Keller-Segel模型的爆炸解问题的新数值方法

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11326223
  • 项目类别:
    数学天元基金项目
  • 资助金额:
    3.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A0504.微分方程数值解
  • 结题年份:
    2014
  • 批准年份:
    2013
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2014-01-01 至2014-12-31

项目摘要

The Keller-Segel system is a chemotaxis model proposed in 1970 to describe aggregation of slime molds in microbiology. It is in the form of a two-dimensional system of nonlinear partial differential equations. That is, a convection-diffusion equation for the cell density coupled with a reaction-diffusion equation for the chemoattractant concentration. It is well-known that solutions of the Keller-Segel system may blow up in.finite time or may exhibit a very singular, spiky behavior in addition to travelling wave solutions. In either case, capturing such singular.solutions numerically is a challenging problem although a lot of progress has been made in its qualitative study. Since almost all the theoretical results are obtained by using special structures of its simplest form, the necessity drives us to develop numerical methods for the general form of the Keller-Segel system to meet the requirements of practical engineering. In this project, we will propose and develop a new compact finite difference method with higher order accuracy to the Keller-Segel system. Compact finite difference methods have recently attracted much attention for many nonlinear ordinary and partial differential equations because they can achieve higher order accuracy. The new compact finite difference method that we propose will preserve the positivity property of solutions and total mass conservative law of the system, and will give approximate solutions of third order or higher order accuracy with respect to spatial variables. By taking a semi-discretization to spatial variables, we get a system of nonlinear ordinary differential equations with respect to the temporal variable. Then by using the implicit Runge-Kutta method, we will derive a formula to determine stepwise mesh size so that the approximate solution of the fully discretized system shows the same behavior of the exact solution around the blowup time. Since solutions are singular, the standard Lax-Milgram approach cannot be applied. In this project, we also establish a new numerical analysis approach to get error estimate and super-convergence analysis and so on. Our new method provides a useful tool to take qualitative analysis and has a wide application in the computational fields of many scientific fields such as biology, physics and engineering.
Keller-Segel系统是Keller和Segel在1970年研究微生物学中生物对化学物质的应激性时提出的趋化性数理模型。它是非线性偏微分方程的二元联立方程组,具有聚集解、爆炸解、行波解等丰富的数学结构。相比较于定性理论分析方面的许多研究成果,其数值方法的提案和数值分析的研究还非常少。本项目将开发新型compact finite difference数值方法,既保持Keller-Segel系统的正解性和质量守恒性,同时又实现空间变量的3阶以上的高精度。对时间变量,本项目通过导出非均匀时间剖分的步长公式使得新的数值方法能有效地处理Keller-Segel系统的爆炸解问题。本项目将对开发的新数值方法建立其误差估计、超收敛分析等的数值分析理论。新的数值方法将为Keller-Segel系统的定性分析和定量分析提供强有力的研究工具,在数理生物学、理论物理学和工程应用中获得广泛的应用。

结项摘要

本项目针对Keller-Segel系统数理模型的解具有爆炸解这类数学结构特点,本项目首先研究具有奇异性质的椭圆型偏微分方程的边界值问题,引入多项式和指数伸缩函数,采用网格加密思想分割空间网格,在此网格分割基础上,建立数值方法,并给出相应的严密收敛数值分析。同时在本项目研究期间,课题组对生物学中与Keller-Segel系统相关的,描述捕食现象的Rosenzweig-MacArthur 模型也进行了相关研究。本项目研究分析环境参数对模型的影响、随时间变化的承载能力的影响、狩猎的影响、周期性的狩猎的影响等方面。通过引入衰减函数 ,并探讨了当环境质量的改变时,种群密度是如何变化的。并通过数值仿真得到了Hopf分岔图。

项目成果

期刊论文数量(1)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Effect of environment on prey-predator systems with numerical simulation
环境对捕食者系统的影响的数值模拟
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    Communications in Computer and Information Science
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Fang; Qing;Zhang; Xiao-Yu
  • 通讯作者:
    Xiao-Yu

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其他文献

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    2016-03-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    --
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  • 通讯作者:
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    --
  • 发表时间:
    --
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吕婷;张晓宇;陈志;苏旭
  • 通讯作者:
    苏旭

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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