Modelo Brusselator de Reação-Difusão

Grupo: Carolina Lenzi, Eric Naiber e Vitória Xavier

O objetivo deste trabalho é implementar o modelo de reação-difusão Brusselator em duas dimensões, frequentemente utilizado para estudar sistemas complexos químicos e biológicos. O modelo é um sistema não linear de equações diferenciais parciais e foi proposto em 1968 por Ilya Prigogine e seus colaboradores da Universidade Livre de Bruxelas. Desde então tem sido aplicado para analisar reações oscilatórias e autocatalíticas. O método computacional utilizado para implementar o modelo foi o método FTCS (Forward Time Centered Space).

Modelo de Brusselator

O estudo de sistemas químicos e biológicos frequentemente requer o uso de modelos que caracterizam reações de reação-difusão. Um dos modelos mais utilizados é o modelo de Brusselator, que é utilizado para descrever o mecanismo químico de reação-difusão com oscilações não lineares. ^[1]. Turing observou que quando determinadas reações são associadas a difusão, é possível obter um padrão espacial estável, e isso leva a teoria de morfogênese^[2]. Além de processos de reação-difusão, o modelo Brusselator é observado em reações enzimáticas e na física de plasma e de lasers.

O mecanismo de Brusselator proposto por Prigogine^[3] é dado por:

A\to U

(1.a)

B+U\to V+D

(1. b)

2U+V\to 3U

(1.c)

U\to E

(1.d)

Onde U e V são as espécies químicas de interesse. Assumimos A e B em excesso para que o sistema não atinja o estado de equilíbrio. Esse sistema químico foi importante para o avanço na área de sistemas complexos porque possibilita o uso de modelos matemáticos de duas dimensões, já que U e V são variáveis dependentes, e admite oscilações de ciclo limite^[4].

As equações diferenciais parciais associadas com o sistema Brusselator^[5] são dadas por:

{\frac {\partial u}{\partial t}}=a+u^{2}v-(b+1)u+D_{u}\left({\frac {\partial ^{2}u}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}u}{\partial y^{2}}}\right)

{\frac {\partial v}{\partial t}}=bu-u^{2}v+D_{v}\left({\frac {\partial ^{2}v}{\partial x^{2}}}+{\frac {\partial ^{2}v}{\partial y^{2}}}\right)

onde $u(x,y,t)$ e $v(x,y,t)$ são as concentrações a serem investigadas em função de tempo e espaço, $a$ e $b$ são constantes relativas às concentrações dos reagentes A e B, e $D_{u}$ e $D_{v}$ são as constantes de difusão de U e V.

A solução analítica do sistema reação-difusão Brusselator ainda não é conhecida e por isso há o interesse de explorá-la numericamente.

Análise da estabilidade do sistema

Análise de ponto crítico

Considerando o sistema livre de difusão, quando $D_{u}=D_{v}=0$ :

{\frac {du}{dt}}=f(u,v)=a+u^{2}v-(b+1)u

{\frac {dv}{dt}}=g(u,v)=bu-u^{2}v

Encontramos os pontos críticos do sistema igualando as derivadas à zero. Obtemos que o único ponto crítico é $(u^{*},v^{*})=\left(a,{\frac {b}{a}}\right)$ . A matriz jacobiana $J^{*}$ no ponto crítico $(u^{*},v^{*})$ é dada por

J^{*}={\begin{bmatrix}{\frac {\partial f}{\partial u}}{\Big |}_{u^{*},v^{*}}&{\frac {\partial f}{\partial v}}{\Big |}_{u^{*},v^{*}}\\{\frac {\partial g}{\partial u}}{\Big |}_{u^{*},v^{*}}&{\frac {\partial g}{\partial v}}{\Big |}_{u^{*},v^{*}}\end{bmatrix}}={\begin{bmatrix}b-1&a^{2}\\-b&-a^{2}\end{bmatrix}}

Os autovalores de $J^{*}$ são os valores $\lambda$ que satisfazem a equação caracterísitca

\lambda ^{2}+(1-b+a^{2})\lambda +a^{2}=0

Os autovalores claramente mostram dependência em Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle 1-b+a^2} e no determinante Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \Delta = (1 - b + a^2)^2 - 4a^2} . Esses autovalores governam a estabilidade do ponto crítico e determinam a existência de um ciclo limite. Conforme discutido em Twizell^[6], quando Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle Re(\lambda) < 0 } o sistema é estável e não existe ciclo limite. Já para Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle Re(\lambda) > 0 } o sistema é instável e existe ciclo limite.

Análise de ponto fixo

Ainda em Twizell^[6], foi feita a análise de ponto fixo. O único ponto fixo encontrado é Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (u^*, v^*) = \left ( a, \frac{b}{a} \right)} . Manipulando a matriz Jacobiana nesse ponto e analisando os autovalores, obtém-se que a solução é atraída para o ponto Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \left ( a, \frac{b}{a} \right)} se Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle 1-b+a^2 > 0} . Caso contrário, a solução não converge.

Método FTCS

O FTCS (Forward Time Centered Space) é um método de diferença finita que utiliza a derivada à direita ("para frente") no tempo e a derivada segunda centralizada no espaço para discretizar as variáveis. As derivadas no tempo e no espaço bidimensional ficam:

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{\partial f(x, y, t)}{\partial t} \to \frac{f(x, y, t + \Delta t) - f(x, y, t)}{\Delta t} + \mathcal{O}(\Delta t ^2) }

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{\partial^2 f(x, y, t)}{\partial x^2} \to \frac{f(x-\Delta x, y, t) - 2f(x, y, t) + f(x+\Delta x, y, t)}{(\Delta x)^2} + \mathcal{O}(\Delta x ^3) }

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{\partial^2 f(x, y, t)}{\partial y^2} \to \frac{f(x, y-\Delta y, t) - 2f(x, y, t) + f(x, y+\Delta y, t)}{(\Delta y)^2} + \mathcal{O}(\Delta y ^3) }

Substituindo nas equações do Brusselator

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{u(x, y, t + \Delta t) - u(x, y, t)}{\Delta t} = f(u, v) + D_u \left( \frac{u(x-\Delta x, y, t) - 2u(x, y, t) + u(x+\Delta x, y, t)}{(\Delta x)^2} + \frac{u(x, y-\Delta y, t) - 2u(x, y, t) + u(x, y+\Delta y, t)}{(\Delta y)^2} \right) }

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \frac{v(x, y, t + \Delta t) - v(x, y, t)}{\Delta t} = g(u, v) + D_v \left( \frac{v(x-\Delta x, y, t) - 2v(x, y, t) + v(x+\Delta x, y, t)}{(\Delta x)^2} + \frac{v(x, y-\Delta y, t) - 2v(x, y, t) + v(x, y+\Delta y, t)}{(\Delta y)^2} \right) }

onde Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle f(u, v)} e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle g(u, v)} são as funções que representam a reação sem difusão.

Utilizamos discretização do tipo

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle t = 0, 1\Delta t, 2\Delta t, 3\Delta t, ..., t_{max}}

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle x = 0, 1\Delta x, 2\Delta x, 3\Delta x, ..., N_x}

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle y = 0, 1\Delta y, 2\Delta y, 3\Delta y, ..., N_y}

Utilizando a notação Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle f(i\Delta x, j\Delta y, n\Delta t) = f_{i,j}^n} , assumindo Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \Delta x = \Delta y = \Delta s} e rearranjando os termos, reescrevemos as equações como

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle u_{i,j}^{n+1} = u_{i, j}^n + f(u_{i,j}^n, v_{i, j}^n)\Delta t + K_u (u_{i-1, j}^n + u_{i+1, j}^n + u_{i, j-1}^n + u_{i, j+1}^n - 4 u_{i, j}^n) }

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v_{i,j}^{n+1} = v_{i, j}^n + g(u_{i,j}^n, v_{i, j}^n)\Delta t + K_v (v_{i-1, j}^n + v_{i+1, j}^n + v_{i, j-1}^n + v_{i, j+1}^n - 4 v_{i, j}^n) }

onde Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle K_u = \frac{D_u \Delta t}{(\Delta s)^2}} e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle K_v = \frac{D_v \Delta t}{(\Delta s)^2}} .

Análise de estabilidade

A análise de estabilidade do método FTCS pode ser feita com a análise local de von Neumann. Para isso precisamos linearizar as equações do modelo Brusselator e escrever as soluções em modos de Fourier, da seguinte forma:

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \delta u_{i, j}^{n+1} = \delta u_{i, j}^n + K_u \left( \delta u_{i+1, j}^n + \delta u_{i-1, j}^n + \delta u_{i, j+1}^n + \delta u_{i, j-1}^n - 4 \delta u_{i, j}^n \right) + \Delta t f_u \delta u_{i, j}^n + \Delta t f_v \delta v_{i, j}^n }

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \delta v_{i, j}^{n+1} = \delta v_{i, j}^n + K_v \left( \delta v_{i+1, j}^n + \delta v_{i-1, j}^n + \delta v_{i, j+1}^n + \delta v_{i, j-1}^n - 4 \delta v_{i, j}^n \right) + \Delta t g_u \delta u_{i, j}^n + \Delta t g_v \delta v_{i, j}^n }

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle {\delta u^n \choose \delta v^n} = \xi ^n e^{i(k_x i \Delta x + k_y j \Delta y)} {\delta u_0 \choose \delta v_0} }

Para que o método seja estável, é preciso que Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle |\xi| < 1} . Após inserir as soluções nas equações linearizadas e realizar manipulações algébricas, como feito por Scholz^[7], obtemos

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \xi_\pm = \frac{1}{2} \left [ \beta \pm \sqrt{\beta ^2 - 4 (\Delta t)^2 a^2 b} \right ] }

onde

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \beta = 2 - 4 \gamma (K_u + K_v) + \Delta t (b - 1 - a^2)}

e

Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \gamma = sin^2\left( \frac{k_x \Delta s}{2} \right) + sin^2\left( \frac{k_y \Delta s}{2} \right)}

Os valores Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \Delta t = 0.01} e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \Delta s = 1} satisfazem a condição de estabilidade, como mostrado em Scholz^[7].

Implementação

A seguir, o trecho do código relativo à implementação do método na linguagem Python. O código completo encontra-se no Github [1]

# u_n, v_n -> concentracao dos reagentes no tempo n (matriz Nx x Ny)
# u_n1, v_n1 -> concentracao dos reagentes no tempo n+1

while t < t_max:

    for i in range(Nx):
        i_e = (i - 1) % Nx  # vizinho a esquerda de 0 é o da ultima posicao
        i_d = (i + 1) % Nx  # vizinho a direita da ultima posicao é o zero

        for j in range(Ny):
            j_e = (j - 1) % Ny
            j_d = (j + 1) % Ny

            # calcular u e v no tempo n+1
            u_n1[i, j] = u_n[i, j] + dt * f(u_n[i, j], v_n[i, j], b) \
                         + ku * (u_n[i_e, j] + u_n[i_d, j] + u_n[i, j_e] + u_n[i, j_d] - 4 * u_n[i, j])
            v_n1[i, j] = v_n[i, j] + dt * g(u_n[i, j], v_n[i, j], b) \
                         + kv * (v_n[i_e, j] + v_n[i_d, j] + v_n[i, j_e] + v_n[i, j_d] - 4 * v_n[i, j])

    # atualizar u_n e v_n
    for i in range(Nx):
        for j in range(Ny):
            u_n[i, j] = u_n1[i, j]
            v_n[i, j] = v_n1[i, j]

    t += dt

Resultados

Esta seção se dedica ao resultados das simulações realizadas, que mostram o caráter oscilatório do Brusselator ao longo do tempo e também como se dá a difusão dos reagentes em um recipiente em duas dimensões. As constantes utilizadas foram identificadas abaixo para plotar os gráficos, exceto quando indicado o contrário.

Tabela de Constantes e Valores
Símbolo	Nome	Valor
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle N_x}	Dimensão analisada ao longo do eixo x	50
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle N_y}	Dimensão analisada ao longo do eixo y	50
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle a}	Constante relativa à concentração do reagente A	1
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle b}	Constante relativa à concentração do reagente B	1.7
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle D_u}	Constante de difusão do reagente U	0.5
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle D_v}	Constante de difusão do reagente V	1
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle u_0}	Concentração de u no tempo inicial (t=0)	1
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v_0}	Concentração de v no tempo inicial (t=0)	1
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle dt}	Passo de tempo entre iterações	0.01
Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle ds}	Unidade de avanço dos eixos no espaço	1

As posições das condições iniciais foram escolhidas arbitrariamente, tendo um total de 6 modos que serão explicados na sequência, sendo eles:

Condição em formato do sinal "+".
Condição de borda.
Condição aleatória.
Condição de nove pontos centrais.
Condição da borda completa.

Simulação

Nas figuras abaixo temos a variação das concentrações dos reagentes ao longo do tempo e os diagramas de fase. Para Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle a = 1} e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle b = 1.7} notamos que a solução do sistema converge para Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle u(t) = 1} e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v(t) = 1.7} . Esse resultado está de acordo com o esperado, pois o ponto Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \left(1, 1.7\right)} é um ponto fixo atrator (satisfaz que Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle 1-b+a^2 > 0} ), conforme discutido na seção de análise de estabilidade do Brusselator. Notamos também, pelo diagrama de fase, que mesmo alterando as condições iniciais do problema, a solução converge para o estado estacionário.

Figura 1: Solução do Brusselator para a = 1 e b = 1.7.

Para Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle a = 1} e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle b = 3} , temos que Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle 1-b+a^2 < 0} , portanto a solução do sistema não converge. O que observamos é um comportamento periódico causado pela existência do ciclo limite.

Figura 2: Solução do Brusselator para a = 1 e b = 3.

Podemos pensar nas funções de concentração Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle u} e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v} como ondas que sofrem interferência destrutiva, pois estão fora de fase. A animação abaixo mostra este comportamento, observe o reagente Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle U} , representado pela cor amarela, no gráfico da direita. Note que quando o ponto do gráfico da esquerda chega ao mínimo local, o valor de Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle U} é alto e o de Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle V} muito baixo, fazendo com que o gráfico da direita fique muito amarelo.

Figura 3: Comportamento do reagente.

É interessante pensar no gráfico da esquerda como a análise em um ponto específico dentro do recipiente, por exemplo, se Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle Nx=Ny=50} estamos analisando o ponto Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle (10,10)} . Tendo isso em mente conseguimos analisar os outros 3 cantos da figura, já que, por simetria da posição inicial escolhida, os cantos são iguais.

Figura 4: Análise de um ponto.

Condições Iniciais

Realizamos as simulações variando espacialmente as condições iniciais, para verificar os diferentes padrões formados pelo sistema.

Condição em Formato do Sinal "+"

O reagente Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle u_0} é distribuído no centro formando um sinal de "+".

Figura 4: Comportamento em formato de "+" para o reagente u. Para o reagente v foi utilizado a condição de borda.

# u_n [Nx, Ny]

# Centro
u_n[int(Nx / 2), int(Ny / 2)] = u0


# Lateral do sinal
#       X                   Y
u_n[int(Nx / 2) + 1, int(Ny / 2)] = u0
u_n[int(Nx / 2) - 1, int(Ny / 2)] = u0


# Altura do sinal
#       X                   Y
u_n[int(Nx / 2), int(Ny / 2) + 1] = u0
u_n[int(Nx / 2), int(Ny / 2) - 1] = u0

Condição de borda

O reagente Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v_0} foi distribuído nos 4 cantos do recipiente.

Figura 5: Analisando u com condição de borda "+". Para o reagente v foi utilizado a condição de borda. Foi utilizado b=3 para mostrar a diferença na simulação.

# u_n [Nx, Ny]

# Sup Esq
v_n[0, 0] = v0


# Sup Dir
v_n[0, Nx - 1] = v0


# Inf Esq
v_n[Nx - 1, 0] = v0


# Inf Dir
v_n[Nx - 1, Nx - 1] = v0

Condição aleatória

Os reagentes são aleatoriamente distribuídos ao longo do recipiente, a quantidade de focos de reagente também é aleatória para Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle u_0} e Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v_0} .

Figura 6: Posição aleatória.

from random import *

# u_n [Nx, Ny]

aleatorio = randint(int(Nx / 5)


# Aleatório para u
for _ in range(aleatorio, Nx)):
    u_n[randint(0, size), randint(0, size)] = u0


# Aleatório para v
for _ in range(aleatorio, Nx)):
    v_n[randint(0, size), randint(0, size)] = v0

Condição de nove pontos centrais

No centro divide 9 pontos igualmente espaçados de tamanho Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle N_x/4} , para Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle u_0} . Foi utilizado para Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle u_0} na figura 3.

Figura 7: Utilizando a condição de borda para v.

# Nove pontos centrais (u0)
mid = int(Nx / 2); mov = int(Nx / 4)

# Meio & direita
u_n[mid, mid] = u0
u_n[mid + mov, mid + mov] = u0
# Meio & esquerda
u_n[mid + mov, mid] = u0
u_n[mid, mid + mov] = u0
# Meio, p/baixo & p/lados
u_n[mid + mov, mid - mov] = u0
u_n[mid - mov, mid - mov] = u0
# Meio, p/cima & p/lados
u_n[mid - mov, mid] = u0
u_n[mid, mid - mov] = u0
u_n[mid - mov, mid + mov] = u0

Condição da borda completa

Completa toda a borda do recipiente com reagente Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v_0} . Foi utilizado para Falhou ao verificar gramática (MathML com retorno SVG ou PNG (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle v_0} na figura 3.

Figura 8: Utilizando a condição de borda para v e b=3.

# v_n = [Nx, Ny]


# Toda a borda (v0)


for i in range(Nx):

    # Completa primeira coluna e primeira linha
    v_n[0, i] = v0
    v_n[i, 0] = v0

    # Completa última coluna e última linha
    v_n[Nx - 1, i] = v0
    v_n[i, Nx - 1] = v0

Referências

↑ J. Tyson, Some further studies of nonlinear oscillations in chemical systems, J. Chem. Phys. 58 (1973) 3919
↑ Turing A. M., The chemical basis of morphogenesis. 1953. Bull. Math. Biol. 52, 153, discussion 119 (1990).
↑ I. Prigogine, R. Lefever, Symmetries breaking instabilities in dissipative systems II. J. Phys. Chem. 48, 1695–1700 (1968)
↑ R. Lefever and G. Nicolis, Chemical instabilities and sustained oscillations, J. Theor. Biol. 30 (1971)
↑ G. Adomian, The diffusion-Brusselator equation. Comput. Math. Appl. 29, 1–3 (1995)
↑ ^6,0 ^6,1 Twizell, E. H., Gumel, A. B., & Cao, Q. (1999). Journal of Mathematical Chemistry, 26(4), 297–316
↑ ^7,0 ^7,1 Scholz, Christian, Morphology of Experimental and Simulated Turing Patterns, 2009, p. 27-29.

[1] J. Tyson, Some further studies of nonlinear oscillations in chemical systems, J. Chem. Phys. 58 (1973) 3919

[2] Turing A. M., The chemical basis of morphogenesis. 1953. Bull. Math. Biol. 52, 153, discussion 119 (1990).

[3] I. Prigogine, R. Lefever, Symmetries breaking instabilities in dissipative systems II. J. Phys. Chem. 48, 1695–1700 (1968)

[4] R. Lefever and G. Nicolis, Chemical instabilities and sustained oscillations, J. Theor. Biol. 30 (1971)

[5] G. Adomian, The diffusion-Brusselator equation. Comput. Math. Appl. 29, 1–3 (1995)

[t-6] 6,0 ^6,1 Twizell, E. H., Gumel, A. B., & Cao, Q. (1999). Journal of Mathematical Chemistry, 26(4), 297–316

[s-7] 7,0 ^7,1 Scholz, Christian, Morphology of Experimental and Simulated Turing Patterns, 2009, p. 27-29.

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Análise da estabilidade do sistema

Análise de ponto crítico

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