Modelo de Gray-Scott

De Física Computacional
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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. Há reposição de u a uma taxa F (taxa de alimentação, feed rate) e remoção de v a uma taxa ligeiramente mais rápida do que a reposição de u.

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

ut=uv2+F(1u)+Du2u

vt=uv2(F+k)v+Dv2v


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(1)

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

F(1u)(F+k)v=0u=1γv

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

Substituindo u na segunda equação do sistema (1) (e reescrevendo F+k=γF), ficamos com:

(1γv)v2γFv=0γv3+v2γFv=0

Evidentemente, v=0 é solução dessa equação, implicando em u=1, como já havíamos inspecionado. Alternativamente, considerando v0, podemos dividir a expressão acima 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 u=1γv, 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 do sistema:

u=1v=0u=12(1+14γ2F)v=12γ(114γ2F)u=12(114γ2F)v=12γ(1+14γ2F)



Logo, é trivial que o sistema acima é satisfeito quando (u*,v*)=(1,0). Esse estado de equilíbrio é estável porque a matriz jacobiana J|(u*,v*)=(1,0)=(F00Fk) possui traço negativo e determinante positivo[1].



Se agora incluímos os termos de difusão Du e Dv, deve-se levar em consideração a matriz (JDω2)|f=feq. Aqui, J é a matriz jacobiana dos termos de reação, D é a matriz diagonal dos termos de difusão e ω é o parâmetro que determina a frequência espacial das perturbações. A demonstração da validade desse método pode ser encontrada na referência[1]. 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)[2].

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 [3].


Estados de Equilíbrio Não Triviais

Há outros dois estados de equilíbrio que são soluções não triviais do sistema de equações (1). Desde que seja obedecida a condição F4(F+k)2, esses estados são (u+,v) e (u,v+), com[3]


u±=12(1±14γ2F)

v=12γ2(114γ2F)

γ=F+kF

Referências

  1. 1,0 1,1 H. Sayama, "Introduction to the Modeling and Analysis of Complex Systems". Open SUNY Textbooks, Geneseo, NY, 2015.
  2. http://mcb111.org/w13/w13-lecture.html#the-gray-scott-model
  3. 3,0 3,1 C. Gros, "Complex and Adaptive Dynamical Systems". Springer-Verlag, Berlim, 2015.