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Tipo: Tese
Título: Mathematical biology models incorporating memory kernels via ordinary, delay, and fractional differential equations
Autor(es): Monteiro, Noemi Zeraick
Primeiro Orientador: Mazorche, Sandro Rodrigues
Co-orientador: Santos, Rodrigo Weber dos
Membro da banca: Camargo, Rubens de Figueiredo
Membro da banca: Bueno-Orovio, Alfonso
Membro da banca: Burrage, Kevin
Membro da banca: Chapiro, Grigori
Membro da banca: Rocha, Bernardo Martins
Resumo: Sistemas biológicos frequentemente exibem tempos de permanência e distribuições de atraso (delay) não exponenciais. Embora cadeias de equações diferenciais ordinárias, sistemas com atraso e formulações de cálculo fracionário tenham sido utilizados para incorporar efeitos de memória, ainda carece de um arcabouço unificado e biologicamente consistente que conecte esses paradigmas. Esta tese apresenta uma formulação geral baseada em núcleos de memória que integra sistemas diferenciais ordinários, com atraso e fracionários em uma estrutura unificada. Ao representar a memória por meio de núcleos integrais com distribuições estatisticamente interpretáveis, o estudo mostra que essas abordagens de modelagem situam-se em um espectro contínuo determinado pela forma do núcleo de atraso no tempo, ao mesmo tempo em que preservam a interpretabilidade física. Em particular, a distribuição gama Mittag-Leffler generalizada é introduzida como um núcleo versátil capaz de capturar tanto características exponenciais quanto comportamentos fracionários de cauda pesada, além de permitir uma interpretação em termos de momentos estatísticos. A estrutura proposta é explorada analítica e numericamente em diversas aplicações, incluindo dinâmica de populações, epidemiologia, farmacocinética e eletrofisiologia. Demonstra-se que núcleos de memória induzem comportamentos complexos em modelos simples. Esses efeitos podem levar a fenômenos como dinâmicas epidêmicas com múltiplas ondas e oscilações em potenciais de ação cardíacos, conhecidas como pós-despolarizações precoces. Em vez de atuar como forçante periódico externo, a memória reorganiza a geometria do espaço de fases das trajetórias, modulando, assim, a dinâmica do sistema. Ao reconhecer a memória em modelos biológicos como algo além de um simples ajuste matemático — isto é, como uma expansão estrutural do espaço de fases por meio de variáveis ocultas e graus de liberdade adicionais — esta tese contribui para o esclarecimento da relação entre sistemas markovianos e não markovianos. Além disso, estabelece formulações fracionárias consistentes e fisicamente fundamentadas, contribuindo para a aplicação rigorosa do cálculo fracionário na modelagem biológica e, consequentemente, reduzindo fontes comuns de má interpretação. Em conjunto, esses resultados fornecem uma base unificada para a análise de comportamentos complexos em diferentes áreas do conhecimento.
Abstract: Biological systems frequently exhibit non-exponential dwell times and delay distributions. While chains of ordinary differential equations, delay systems, and fractional calculus formulations have been used to incorporate memory effects, a unified and biologically consistent framework connecting these paradigms remains lacking. This thesis presents a general memory kernel formulation that integrates ordinary, delayed, and fractional differential systems into a unified structure. By representing memory using integral kernels with statistically interpretable distributions, the study shows that these modeling approaches lie on a continuous spectrum determined by the shape of the time-delay kernel, while retaining physical interpretability. In particular, the generalized gamma Mittag-Leffler distribution is introduced as a versatile kernel that can capture both exponential and heavy-tailed fractional characteristics, while also describe statistical moments. The proposed structure is explored analytically and numerically in several applications, including population dynamics, epidemiology, pharmacokinetics, and electrophysiology. It is demonstrated that memory kernels induce complex behaviors in simple models. These effects can lead to phenomena such as multi-wave epidemic dynamics, and oscillations in cardiac action potentials, known as early afterdepolarizations. Rather than acting as an external periodic forcing, memory reshapes the phase-space geometry of trajectories, thus modulating the dynamics. By recognizing memory in biological models as more than a mathematical adjustment, but as a structural expansion of phase space through hidden variables and degrees of freedom, this thesis clarifies the relationship between Markovian and non-Markovian systems. Furthermore, it establishes consistent and physically grounded fractional formulations, contributing to the rigorous application of fractional calculus in biological modeling and thereby reducing common sources of misinterpretation. Taken together, these results provide a unified basis for the analysis of complex behaviors across diverse disciplines.
Palavras-chave: Efeito memória
Biologia matemática
Eletrofisiologia
Cálculo fracionário
Funções de Mittag-Leffler
Memory effect
Mathematical biology
Electrophysiology
Fractional calculus
Mittag-Leffler functions
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Idioma: eng
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Sigla da Instituição: UFJF
Departamento: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Programa: Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Licenças Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/20551
Data do documento: 26-Mar-2026
Aparece nas coleções:Doutorado em Modelagem Computacional (Teses)



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