Modelo de Turing

De Física Computacional
Revisão de 17h17min de 22 de novembro de 2020 por Pedhmendes (discussão | contribs)
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EM CONSTRUÇÃO

Equação de Turing

Simulações computacionais que envolvem equações diferenciais parciais (EDP's) são usualmente modeladas através da discretização das variáveis espaciais e temporais. Algumas dessas equações descrevem comportamentos difusivos no sistema, sendo chamadas de equações de difusão. Tais equações envolvem variáveis de estado que apresentam variações temporal e espacial e coeficientes de difusão no sistema, além de outros parâmetros que influenciam na evolução dos estados. Dentro desse ramo de equações, encontra-se o Modelo de Turing, desenvolvido por Alan Turing, que utiliza como base a concentração de espécies em um sistema, avaliando sua reação, difusão e variação espacial e temporal. São muitas as aplicações do modelo, principalmente em ramos como biologia e química, envolvendo problemas com formação de padrões[1]. A seguir, descrevemos sua formulação matemática.

Sejam u e v as concentrações das espécies que serão analisadas. Sejam a,b,c e d parâmetros e h e k constantes. Os coeficientes de difusão são Du e Dv, cada um associado a uma das concentrações[2]. O Modelo de Turing é dado pelas EDP's


ut=a(uh)+b(vk)+Du2u

vt=c(uh)+d(vk)+Dv2v


Note que certa parte de cada equação depende apenas dos parâmetros e das concentrações. Podemos, portanto, utilizar funções de variáveis u e v para descrever o sistema[3], de modo que


ut=Du2u+f(u,v)

vt=Dv2v+g(u,v)

Estabilidade e Instabilidade no Modelo de Turing

Pontos de Equilíbrio

Vimos que o modelo de Turing depende de parâmetros a,b,c,d, de constantes h e k e dos coeficientes de difusão.

Afirmação: Se Du=Dv=0, temos (veq,ueq)=(h,k) como o único ponto de equilíbrio.

Demonstração: Mostraremos que (h,k) é ponto de equilíbrio. De fato, ao aplicarmos esse ponto na equação do modelo de Turing, temos


ut|u=k=0=vt|v=h


para mostrar que é único, suponha que existem dois pontos de equilíbrio, a saber, (v1,u1) e (v2,u2). Vemos que, como as equações diferenciais em cada ponto fixo são iguais a zero, temos


a(u1u2)+b(v1v2)=0


c(u1u2)+d(v1v2)=0


Consequentemente, devemos ter


(badc)(v1v2)=0v1=v2.


Do mesmo modo, u1=u2. Portanto, o ponto de equilíbrio é único nessas circunstâncias.

Estabilidade de Sistemas Reativos-Difusivos

Para estudarmos a estabilidade dos sistemas reativos-difusivos precisamos encontrar os autovalores da matriz[2]


(JDω2)|f=feq


Onde 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.

Implementação

Para resolver numericamente as equações de Turing iremos utilizar o método FTCS (Forward Time Central Space). O método FTCS é o mais simples e consiste em discretizar a derivada em t de forma não simetrizada. Obtemos as seguintes discretizações para uma função genérica f(r,t)


ft=f(r,t+dt)f(r,t)dt


2fr2=f(r+dr,t)2f(r,t)+f(rdr,t)dr2


Onde r é o vetor posição, que neste trabalho utilizamos apenas duas dimensões, r=(x,y).

Podemos discretizar as equações de Turing diretamente com o método FTCS. Talvez o único problema seja o laplaciano, porém basta escrever da forma


2f(r,t)=2fx2+2fy2


Assim podemos utilizar a discretização simetrizada e obter


2f(r,t)=f(x+dx,t)2f(r,t)+f(xdx,t)dx2+f(y+dy,t)2f(r,t)+f(ydy,t)dy2


Ao tomarmos dx=dy=dh, que faremos aqui, podemos simplificar a discretização do laplaciano para


2f(r,t)=f(x+dh,t)+f(xdh,t)+f(y+dh,t)+f(ydh,t)4f(r,t)dh2

Então obtemos que as equações de Turing discretizadas pelo método FTCS, em notação discreta, são dadas por


ui,jn+1=ui,jn+[a(ui,jnh)+b(vi,jnk)+Duui+1,jn+ui1,jn+ui,j+1n+ui,j1n4ui,jndh2]dt

vi,jn+1=vi,jn+[c(ui,jnh)+d(vi,jnk)+Dvvi+1,jn+vi1,jn+vi,j+1n+vi,j1n4vi,jndh2]dt


Onde i e j são os índices espaciais e n é o índice temporal.

Utilizamos uma rede quadrada de tamanho L×L com condições de contorno periódicas. O sistema inicia próximo do equilibrio (u,v)=(h,k) e então é aplicado um pequeno ruído para começar a difusão. O ruído é muito importante, sem ele o sistema ficaria sempre no equilíbrio. O ruído também deve ser pequeno suficiente para quebrar o estado inicial, mas não grande suficiente para causar instabilidades numéricas na simulação. O ruído utilizado aqui consiste em números aleatórios no intervalo [0,003:0,003]. Tomamos dh=1/L.

Resultados

Programas Utilizados

Referências

  1. https://en.wikipedia.org/wiki/Turing_pattern
  2. 2,0 2,1 H. Sayama, "Introduction to the Modeling and Analysis of Complex Systems", p. 260. Open SUNY Textbooks, Geneseo, NY, 2015. Erro de citação: Etiqueta inválida <ref>; Nome "Sayama260" definido várias vezes com conteúdo diferente
  3. J. Jost, "Partial Differential Equations", 3ed, p.140. Springer Science+Business Media, New York, 2013.