Modelo de Gray-Scott: mudanças entre as edições

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:<math>4\gamma^2 F \leq 1 \Rightarrow 4 \left(\frac{F+k}{F}\right)^2 F \leq 1 \Rightarrow F \geq 4(F+k)^2</math>, para que existam as soluções não-triviais.
:<math>4\gamma^2 F \leq 1 \Rightarrow 4 \left(\frac{F+k}{F}\right)^2 F \leq 1 \Rightarrow F \geq 4(F+k)^2</math>, para que existam as soluções não-triviais.


Portanto, há três soluções estacionárias <math>(u^{*}_{i}, v^{*}_{i})</math> do sistema:<ref name=Gros>Gros, p</ref>
Portanto, há três soluções estacionárias <math>(u^{*}_{i}, v^{*}_{i})</math> do sistema:<ref name=Gros113>Gros, p. 113</ref>


:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
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* Para <math>(u^{*}_{1,2},v^{*}_{1,2}) = \left(\frac{1}{2}(1 \pm \sqrt{1 - 4\gamma^2 F}), \frac{1}{2\gamma}(1 \mp \sqrt{1 - 4\gamma^2 F})\right)</math>, podemos utilizar uma estratégia que simplifica as contas. Em particular, nota-se que os dois pontos obedecem à segunda equação do sistema (2) com <math>v \neq 0</math>. Desse modo, se dividirmos tal equação por <math>v</math>, percebemos que ambos os pontos obedecem a:
* Para <math>(u^{*}_{1,2},v^{*}_{1,2}) = \left(\frac{1}{2}(1 \pm \sqrt{1 - 4\gamma^2 F}), \frac{1}{2\gamma}(1 \mp \sqrt{1 - 4\gamma^2 F})\right)</math>, podemos utilizar uma estratégia que simplifica as contas. Em particular, nota-se que os dois pontos obedecem à segunda equação do sistema (2) com <math>v \neq 0</math>. Desse modo, se dividirmos tal equação por <math>v</math>, percebemos que ambos os pontos obedecem a:


:<math>u^{*}_{i} v^{*}_{i} - (F+k) = 0</math>
:<math>u^{*}_{i} v^{*}_{i} - (F+k) = 0 \quad (8)</math>


:Dessa equação, podemos calcular as entradas da segunda coluna da matriz jacobiana com facilidade:
:Dessa equação, podemos calcular as entradas da segunda coluna da matriz jacobiana com facilidade:
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:Assim, a matriz jacobiana desses pontos fica:
:Assim, a matriz jacobiana desses pontos fica:


:<math>J_{R}(u^{*}_{i},v^{*}_{i}) = \begin{bmatrix} -(v^{*}_{i})^2 - F & -2(F+k)\\ (v^{*}_{i})^2 & (F+k)\end{bmatrix}, \quad i = 1,2 \quad (8)</math>
:<math>J_{R}(u^{*}_{i},v^{*}_{i}) = \begin{bmatrix} -(v^{*}_{i})^2 - F & -2(F+k)\\ (v^{*}_{i})^2 & (F+k)\end{bmatrix}, \quad i = 1,2 \quad (9)</math>


:Sabemos que o produto dos autovalores dessa matriz é igual ao seu determinante. Calculando-o, obtém-se:
:Sabemos que o produto dos autovalores dessa matriz é igual ao seu determinante. Calculando-o, obtém-se:


:<math>\Delta_{i} := \operatorname{det}\left(J_{R}(u^{*}_{i},v^{*}_{i})\right) = (F+k)\left[(v^{*}_{i})^2 -F \right] \quad (9)</math>
:<math>\Delta_{i} := \operatorname{det}\left(J_{R}(u^{*}_{i},v^{*}_{i})\right) = (F+k)\left[(v^{*}_{i})^2 -F \right] \quad (10)</math>


:Dividindo por <math>F(F+k)</math>:
:Dividindo por <math>F(F+k)</math>:<ref name=Gros113/>


:<math>\frac{\Delta_{i}}{F(F+k)} = \frac{(v^{*}_{i})^2}{F} -1 = \left[\frac{1 \mp \sqrt{1-4(\gamma \sqrt{F})^2}}{2(\gamma \sqrt{F})} \right]^2 -1 = \left[\frac{1 \mp \sqrt{1-4a^2}}{2a} \right]^2 -1</math>
:<math>\frac{\Delta_{i}}{F(F+k)} = \frac{(v^{*}_{i})^2}{F} -1 = \left[\frac{1 \mp \sqrt{1-4(\gamma \sqrt{F})^2}}{2(\gamma \sqrt{F})} \right]^2 -1 = \left[\frac{1 \mp \sqrt{1-4a^2}}{2a} \right]^2 -1</math>


:onde se definiu <math>a = \gamma \sqrt{F}</math> ('''observação:''' este é o <math>\gamma</math> definido no Gros). Nota-se que a condição de existência <math>a^2 \leq 1/4</math> para os dois pontos não-triviais é equivalente a <math>F \geq 4(F+k)^2</math>. Expandindo os termos, é possível mostrar que a expressão acima pode ser reescrita como:
:onde se definiu <math>a = \gamma \sqrt{F}</math> ('''observação:''' este é o <math>\gamma</math> definido no Gros<ref name=Gros113/>). Nota-se que a condição de existência <math>a^2 \leq 1/4</math> para os dois pontos não-triviais é equivalente a <math>F \geq 4(F+k)^2</math>. Expandindo os termos, é possível mostrar que a expressão acima pode ser reescrita como:


:<math>\frac{\Delta_{i}}{F(F+k)} = \frac{\sqrt{1-4a^2}}{2a^2} \left(\sqrt{1-4a^2} \mp 1\right) \quad (10)</math>
:<math>\frac{\Delta_{i}}{F(F+k)} = \frac{\sqrt{1-4a^2}}{2a^2} \left(\sqrt{1-4a^2} \mp 1\right) \quad (11)</math>


:* Para o caso <math>i = 1</math> (sinal negativo em (10)), temos a cota superior <math>1-4a^2 < 1</math>. Portanto, <math>\Delta_{1} < 0</math> para todo <math>a</math> que satisfaça a condição de existência. Como o determinante é negativo, sabemos que os autovalores são reais ('''comentário:''' como as entradas da matriz são reais, se os autovalores fossem complexos, seriam também conjugados, de modo que o produto deles fosse igual ao módulo ao quadrado de qualquer um, que seria um valor positivo). Ademais, como seu produto é negativo, eles têm sinais opostos; isto é, um deles é positivo, de modo que o ponto <math>(u^{*}_{1}, v^{*}_{1})</math> '''nunca seja estável'''. Depreendemos desse raciocínio que o determinante da matriz jacobiana de entradas reais ser positivo é uma condição necessária para que haja estabilidade do ponto.
:* Para o caso <math>i = 1</math> (sinal negativo em (11)), temos a cota superior <math>1-4a^2 < 1</math>. Portanto, <math>\Delta_{1} < 0</math> para todo <math>a</math> que satisfaça a condição de existência. Como o determinante é negativo, sabemos que os autovalores são reais ('''comentário:''' como as entradas da matriz são reais, se os autovalores fossem complexos, seriam também conjugados, de modo que o produto deles fosse igual ao módulo ao quadrado de qualquer um, que seria um valor positivo). Ademais, como seu produto é negativo, eles têm sinais opostos; isto é, um deles é positivo, de modo que o ponto <math>(u^{*}_{1}, v^{*}_{1})</math> '''nunca seja estável'''. Depreendemos desse raciocínio que o determinante da matriz jacobiana de entradas reais ser positivo é uma condição necessária para que haja estabilidade do ponto.


:* Já para <math>i = 2</math> (sinal positivo em (10)), temos sempre que <math>\Delta_{2} > 0</math>. Para verificar a estabilidade, temos que agora calcular o traço da matriz jacobiana, pois o traço é a soma dos autovalores: se os autovalores são reais, eles têm o mesmo sinal por seu determinante ser positivo, de modo que o traço compartilhe o sinal com os dois autovalores; se os autovalores <math>\lambda_{i}</math> são complexos, eles serão conjugados e o traço será <math>\operatorname{Tr}(J_{R}) = 2 \operatorname{Re}(\lambda_{i})</math>, de modo que a parte real dos autovalores tenha o mesmo sinal do traço. Assim, ''basta que o traço seja negativo para que o ponto seja estável, e que seja positivo para que seja instável''.
:* Já para <math>i = 2</math> (sinal positivo em (11)), temos sempre que <math>\Delta_{2} > 0</math>. Para verificar a estabilidade, temos que agora calcular o traço da matriz jacobiana, pois o traço é a soma dos autovalores: se os autovalores são reais, eles têm o mesmo sinal por seu determinante ser positivo, de modo que o traço compartilhe o sinal com os dois autovalores; se os autovalores <math>\lambda_{i}</math> são complexos, eles serão conjugados e o traço será <math>\operatorname{Tr}(J_{R}) = 2 \operatorname{Re}(\lambda_{i})</math>, de modo que a parte real dos autovalores tenha o mesmo sinal do traço. Assim, ''basta que o traço seja negativo para que o ponto seja estável, e que seja positivo para que seja instável''.


::No caso, temos que <math>\operatorname{Tr}(J_{R}(u^{*}_{2},v^{*}_{2})) = k - (v^{*}_{2})^2</math>. Esse traço é negativo quando <math>(v^{*}_{2})^2 > k</math> e positivo quando <math>(v^{*}_{2})^2 < k</math>; ou seja, <math>(u^{*}_{2}, v^{*}_{2})</math> '''é estável quando''' <math>v^{*}_{2} > \sqrt{k}</math> '''e instável quando''' <math>v^{*}_{2} < \sqrt{k}</math> (lembrando que <math>v^{*}_{2} > 0</math> para todo <math>F</math> e <math>k</math>). Desse modo, pode-se caracterizar uma transição de estabilidade quando <math>v^{*}_{2} = \sqrt{k}</math>.
::No caso, temos que <math>\operatorname{Tr}(J_{R}(u^{*}_{2},v^{*}_{2})) = k - (v^{*}_{2})^2</math>. Esse traço é negativo quando <math>(v^{*}_{2})^2 > k</math> e positivo quando <math>(v^{*}_{2})^2 < k</math>; ou seja, <math>(u^{*}_{2}, v^{*}_{2})</math> '''é estável quando''' <math>v^{*}_{2} > \sqrt{k}</math> '''e instável quando''' <math>v^{*}_{2} < \sqrt{k}</math> (lembrando que <math>v^{*}_{2} > 0</math> para todo <math>F</math> e <math>k</math>). Desse modo, pode-se caracterizar uma transição de estabilidade quando <math>v^{*}_{2} = \sqrt{k}</math>.


(...)
::Utilizando simultaneamente as equações (3) e (8), obtemos:<ref name=Gros113/>
 
::<math>\frac{F+k}{v^{*}_{2}} = u^{*}_{2} = 1 - \gamma v^{*}_{2} = 1 - \frac{F+k}{F} v^{*}_{2} \Rightarrow (F+k)\frac{F+ (v^{*}_{2})^2}{F} = v^{*}_{2}</math>
 
::Substituindo <math>v^{*}_{2} = \sqrt{k}</math>, obteremos ao final:
 
::<math>(F+k)^2 = F \sqrt{k} \quad (12)</math>


=== Estabilidade dos estados estacionários (com difusão) ===
=== Estabilidade dos estados estacionários (com difusão) ===
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:<math>\begin{align}
:<math>\begin{align}
a D_{v}\omega^2 + d D_{u}\omega^2 - D_{u} D_{v}\omega^4 & < \operatorname{det}(J_{R})\\
a D_{v}\omega^2 + d D_{u}\omega^2 - D_{u} D_{v}\omega^4 & < \operatorname{det}(J_{R}) & \quad (13)\\
D_{u}\omega^2 + D_{v}\omega^2 & > \operatorname{Tr}(J_{R})\\
D_{u}\omega^2 + D_{v}\omega^2 & > \operatorname{Tr}(J_{R}) & \quad(14)\\
\end{align}</math>   
\end{align}</math>   


Se o traço é negativo
Se o traço é negativo, vemos que a segunda equação é imediatamente satisfeita, pois o lado esquerdo é positivo em qualquer situação.<ref name=Sayama287-289/>
 


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Se agora incluímos os termos de difusão , deve-se levar em consideração a matriz <math>\left(J - D \omega^2\right)\Bigg|_{f = f_{eq}}</math>.
Aplicando ao modelo de Gray-Scott em <math>(u^{*}, v^{*}) = (1, 0)</math>:
 
Aqui, <math>J</math> é a matriz jacobiana dos termos de reação, <math>D</math> é a matriz diagonal dos termos de difusão e <math>\omega</math> é o parâmetro que determina a frequência espacial das perturbações. A demonstração da validade desse método pode ser encontrada na referência<ref name=Sayama260/>. Aplicando ao modelo de Gray-Scott em <math>(u^{*}, v^{*}) = (1, 0)</math>:





Edição das 00h59min de 26 de fevereiro de 2022

Introdução

Descrição do Modelo

O modelo de Gray-Scott descreve uma reação autocatalítica. Sejam duas substâncias químicas cujas concentrações em um dado ponto do espaço são dadas pelas variáveis u e v, a reação pode ser representada como

u+2v3v

Isso significa que uma molécula da substância u é transformada em uma molécula da substância v por meio da ação de outras duas moléculas da substância v, ou seja, v é um catalisador de sua própria produção (daí o termo autocatálise). Além dessa reação, ambas substâncias se difundem pelo meio (por isso esse modelo pertence à classe mais geral de modelos reativos-difusivos) e, portanto, as concentrações u e v mudam com o tempo e diferem em cada ponto. Por simplicidade, assume-se que a reação reversa (i.e., 3vu+2v) não ocorre.

O comportamento geral do sistema pode ser descrito pelas equações abaixo:

ut=uv2+F(1u)+Du2uvt=uv2(F+k)v+Dv2v(1)

A primeira das equações acima pode ser interpretada da seguinte forma. Em um dado ponto, a variação na concentração u aumenta proporcionalmente ao laplaciano de u naquele ponto, i.e., quando a concentração u na vizinhança desse ponto é alta; e proporcionalmente à taxa F de reposição de u (taxa de alimentação, ou feed rate). A concentração u diminui com o termo reativo uv2, que representa a reação u+2v3v.

De outro lado, na segunda das equações acima, a concentração v aumenta com o termo reativo uv2 e também proporcionalmente ao laplaciano de v naquele ponto, mas diminui com a remoção de v a uma taxa F+k, mais rápida, portanto, do que a reposição de u.

F e k são os parâmetros do modelo, juntamente com os coeficientes de difusão Du e Dv.

O sistema pode ser imaginado como consistindo em duas substâncias u e v, envoltas por uma membrana semipermeável e imersas em um meio em que essas mesmas duas substâncias estão presentes. A membrana permite a entrada da substância u, mas não da substância v, e permite a saída da substância v, mas não da substância u [1].

Análise de estabilidade

Nota: A análise em toda esta seção pressupõe sempre que os parâmetros e coeficientes de difusão são positivos.

Soluções estacionárias sem difusão

O modelo de Gray-Scott depende dos parâmetros F,k e dos coeficientes de difusão Du,Dv das espécies químicas. Ignorando em um primeiro momento os termos de difusão, percebe-se que, por inspeção, o sistema possui uma solução estacionária em (u*,v*)=(1,0) para quaisquer valores dos parâmetros. Esse ponto, no entanto, não é a única solução estacionária do sistema; para encontrar as outras, é necessário impor u/t=v/t=0 nas equações do sistema. Fazendo isso e dispensando os termos de difusão (Du=Dv=0), obtém-se o seguinte sistema de equações:

uv2+F(1u)=0uv2(F+k)v=0(2)

Somando essas duas equações, relacionamos as variáveis u e v:

F(1u)(F+k)v=0u=1γv(3)

onde definiu-se o parâmetro auxiliar γ=F+kF.

Substituindo u na segunda equação do sistema (2) (e reescrevendo F+k=γF), ficamos com:

(1γv)v2γFv=0γv3+v2γFv=0(4)

Evidentemente, v=0 é solução dessa equação, implicando em u=1, como já havíamos inspecionado. Alternativamente, considerando v0, podemos dividir (4) por v, ficando com γv2+vγF=0. Resolvendo esta equação quadrática, obtemos duas novas soluções estacionárias para v:

v±=12γ(1±14γ2F)

Disso, pela relação (3), temos que os valores correspondentes para u são:

u=12(114γ2F)

É necessário apontar que, para que as duas últimas soluções (não-triviais) existam — isto é, sejam números reais — o fator dentro da raiz quadrada tem de ser positivo ( 14γ2F0 ). Por consequência:

4γ2F14(F+kF)2F1F4(F+k)2, para que existam as soluções não-triviais.

Portanto, há três soluções estacionárias (ui*,vi*) do sistema:[2]

u0*=1v0*=0u1*=12(1+14γ2F)v1*=12γ(114γ2F)(5)u2*=12(114γ2F)v2*=12γ(1+14γ2F)

Estabilidade dos estados estacionários (sem difusão)

Para avaliar a estabilidade das soluções acima, faz-se necessário obter a matriz Jacobiana dos termos de reação, Ri(u,v). Explicitamente, analisando o sistema (1) de equações, temos que R1(u,v)=uv2+F(1u) e R2(u,v)=uv2(F+k)v. A matriz Jacobiana do sistema é então dada por:

JR(u,v)=[uR1vR1uR2vR2]=[v2F2uvv22uv(F+k)](6)

Analisemos a estabilidade para os três pares (ui*,vi*) de soluções estacionárias:

  • Para (u0*,v0*)=(1,0):
JR(u0*,v0*)=[F00(F+k)](7)
Por essa ser uma matriz diagonal, os autovalores λi são justamente as entradas das diagonais; ou seja, λ1=F e λ2=(F+k). Uma vez que F e k são parâmetros positivos, os dois autovalores são reais e negativos, e portanto o ponto (u0*,v0*) é sempre estável.
  • Para (u1,2*,v1,2*)=(12(1±14γ2F),12γ(114γ2F)), podemos utilizar uma estratégia que simplifica as contas. Em particular, nota-se que os dois pontos obedecem à segunda equação do sistema (2) com v0. Desse modo, se dividirmos tal equação por v, percebemos que ambos os pontos obedecem a:
ui*vi*(F+k)=0(8)
Dessa equação, podemos calcular as entradas da segunda coluna da matriz jacobiana com facilidade:
2ui*vi*=2(F+k)
2ui*vi*(F+k)=(F+k)
Assim, a matriz jacobiana desses pontos fica:
JR(ui*,vi*)=[(vi*)2F2(F+k)(vi*)2(F+k)],i=1,2(9)
Sabemos que o produto dos autovalores dessa matriz é igual ao seu determinante. Calculando-o, obtém-se:
Δi:=det(JR(ui*,vi*))=(F+k)[(vi*)2F](10)
Dividindo por F(F+k):[2]
ΔiF(F+k)=(vi*)2F1=[114(γF)22(γF)]21=[114a22a]21
onde se definiu a=γF (observação: este é o γ definido no Gros[2]). Nota-se que a condição de existência a21/4 para os dois pontos não-triviais é equivalente a F4(F+k)2. Expandindo os termos, é possível mostrar que a expressão acima pode ser reescrita como:
ΔiF(F+k)=14a22a2(14a21)(11)
  • Para o caso i=1 (sinal negativo em (11)), temos a cota superior 14a2<1. Portanto, Δ1<0 para todo a que satisfaça a condição de existência. Como o determinante é negativo, sabemos que os autovalores são reais (comentário: como as entradas da matriz são reais, se os autovalores fossem complexos, seriam também conjugados, de modo que o produto deles fosse igual ao módulo ao quadrado de qualquer um, que seria um valor positivo). Ademais, como seu produto é negativo, eles têm sinais opostos; isto é, um deles é positivo, de modo que o ponto (u1*,v1*) nunca seja estável. Depreendemos desse raciocínio que o determinante da matriz jacobiana de entradas reais ser positivo é uma condição necessária para que haja estabilidade do ponto.
  • Já para i=2 (sinal positivo em (11)), temos sempre que Δ2>0. Para verificar a estabilidade, temos que agora calcular o traço da matriz jacobiana, pois o traço é a soma dos autovalores: se os autovalores são reais, eles têm o mesmo sinal por seu determinante ser positivo, de modo que o traço compartilhe o sinal com os dois autovalores; se os autovalores λi são complexos, eles serão conjugados e o traço será Tr(JR)=2Re(λi), de modo que a parte real dos autovalores tenha o mesmo sinal do traço. Assim, basta que o traço seja negativo para que o ponto seja estável, e que seja positivo para que seja instável.
No caso, temos que Tr(JR(u2*,v2*))=k(v2*)2. Esse traço é negativo quando (v2*)2>k e positivo quando (v2*)2<k; ou seja, (u2*,v2*) é estável quando v2*>k e instável quando v2*<k (lembrando que v2*>0 para todo F e k). Desse modo, pode-se caracterizar uma transição de estabilidade quando v2*=k.
Utilizando simultaneamente as equações (3) e (8), obtemos:[2]
F+kv2*=u2*=1γv2*=1F+kFv2*(F+k)F+(v2*)2F=v2*
Substituindo v2*=k, obteremos ao final:
(F+k)2=Fk(12)

Estabilidade dos estados estacionários (com difusão)

Precisamos agora analisar a estabilidade dos pontos estacionários na presença de difusão, como prescreve o sistema de equações (1), que descreve o modelo. Para isso, é necessário levar em consideração, para cada um dos estados de equilíbrio, os autovalores da matriz (JRDω2)|(ui*,vi*), em que D é a matriz diagonal cujas entradas são Du e Dv:[3]

D=[Du00Dv]

Se escrevermos, genericamente, que JR(ui*,vi*)=[abcd], teremos a seguinte matriz jacobiana de reação-difusão:

(JRDω2)|(ui*,vi*)=[aDuω2bcdDvω2]

Como já detalhado acima, para que o ponto seja estável, tal matriz tem que ter a parte real de todos os seus autovalores negativa, de modo que seu determinante seja positivo (det(JRDω2)>0) e seu traço negativo (Tr(JRDω2)>0).[4] Impondo tais condições à matriz acima, obteremos, após manipulações:[3]

aDvω2+dDuω2DuDvω4<det(JR)(13)Duω2+Dvω2>Tr(JR)(14)

Se o traço é negativo, vemos que a segunda equação é imediatamente satisfeita, pois o lado esquerdo é positivo em qualquer situação.[3]


Aplicando ao modelo de Gray-Scott em (u*,v*)=(1,0):


((Fv22uvv2Fk+2uv)(Du00Dv)ω2)|(u*,v*)=(1,0)=(FDuω200FkDvω2)


Para que o estado de equilíbrio (u*,v*)=(1,0) seja estável é necessário que o determinante da matriz acima seja positivo e o traço seja negativo. Obtém-se então


(F+Duω2)(F+k+Dvω2)>0

2F(Du+Dv)ω2k<0


Ambas desigualdades são imediatamente satisfeitas para quaisquer valores de F,k,Du, e Dv. Portanto, o estado de equilíbrio (u*,v*)=(1,0) permanece estável no modelo de Gray-Scott mesmo após a inclusão dos coeficientes de difusão, sejam quais forem os valores desses coeficientes (lembrando que estamos nos restringindo a valores positivos dos parâmetros e coeficientes).

Esse é um resultado à primeira vista surpreendente. Em geral, o surgimento de padrões complexos e não homogêneos em sistemas reativos-difusivos está relacionado à desestabilização de um ou mais estados de equilíbrio homogêneo causada pela introdução dos coeficientes de difusão (conhecida como instabilidade de Turing)[5].

Entretanto, no caso do modelo de Gray-Scott, o surgimento de padrões complexos e não homogêneos não decorre da instabilidade de Turing, uma vez que o surgimento de padrões não triviais nesse modelo ocorre mesmo quando apenas o estado de equilíbrio trivial (u*,v*)=(1,0) está presente [6].

Implementação

Será usado o método FTCS (Foward Time Central Space) para integrar as equações do modelo. Como existem explicações do método em toda literatura e em outras entradas da Wiki (ver, por exemplo, Modelo de Turing), a explicação aqui será sucinta.

O método consiste em discretizar a derivada parcial em relação ao tempo para frente e discretizar as derivadas parciais de segunda ordem em relação ao espaço centralmente. Para uma função f(x,y,t):


ftf(x,y,t+Δt)f(x,y,t)Δt


2fx2f(x+Δx,y,t)2f(x,y,t)+f(xΔx,y,t)Δx2


2fy2f(x,y+Δy,t)2f(x,y,t)+f(x,yΔy,t)Δy2


A partir das duas últimas equações acima é fácil mostrar que o laplaciano em duas dimensões, como será usado no presente trabalho, pode ser escrito como


2f(x,y,t)f(x+Δx,y,t)2f(x,y,t)+f(xΔx,y,t)Δx2+f(x,y+Δy,t)2f(x,y,t)+f(x,yΔy,t)Δy2


Fazendo Δx=Δy=Δh, pode-se simplificar a discretização do laplaciano para


2f(x,y,t)=f(x+Δh,y,t)+f(xΔh,y,t)+f(x,y+Δh,t)+f(x,yΔh,t)4f(x,y,t)Δh2


Usando a notação f(x±Δh,y±Δh,t±Δt)fi±1,j±1n±1 é possível então escrever as equações do modelo de forma discretizada:


ui,jn+1=ui,jn+[ui,jn(vi,jn)2+F(1ui,jn)+Duui+1,jn+ui1,jn+ui,j+1n+ui,j1n4ui,jnΔh2]Δt

vi,jn+1=vi,jn+[ui,jn(vi,jn)2(F+k)vi,jn+Dvvi+1,jn+vi1,jn+vi,j+1n+vi,j1n4vi,jnΔh2]Δt


Utilizou-se uma rede quadrada de tamanho 69×69. O estado do inicial do sistema é aquele em que todos os pontos estão no estado de equilíbrio estável trivial (u,v)=(1,0), exceto o ponto central, em que é introduzida uma perturbação com (u,v)=(0,1). Foram usadas condições de fronteira conforme a Figura 1.

  • Figura 1 - Grid para exemplificar as condições de fronteira usadas na simulação.
  • Cada elemento na matriz tem quatro vizinhos que são denominados por U (Up), D (Down), L (Left), R (Right). Na Figura 1, o elemento 1, possui os vizinhos U=D=5, R=L=6; o elemento 2 possui como vizinhos U=1, R=L=9 e D=10; o elemento 3 tem vizinhos U=D=7, R=1 e L=8; e, finalmente, os vizinhos de 4 são U=3, D=12, L=11 e R=2.

    Essas condições de fronteira e a condição inicial explicada acima buscam reproduzir as mesmas condições usadas na simulação de Sayama[7].

    Resultados e discussão

    Modelo de Gray-Scott com (Du,Dv)=(2×105,105)
    Alt text
    Concentração de u para (F,k)=(0.015,0.055), de t=0 até t=2000.
    Alt text
    Concentração de u para (F,k)=(0.02,0.05), de t=0 até t=2000.

    Programa

    Simulação do Modelo de Gray-Scott


    Referências

    1. Reaction-Diffusion by the Gray-Scott Model: Pearson's Parametrization
    2. 2,0 2,1 2,2 2,3 Gros, p. 113
    3. 3,0 3,1 3,2 Sayama, pp. 287-289
    4. Sayama, p. 124
    5. Week 13, MCB111: Mathematics in Biology (Fall 2021)
    6. Erro de citação: Marca <ref> inválida; não foi fornecido texto para as refs chamadas Gros
    7. Sayama, p. 268

    Bibliografia

    • C. Gros, "Complex and Adaptive Dynamical Systems". Springer-Verlag, Berlim, 2015.
    • H. Sayama, "Introduction to the Modeling and Analysis of Complex Systems". Open SUNY Textbooks, Geneseo, NY, 2015.