [2008JMBFig3a.png] [2008JMBFig3b.png] Figure 3. Résonance dans le modèle SEIR
   périodique avec une période de latence fixe. (a) Le taux d'accroissement en
   fonction de la période de latence t pour différentes valeurs de e. (b) a en
   fonction de t.

       Avec la deuxième méthode, on peut vérifier numériquement que  \(\alpha >
   0\) au moins pour \(\mbox{0,66} < \tau < 1\) et \(\mbox{1,66} < \tau <
   2\) (Figure 3b). Avec la troisième méthode, la question est de savoir si
   l'équation d'Euler-Lotka du côté droit de (24) peut avoir des solutions r avec
   une partie imaginaire y égale à w. Avec \(r=x+\mathrm{i} y\,\), l'équation pour r
   peut s'écrire comme un système réel pour x et y : \[x = \bar{a} \, e^{-x \tau}
   \cos(y \tau) - b\, ,\quad y = - \bar{a} \, e^{-x \tau} \sin(y \tau) \, . \]
   Avec \(y= \omega\,\), on élimine x de la seconde équation. On obtient
   \begin{equation}\tag{25} \frac{1}{\omega \tau} \log \Bigl [-
   \frac{\omega}{\bar{a}\, \sin(\omega \tau)} \Bigr ] - \frac{1}{\tan(\omega\tau)}
   -\frac{b}{\omega}=0\, . \end{equation} Comme dans la section 4.2, le côté gauche
   est une fonction continue de t pour tout \((n-1/2)T < \tau < n T\) et tout
   entier \(n\geq 1\), qui converge vers -infty si \(\tau\to (n-1/2)T^+\,\), et qui
   converge vers +infty si \(\tau\to nT^-\). Donc (25) a une infinité de
   solutions \(\tau_{1} < \tau_{2} < \cdots\) qui convergent vers +infty, pour
   lesquelles on peut s'attendre à de la résonance. Résolvons (25) numériquement
   avec les mêmes valeurs des paramètres que ci-dessus. On obtient: \(\tau_{1}\simeq
   \mbox{0,819}\), \(\tau_{2}\simeq \mbox{1,825}\), \(\tau_3\simeq
   \mbox{2,827}\ldots\)

       Avec \(\tau=\tau_1\,\), les racines complexes conjuguées de (24) avec la
   partie réelle la plus grande sont \(x_1\pm \mathrm{i} \omega\) avec \(x_1\simeq
   -\mbox{0,609}\,\), tandis que \(r_0\simeq \mbox{0,166}\). On a \(\
   \mathrm{Re}(\widehat{\phi}_1'(x_1))\simeq -\mbox{0,88} < 0\). La différence
   entre \(x_1\) et \(r_0\) est assez petite: \((r_0-x_1)/\omega\simeq
   \mbox{0,12}\). Donc il y a résonance si \(\tau\simeq \tau_1\).
   Avec \(\tau=\tau_2\,\), les racines complexes de (24), avec la partie réelle qui
   arrive en second par ordre décroissant, sont \(x_2\pm \mathrm{i} \omega\) avec
   \(x_2\simeq -\mbox{0,284}\,\), tandis que \(r_0\simeq \mbox{0,086}\). À
   nouveau, \(\ \mathrm{Re}(\widehat{\phi}_1'(x_2))\simeq -\mbox{1,89} < 0\). La
   différence entre \(x_2\) et \(r_0\) est petite: \((r_0-x_2)/\omega\simeq
   \mbox{0,06}\). Il y a résonance lorsque  \(\tau\simeq \tau_2\). Il y a aussi
   résonance lorsque \(\tau=\tau_n\) et \(n > 2\).

       D'un point de vue pratique, il n'est pas impossible qu'une maladie ait une
   période de latence proche de \(\tau_{1}\) (ici, environ 5,7 jours) suivie en
   moyenne de deux jours de période infectieuse. Un taux de contact avec une
   périodicité d'une semaine (due à la différence entre les jours de la semaine et
   les week-ends) peut provoquer une forte résonance pour une telle maladie. Noter
   ici que le temps entre deux générations (\(\int_0^\infty x\, \phi(x)\,
   \mathrm{d}x/\int_0^\infty \phi(x)\, \mathrm{d}x=\tau_1+1/b\simeq
   \mbox{7,7}\) jours) est proche de la périodicité du taux de
   contact, \(T=7\) jours . Mais cette règle approchée pour la résonance ne
   fonctionnait pas pour le modèle de la section précédente. La différence entre la
   figure 2 et la figure 3a est un peu surprenante. Il s'agit de modèles SEIR, le
   premier avec une période de latence distribuée exponentiellement, le second avec
   une période de latence fixe. La conclusion biologique, savoir si la maladie va
   s'intaller ou pas, semble très dépendant du choix entre ces deux modèles a priori
   similaires. Des modèles avec de petites différences peuvent donc se comporter
   très différemment quant à la résonance du taux de croissance initial.

       Les modèles SEIR où la période de latence et la période infectieuse sont
   fixes, tels que ceux avec en plus des naissances et des morts (Grossman, 1980 ;
   Keeling et Grenfell, 2002), présentent une résonance similaire du taux de
   croissance initial. Il est encore possible de trouver des valeurs des paramètres
   pour lesquelles il y a une racine complexe de l'équation d'Euler-Lotka avec une
   partie imaginaire y égale à w. Mais l'astuce qui consiste à éliminer la partie
   réelle x pour obtenir une seule équation comme dans (25) ne fonctionne plus.

  4.5   Le modèle SEIR périodique avec une période de latence qui suit la loi Gamma

       Pour comprendre pourquoi les modèles des deux dernières sections donnent des
   résultats si différents, considérons le cas d'une période de latence qui suit la
   loi Gamma. C'est une généralisation à la fois de la distribution exponentielle et
   de la distribution de Dirac lorsque la période de latence est fixe. Plus
   précisément, \[f(x)=c^\nu\, x^{\nu-1}\, e^{-c\, x} / \Gamma(\nu)\] est la
   distribution de la période de latence, où \(c > 0\) et \(\nu\geq 1\) sont des
   nombres réels. La période de latence moyenne est \(\tau=\nu/c\) et la variance
   est  \(\sigma^2=\nu/c^2\). Si n=1, on retrouve la distribution exponentielle avec
   une moyenne égale à \(1/c\) de la section 4.3. La distribution Gamma converge
   vers la distribution de Dirac en  \(x=\tau\), comme dans la section 4.4,
   si \(\nu\) et \(c\) convergent vers +infty tandis que le quotient \(\nu/c\) est
   maintenu constant et égal à  \(\tau\).

       Le modèle est \begin{align*} S'(t)&= - a(t)\, S(t)\, I(t)\, ,\\ E(t,0)\, &=\,
   a(t)\, S(t)\, I(t)\, , \quad \frac{\partial E}{\partial t}+\frac{\partial
   E}{\partial x}\, =\, -\gamma(x)\, E(t,x)\, ,\\ I'(t)&=\int_0^\infty \gamma(x)\,
   E(t,x)\, \mathrm{d}x - b\, I(t)\, ,\\ R'(t)\, &=\, b\, I(t)\, , \end{align*}
   avec \(S(t)+\int_0^\infty E(t,x)\, \mathrm{d}x + I(t)+R(t)=1\) et \(a(t)=\bar{a}
   (1+\varepsilon \cos \omega t)\). Ici, \(\gamma(x)\) est lié à  \(f(x)\) par la
   relation \[e^{-\int_0^x \gamma(y)\, \mathrm{d}y}=1-\int_0^x f(y)\, \mathrm{d}y,\]
   c'est-à-dire \[\gamma(x)=f(x)/(1-\int_0^x f(y)\, \mathrm{d}y).\] (Dietz, 1976 ;
   Keeling et Grenfell, 2002) ont étudié des variantes de ces modèles. Ici on peut
   montrer que le nombre de nouvelles infections par unité de temps dans le modèle
   linéarisé \(J(t)=a(t)\, I(t)\) est solution d'une équation de la forme (1) avec
   (15) et \[\phi(x)=\bar{a} \int_0^\infty e^{-b(x-y)}\, f(y)\, \mathrm{d}y\, .\] On
   peut aussi montrer que \[\widehat{\phi}_n(r)=\frac{\bar{a}\,
   c^\nu}{(b+r+n\mathrm{i} \omega) (c+r+n\mathrm{i} \omega)^\nu}\, ,\quad r_0 =
   \frac{\bar{a}\, c^\nu}{(c+r_0)^\nu}-b\, . \] Noter à nouveau que la formule
   pour \(r_0\) n'est pas explicite. La formule (18) pour a ne peut être simplifiée.

       La figure 4 montre le signe de \(\alpha\) (plus précisément les lignes de
   niveau  \(\alpha=0\)) dans le diagramme  \((\tau,1/\nu)\).  \(\alpha > 0\) est
   une condition necessaire pour la résonance. La ligne horizontale du
   haut \(\nu=1\) correspond au cas d'une période de latence distribuée
   exponentiellement et se trouve dans la partie du diagramme où \(\alpha < 0\),
   comme on s'y attend à la suite de la figure 2. La limite \(\sigma\to
   0\) (ou \(1/\nu=\sigma^2/\tau^2\to 0\)) correspond à la période de latence fixée,
   donc la ligne horizontale du bas correspond à la figure 3 et présente plusieurs
   parties où  \(\alpha > 0\). De cette manière, on voit comment la résonance
   disparaît lorsque la variance \(\sigma^2\) croît.
   [2008JMBFig4.png] Figure 4. Lignes de niveau \(\alpha=0\) dans le
   diagramme \((\tau,1/\nu)\).  \(\tau\) est la période de latence
   moyenne. \(1/\nu=\sigma^2/\tau^2\). \(\sigma\) est la déviation standard. Les
   zones où  \(\alpha > 0\) sont celles où il peut y avoir résonance. Dans la partie
   inférieure droite du diagramme, les zones où \(\alpha < 0\) alternent avec celles
   où  \(\alpha > 0\) mais on ne montre que les lignes de niveau  \(\alpha=0\).

5.   Mille et un modèles de population périodiques

       Évidemment la liste des modèles pourrait continuer jusqu'à la nausée :
     * un taux de contact périodique d'une forme différente (Earn et coll., 2000 ;
       Keeling et coll., 2001 ; Keeling et Grenfell, 2002 ; Stone et coll., 2007),
     * une vaccination périodique (Dietz, 1976 ; Grassly et Fraser, 2006 ; Greenman
       et Norman, 2007 ; Agur et coll., 1993 ; D'Onofrio, 2002a, 2002b, 2004, 2005 ;
       Moneim et Greenhalgh, 2005a et 2005b ; Gao et coll., 2006 ; Gao et coll.,
       2007),
     * une population périodique de vecteurs ou un réservoir périodique (Bacaër et
       Guernaoui, 2006 ; Bacaër, 2007 ; Heesterbeek et Roberts, 1995a et 1995b ;
       Lord et coll., 1996 ; Kerr et coll., 1997 ; Codeço, 2001 ; Lord, 2004 ;
       Coutinho et coll., 2006),
     * une démographie périodique (Roberts et Kao, 1998 ; Tang et Chen, 2002 ; Wolf
       et coll., 2006 ; He et Earn, 2007 ; Zhang et Teng, 2007)
     * une migration périodique (Zhang et Zhao, 2007)

   dans chacun des mille et un modèles épidémiques de (Hethcote, 1994).

       De plus, comme le mentionne l'introduction, l'équation linéaire (1) se
   retrouve dans la plupart des problèmes de dynamique des populations (démographie,
   écologie, épidémiologie, théorie du chémostat, immunologie, etc). C'est
   l'approximation linéaire. Donc le même phénomène de résonance peut être étudié
   par exemple pour
     * les récoltes périodiques (Anita et coll., 1998 ; Luo et coll., 2004 ; Choisy
       et Rohani, 2006),
     * les pullulations périodiques de phytoplankton (Huppert et coll., 2005),
     * les efforts de contrôle périodiques pour les maladies (Fuhrman et coll.,
       2004; Jiao et Chen, 2006),
     * les entrées et sorties périodiques d'un chémostat, voir (Wang et coll., 2008)
       parmi de nombreuses autres références,
     * les traitements antiviraux périodiques (D'Onofrio, 2005a ; Breban et Blower,
       2006),
     * les traitements anticancéreux périodiques (D'Onofrio et Gandolfi, 2004 et
       2006 ; D'Onofrio, 2005b),
     * les modèles périodiques de populations de cellules (Pang et Tzeng, 2008),
       etc.

   On s'attend à de la résonance pour certains modèles et pas pour d'autres. Noter
   que la réponse dépend du modèle linéarisé près de l'état stationnaire (ou
   périodique) trivial, mais pas du type de termes non linéaires utilisé. Ainsi la
   plupart des modèles avec un petit nombre de compartiments se ramènent aux mêmes
   calculs que ceux effectués ci-dessus.

       La principale question qui demeure est de savoir si, pour certaines maladies
   particulières ou pour certaines applications dans d'autres domaines de la
   dynamique des populations, ce phénomène de résonance joue un rôle significatif.
   Comme on a vu, c'est une question difficile puisque pour des modèles très proches
   tels les modèles SEIR avec une période de latence exponentielle ou fixe, les
   conclusions sont différentes même si ces deux modèles pourraient convenir pour la
   même maladie. Les modèles avec  \(\phi(x)\) à support compact sont cependant plus
   réalistes. Dans ce cas, l'équation d'Euler-Lotka a une infinité de racines
   complexes conjuguées. Donc il se peut que la résonance se produise pour certaines
   valeurs des paramètres.

Appendice 1: croissance exponentielle de la valeur reproductive totale dans un
environnement périodique

       La preuve suit celle pour le cas autonome. On part de (9). Puis on utilise la
   première équation de (2) et on intègre par parties: \begin{align*}
   \frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}t} &= \int_0^\infty \Bigl [i(t,x)\, \frac{\partial
   v}{\partial t}+ \frac{\partial i}{\partial t}\, v(t,x)\Bigr ]\, \mathrm{d}x \\ &=
   \int_0^\infty \Bigl [i(t,x)\, \frac{\partial v}{\partial t}- \frac{\partial
   i}{\partial x}\, v(t,x) - \mu(t,x)\, i(t,x)\, v(t,x)\Bigr ]\, \mathrm{d}x\\ &=
   \int_0^\infty \Bigl [\frac{\partial v}{\partial t}+ \frac{\partial v}{\partial x}
   - \mu(t,x)\, v(t,x)\Bigr ] i(t,x)\, \mathrm{d}x +i(t,0)\, v(t,0)\, . \end{align*}
   En utilisant la seconde équation de (2) et (7), on obtient finalement
   \[\frac{\mathrm{d}V}{\mathrm{d}t} = \int_0^\infty \Bigl [\frac{\partial
   v}{\partial t}+ \frac{\partial v}{\partial x} - \mu(t,x)\, v(t,x)+v(t,0)\,
   \beta(t,x)\Bigr ] i(t,x)\, \mathrm{d}x = r \int_0^\infty \!\!\!v(t,x)\, i(t,x)\,
   \mathrm{d}x = r\, V(t)\, .\] Donc \(V(t)=V(0)\, e^{rt}\).

       Remarque. Avec la définition (5) de \(u(t,x)\),  \(i(t,x)=e^{rt}\,
   u(t,x)\) si \(i(0,x)=u(0,x)\). La croissance exponentielle de la valeur
   reproductive totale  \(V(t)\) implique \[\int_0^\infty \!u(t,x)\, v(t,x)\,
   \mathrm{d}x = \int_0^\infty \!u(0,x)\, v(0,x)\, \mathrm{d}x, \quad \forall t >
   0.\] La normalisation (8) prend la forme \[\int_0^\infty \!u(t,x)\, v(t,x)\,
   \mathrm{d}x =1,\] comme dans (Michel et coll., 2005).

Appendice 2: sur la définition d'Ediev de la valeur reproductive

       Tout d'abord, noter avec (7) que la valeur reproductive est telle que
   \begin{equation} v(t,x)=\int_x^\infty \!\!\!v(t+y-x,0)\, e^{-r (y-x)}\times
   \frac{\ell(t-x,y)}{\ell(t-x,x)}\, \beta(t+y-x,y)\, \mathrm{d}y\, .\tag{26}
   \end{equation} On définit \begin{equation}\tag{27} c(t,x)=v(t+x,x)\,
   e^{-r(t+x)}\, . \end{equation} Alors (26) implique \begin{equation}\tag{28}
   c(t,x)=\int_0^\infty c(t+y,0)\, \frac{\ell(t,y)}{\ell(t,x)}\, \beta(t+y,y)\,
   \mathrm{d}y\, . \end{equation} Ediev (2007, équation (4)) a utilisé l'équation
   (28) comme point de départ pour essayer de généraliser le théorème de Fisher sur
   la croissance exponentielle de la valeur reproductive totale. Il a nommé
   \(c(t,x)\) le « potentiel démographique d'un personne d'âge x née à l'instant t
   ». En introduisant le « potentiel démographique total » au temps t
   \[C(t)=\int_0^\infty i(t,x)\, c(t-x,x)\, \mathrm{d}x\, ,\] Ediev (2007) put
   montrer d'abord que  \(\mathrm{d}C/\mathrm{d}t=0\), c'est-à-dire
   que \(C(t)=C(0)\) est constant.

       Fisher (1927) avait normalisé sa définition de la valeur reproductive de
   sorte que  \(v(0)=1\) dans le cas où la fertilité et la mortalité ne dépendent
   pas du temps. (Ediev, 2007, équation (6)) choisit de généraliser la définition de
   la valeur reproductive avec \begin{equation}\tag{29}
   v^*(t,x)=\frac{c(t-x,x)}{c(t,0)}\, , \end{equation} où l'un utilise la notation
   avec une étoile \(v^*\) pour distinguer cette définition de la nôtre. Noter qu'en
   effet \(v^*(t,0)=1\) pour tout t.

       La définition (29) pour la valeur reproductive dans le cas périodique n'a pas
   de « bonnes » propriétés. La raison en est que dans toute la théorie developpée
   jusqu'à présent, la valeur reproductive apparaît toujours comme une fonction
   propre (ou un vecteur propre dans le cadre discret) d'un certain opérateur
   linéaire. Voir par exemple (Grafen, 2006). Dans le cas autonome, la valeur
   reproductive n'est une fonction que de l'âge x (appelons-la \(v(x)\)). Donc ce
   n'est pas un problème de la normaliser de sorte que \(v(0)=1\). Mais avec des
   fertilités et des mortalités qui dépendent du temps (par exemple de manière
   périodique), la valeur reproductive est une fonction à la fois du temps t et de
   l'âge x. La liberté dans la normalisation de la fonction propre signifie que l'on
   n'a qu'un seul paramètre scalaire libre. Forcer \(v^*(t,0)=1\) pour tout t
   implique que la fonction  \(v^*(t,x)\) ne peut être une fonction propre, sauf (vu
   (26)) si on a pour un certain r \begin{equation}\tag{30} 1=\int_0^\infty e^{-r
   y}\, \ell(t,y)\, \beta(t+y,y)\, \mathrm{d}y, \quad \forall t \end{equation}
   (Ediev, 2007, équation (7)). Mais (30) est presque sûrement faux, sauf
   si \(\ell(t,x)\) et \(\beta(t,x)\) ne dépendent pas du temps. Ediev (2007) dut
   supposer (30) pour montrer que la valeur reproductive totale, définie par
   \[\int_0^\infty i(t,x)\, v^*(t,x)\, \mathrm{d}x,\] grandit exponentiellement au
   taux r.

       Si l'on veut vraiment définir la valeur reproductive à partir du potentiel
   démographique, on peut utiliser (27), c'est-à-dire \begin{equation}\tag{31}
   v(t,x)=c(t-x,x)\, e^{r t}\, . \end{equation} Ainsi, l'hypothèse improbable (30)
   n'est plus nécessaire pour démontrer la croissance exponentielle de la valeur
   reproductive totale. La définition (31) requiert bien sûr que r ait été
   prédéfini: cela peut être un problème si l'on considère comme dans (Ediev, 2007)
   des fertilités et des mortalités arbitraires et pas seulement périodiques. En
   utilisant (31) comme définition pour la valeur reproductive, on voit facilement
   que la constance de  \(C(t)\) est équivalente à la croissance exponentielle de la
   valeur reproductive totale \(V(t)\) définie par (9) : \(V(t) = e^{rt}
   C(t)=e^{rt}\, C(0)=e^{rt}\, V(0)\).

    Remerciements

       Ce travail a reçu le soutien de la Fondation des sciences naturelles de
   l'Université du Xinjiang et du Programme de recherches avancées de coopérations
   franco-chinoises (PRA SI-05-01). Ce travail a été terminé alors que N. B.
   visitait le collège de mathématiques et sciences des systèmes de l'Université du
   Xinjiang à Urumqi, en Chine. On remercie M. Gyllenberg, R. M. Nisbet, R. Schoen
   et S. Tuljapurkar pour avoir envoyé des copies de leurs articles, et H. Caswell
   pour ses conseils.

    Références bibliographiques

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