| DC Field | Value | Language |
| dc.contributor.advisor1 | Mazorche, Sandro Rodrigues | - |
| dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/3158859691850299 | pt_BR |
| dc.contributor.advisor-co1 | Santos, Rodrigo Weber dos | - |
| dc.contributor.advisor-co1Lattes | http://lattes.cnpq.br/6653435398940498 | pt_BR |
| dc.contributor.referee1 | Camargo, Rubens de Figueiredo | - |
| dc.contributor.referee1Lattes | http://lattes.cnpq.br/4894275157982649 | pt_BR |
| dc.contributor.referee2 | Bueno-Orovio, Alfonso | - |
| dc.contributor.referee2Lattes | http://lattes.cnpq.br/ | pt_BR |
| dc.contributor.referee3 | Burrage, Kevin | - |
| dc.contributor.referee3Lattes | http://lattes.cnpq.br/ | pt_BR |
| dc.contributor.referee4 | Chapiro, Grigori | - |
| dc.contributor.referee4Lattes | http://lattes.cnpq.br/0311818140902541 | pt_BR |
| dc.contributor.referee5 | Rocha, Bernardo Martins | - |
| dc.contributor.referee5Lattes | http://lattes.cnpq.br/9127577198387019 | pt_BR |
| dc.creator | Monteiro, Noemi Zeraick | - |
| dc.creator.Lattes | http://lattes.cnpq.br/9709919062515148 | pt_BR |
| dc.date.accessioned | 2026-07-02T12:13:57Z | - |
| dc.date.available | 2026-06-30 | - |
| dc.date.available | 2026-07-02T12:13:57Z | - |
| dc.date.issued | 2026-03-26 | - |
| dc.identifier.uri | https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/20551 | - |
| dc.description.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. | pt_BR |
| dc.description.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. | pt_BR |
| dc.description.sponsorship | CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior | pt_BR |
| dc.language | eng | pt_BR |
| dc.publisher | Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF) | pt_BR |
| dc.publisher.country | Brasil | pt_BR |
| dc.publisher.department | ICE – Instituto de Ciências Exatas | pt_BR |
| dc.publisher.program | Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional | pt_BR |
| dc.publisher.initials | UFJF | pt_BR |
| dc.rights | Acesso Aberto | pt_BR |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil | * |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/ | * |
| dc.subject | Efeito memória | pt_BR |
| dc.subject | Biologia matemática | pt_BR |
| dc.subject | Eletrofisiologia | pt_BR |
| dc.subject | Cálculo fracionário | pt_BR |
| dc.subject | Funções de Mittag-Leffler | pt_BR |
| dc.subject | Memory effect | pt_BR |
| dc.subject | Mathematical biology | pt_BR |
| dc.subject | Electrophysiology | pt_BR |
| dc.subject | Fractional calculus | pt_BR |
| dc.subject | Mittag-Leffler functions | pt_BR |
| dc.subject.cnpq | CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA | pt_BR |
| dc.title | Mathematical biology models incorporating memory kernels via ordinary, delay, and fractional differential equations | pt_BR |
| dc.type | Tese | pt_BR |
| Appears in Collections: | Doutorado em Modelagem Computacional (Teses)
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