Inclassables Mathématiques 2.0

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/61810.htm

Les changements climatiques inquiètent de plus en plus, non seulement les scientifiques mais également le monde agricole, notamment en raison des impacts qu'ils ont ou auront sur les pratiques culturales. D'après les climatologues, les changements climatiques ont eu pour conséquence un bouleversement planétaire des rythmes saisonniers. En effet, comparé à la situation quelques décennies en arrière, le printemps est plus précoce, ce qui entraîne notamment une floraison anticipée des plantes. Pour comprendre l'impact de ces phénomènes, les chercheurs tentent de mettre au point des modèles mathématiques permettant de prédire les effets éventuels des bouleversements météorologiques sur les cultures. Nous avions déjà abordé ce thème dans un précédent bulletin qui exposait les travaux de recherche de scientifiques de l'ARS (Agricultural Research Service) et de la NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration), lesquels ont mis au point des modèles numériques pour l'aide à la décision agricole (date des pâtures, estimation des rendements, etc.) en lien avec le climat. Ce projet avait pour but de fournir aux exploitants des données locales les plus pertinentes, à savoir des variations à court terme ou des ruptures par rapport aux moyennes à long terme.

Le cancer est l'une des causes majeures de décès dans le monde (en particulier dans les pays en développement), avec environ 11 millions de personnes diagnostiquées et environ 7 millions de personnes qui meurent chaque année. Les prévisons de l'Organisation mondiale de la santé  sont d'environ 9 millions de morts en 2015 et de  11,5 millions de décès en 2030 par cancer.

Le cancer est un sujet très important de la recherche médicale, mais de façon assez inattendue aussi de la recherche en mathématiques appliquées.

Le processus démarre avec la division incontrollée de quelques cellules. les déchets sont expulsés à la surface de la tumeur. Une fois que la tumeur atteint une certaine taille les propriétés des bords de la tumeur se modifient en raison de l'importance des déchets. Elle devient plus agressive.

Les mathématiques sont déjà utilisées pour modéliser la croissance de tumeurs cancéreuses dans la phase pré-invasive. Une équipe de l'université de Dundee est en train de concevoir un modèle global de croissance. Un tel modèle doit fonctionner sur plusieurs niveaux, sub-cellulaire, cellulaire et macroscopique. L'objectif de ce projet est de simuler un cancer virtuel afin d'améliorer les traitements.

La partie continue du modèle serait composée d'un système d'équations de réaction-diffusion modélisant les modifications de concentration des substances chimiques libérées dans les cellules de la tumeur et les tissus environnants  les changements qui en résultent pour les tissus et  la tumeur.

Ce sont visiblement des équations identiques à celles permettant de modéliser la diffusion des pigments donnant naissance aux tâches et rayures du pelage de certains animaux.

L'article complet ( en anglais) sur Plus magazine

Au début l'histoire commençait bien, la Terre, plate puis sphérique, était au centre du monde que les Dieux tout-puissants ou le Dieu Horloger avaient créé. Les planètes et le soleil tournaient autour d'elle sur des sphères parfaites séparées par l'éther, et sur la sphère des fixes étaient accrochées les étoiles. Les relevés se sont multipliés et puis d'étranges mouvements de retour arrière de quelques planètes ont été découverts. Pas grave puisqu'il suffit de deux cercles qui roulent l'un dans l'autre pour produire cet effet. A moins que la terre ne soit pas au centre du monde, peut-être serait-ce le soleil... Le mouvement des planètes vu de la terre serait relatif et apparent mais pas absolu comme s'eût été le cas si la terre avait été fixe. On s'aperçut aussi que les trajectoires des planètes étaient bien  allongées pour être des cercles, les ellipses conviendraient mieux et c'est ce que découvrit Kepler en interprétant les nombreux relevés de Tycho Brahé. La face est sauve puisque l'on peut même construire une ellipse à l'aide de cercles, mais cela ne devait plus tellement être un sujet d'actualité tellement les croyances anciennes avaient déjà du être balayées. Le système solaire, retiré dans un coin de la voie lactée, s'est ensuite un peu endormi sur ses belles orbites elliptiques et régulières jusqu'à ce qu'un jour un mathématicien du nom de Poincaré vienne un peu le réveiller et lui souffler dans l'oreille qu'il n'était pas éternel. Les trajectoires de 3 corps en mouvement peuvent devenir très instables et leur avenir dépendre énormément des conditions initiales et donc de très faibles variations de trajectoires. Même si l'un d'entre eux est immobile, le système peut toujours être chaotique et soumis à de très fortes variations, en rendant toute tentative de lecture de l'avenir impossible. Si le système simplifié de 3  corps dont le plus massif est immobile est déjà complexe, nous pouvons imaginer ce qu'il en est avec plus de 3 corps, ce qui est le cas du système solaire actuel.

La validité éternelle d'une loi n'entraîne pas la stabilité des trajectoires, qu'on se le dise!

Selon certains scénarios liés au réchauffement climatique, des déplacements massifs de population devraient avoir lieu suite à l'élévation du niveau des mers et à la désertification de régions semi-arides. Sajjad Zahir, chercheur à l'Université de Lethbridge en Alberta, et ses collègues Ruhul Sarker de l'Université de Nouvelle Galles du Sud (Australie) et Ziaul Al-Mahmud du Lethbridge Community Network ont mis au point un nouvel algorithme pour traiter de ces problèmes de transfert de population.

En adoptant une approche multi-objectifs, le système d'aide à la décision prend en compte différents coûts (transport, adaptation...) et priorités pour déterminer de manière optimale les proportions de population à déplacer ou à conserver sur place. Selon les auteurs, la méthodologie proposée devrait aider les décideurs à planifier et préparer les décisions cruciales qu'ils seront amenés à prendre dans les années qui viennent.

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/58681.htm

Une simulation numérique montre le glacier du Rhône tel qu'il était en 1874 et tel qu'il sera probablement en 2100. Jamais une telle démarche n'a porté sur une si longue période et n'a pris en compte des données et modèles aussi complexes. Fruit d'une collaboration entre les deux Ecoles polytechniques fédérales, ces travaux vont servir à tous les acteurs concernés par l'état des glaciers.

L'article complet de l'EPFL : ICI

La page de Guillaume Jouvet avec les  animations vidéos: ICI

A quoi bon faire des élections si les modèles mathématiques prédisent tout. Etrange monde que celui dans lequel nous vivons qui créé à force de modélisation une seconde terre virtuelle ( et pourtant bien réélle ) mais modélisée mathématiquement. Des cracks financiers, sous-estimés à cause de l'inutilisation de modèles trop complexes, en passant par les divers scénarios de modification climatique, les opérations chirurgicales qui ne nécessiteront plus d'intervention humaine, jusqu'aux élections américaines, les modèles mathématiques sont partout. Ils permettent dans un cas de se déplacer avec une très grande précision dans la géométrie complexe du corps humain sans altérer les parois, de se projetter à la surface de la terre dans cent ans, de prévoir l'efficacité de nouveaux médicaments sur une maladie ou l'impact d'une campagne de vaccination sur le taux de cancer.

Ici, un modèle mathématique remplace le vote de millions d'américains. Ce modèle qui a préditl e gagnant des élections américaines six fois de suite vote cette année pour Obama. Il résume presque le vote de l'Amérique toute entière à une simple formalité inutile et réduit l'espace politique à sa modélisation numérique.

Le modèle du professeur Lichtman, élaboré en collaboration avec un mathématicien russe, Volodia Keilis-Borok, est construit autour de 13 variables, appelées « clés ». Ces dernières ont été déterminées à partir des résultats obtenus aux présidentielles de 1860 à 1980.

Lichtman ironise même en affirmant :  « Les démocrates auraient pu tirer au hasard un nom d'un annuaire téléphonique et gagner la présidentielle cette année ». Extrait de l'article de Yahoo News.

La modélisation s'infiltre dans tous les domaines, et cela ne peut que nous faire réfléchir de façon profonde sur la nature de notre société, car ici il ne s'agit plus seulement de sondages, mais de modèles autonomes permettant une prédiction alors que le sondage n'est quant à lui qu'une photographie à un instant donné. L'interprétation d'un sondage est d'autant plus aléatoire qu'elle est éloignée du moment du vote réel . Un modèle est beaucoup plus indépendant et s'il demande certainement quelques données d'ambiance, il ne se réduit pas à leur seule interprétation. Des variables principales, autres que les résultat d'un sondage avant les élections, ont été dégagées. Ce sont principalement de leur qualité, de leur indépandance et de la mécanique mathématique les reliant que dépendra la fiabilité d'un modèle.

Mais un modèle , ça ne suffit pas, me direz-vous, pour pouvoir conclure. Qu'à celà ne tienne, puisque les principaux les modèles sont passés en revue dans cet article en Anglais, comme dans le cas du réchauffement climatique où plusieurs moèles et scénarios sont étudiés.

La réponse est sans appel : 6 des 9 principaux modèles donnent Obama gagnant ! Et chose surprenante le modèle de Litchman -Volodia Keilis-Borok dont il est question dans l'article précédemment cité, n'apparait pas dans la liste. Il y aurait donc au moins 10 modèles ! Le modèle de Klarner prévoit même la composition de la chambre des députés et du Sénat.

Serions-nous donc dans un nouveau monde où l'on attend avec impatience que les faits réels confirment ou infirment les prédictions des modèles? Une catastrophe viendrait alors avec un fait réel qui contredirait les prédictions et donc la stabilité des modèles utilisés. La référence dans ce cas ne serait plus la réalité ( y compris sociale et politique ) mais sa modélisation.

Si cela vous inspire quelques commentaires.

C'est à peu près en ces termes que se traduit la pensée des spécialistes de la finance et aussi de  Benoit B. Mandelbrot lorsqu'il parlait des marchés financiers. Les modèles standards utilisés prévoient beaucoup trop de variations moyennes et presque aucune forte variation. Or les marchés boursiers sont soumis à de très fortes variations comme on peut le constater en ce moment.

Un article rédigé par Mandelbrot en 1999 sur ce sujet dans Scientific American a été publié de nouveau en raison de l'actualité. On le trouvera ICI ( c'est en anglais!).

Il est intitulé " Comment les fractales peuvent expliquer ce qui est faux à Wall Street "
La géométrie qui décrit la forme des littoraux et les modèles de galaxies élucide aussi comment les prix des actions montent en flêche et chutent.

Je ne peux que vous conseiller de lire en complément à ce sujet, le livre de Walter et Levy Vehel, publié en 2002 " Les marchés fractals" qui aborde ce problème en profondeur.

Une mise en boite géante pour le 1500ème post de ce blog :

Des astrophysiciens ont reproduit la naissance d'une galaxie elliptique après que deux galaxies spirales se soient rencontrées. Les progrès dans les techniques de reconstruction numérique de l'univers font chaque jour de nouvelles avancées.

L'article de Techno-Science

Et pour avoir la tête dans les étoiles, rien de mieux que d'aller faire un petit tour sur le site Arcane Fractals où l'artiste nous éblouit avec de magnifiques compositions. Celles qui font penser à l'univers cosmique sont dans l'album "The final frontier", à coté de trois autres galeries : Fantasy, Spirit et Mythology.

Le travail est en fait réalisé avec un petit logiciel libre, Apophysis. Le site y consacre d'ailleurs un tutoriel pour démarrer avec.

Une équipe de recherche de l’Université de Montréal s’est servi d’un superordinateur pour effectuer la plus importante simulation mathématique jamais réalisée à ce jour de l’activité électrique d'un cœur humain – un modèle doté de 2 milliards d'éléments – afin de fournir de nouvelles connaissances sur les maladies cardiaques et d’autres maladies.

L'article : ICI