摘要: 研究周期邊界條件下的非局部Gray-Scott模型,提出一種高效數(shù)值格式?;谒阕臃至阉枷雽⒃瓎栴}拆分為線性非局部子問題和非線性子問題。對于線性非局部子問題,結(jié)合復(fù)化梯形公式和Crank-Nicolson公式,建立時(shí)空二階差分格式;對于非線性子問題,結(jié)合Crank-Nicolson公式及Rubin-Graves線性化技術(shù),建立線性求解格式。結(jié)果表明:非局部Gray-Scott模型的二階線性化差分格式具有穩(wěn)定性、收斂性及有效性。
關(guān)鍵詞:
非局部Gray-Scott模型; 算子分裂; 穩(wěn)定性; 有效性
中圖分類號(hào): O 241.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A"" 文章編號(hào): 1000 5013(2024)04 0524 10
Second-Order Linearized Difference Scheme for Nonlocal Gray-Scott Model
CHEN Xinyan, ZHANG Xinxin, CAI Yaoxiong
(School of Mathematical Sciences, Huaqiao University, Quanzhou 362021, China)
Abstract: An efficient numerical scheme is proposed by studying the nonlocal Gray-Scott model under periodic boundary conditions. Based on the idea of operator splitting, the original problem is divided into a linear nonlocal subproblem and a nonlinear subproblem. To linear nonlocal subproblem, a spatiotemporal second-order difference scheme is established by combining the complex trapezoidal formula and Crank Nicholson formula. To nonlinear subproblem, a linear solution format is established by combining Crank Nicholson formula and Rubin Graves linearization technique. The results show that the second-order linearized difference scheme of the nonlocal Gray-Scott model is stable, convergent and efficient.
Keywords: nonlocal Gray-Scott model; operator splitting; stability; effectiveness
Gray-Scott(GS)模型是反應(yīng)-擴(kuò)散系統(tǒng)的重要組成部分,反應(yīng)-擴(kuò)散系統(tǒng)在自然界和工業(yè)生產(chǎn)中廣泛存在,如化學(xué)反應(yīng)的燃燒、生物體內(nèi)的代謝過程、氣體和液體中的化學(xué)反應(yīng)等都屬于反應(yīng)擴(kuò)散系統(tǒng)。 GS模型是Gray和Scott[1]于1984年提出,用來描述反映器中濃度時(shí)空變化的耦合模型。由于該模型可以描述斑點(diǎn)、條紋等有趣的時(shí)空結(jié)構(gòu),被廣泛應(yīng)用于化學(xué)[2-5]、生物[6-9]等領(lǐng)域。整數(shù)階GS模型為
ut=μuΔu-uv2+F(1-u),vt=μvΔv+uv2-(F+κ)v。(1)
式(1)中:u,v為濃度;μugt;0,μvgt;0為擴(kuò)散速率;F≥0為進(jìn)料速率;κ≥0為第2次反應(yīng)的衰減速率。
然而,隨著對含奇性問題的深入研究,人們發(fā)現(xiàn)非局部擴(kuò)散系統(tǒng)比局部擴(kuò)散系統(tǒng)可以更準(zhǔn)確地描述
收稿日期: 2023 07 22
通信作者: 蔡耀雄(1979-),男,講師,主要從事偏微分方程數(shù)值解及理論的研究。E-mail:cai_yx@126.com。
基金項(xiàng)目: 國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11701196); 福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2020J01074, 2021J01306)
https://hdxb.hqu.edu.cn/
生物演化狀態(tài)。非局部算子避免對變量進(jìn)行空間求導(dǎo),降低了解的正則性要求,從而可以方便地用于模擬非連續(xù)的物理現(xiàn)象。
非局部GS模型為
ut=-μuLδu-uv2+F(1-u)," (x,t)∈Ω×(0,T],vt=-μvLδv+uv2-(F+κ)v," (x,t)∈Ω×(0,T]。(2)
初值條件和邊界條件為
u(x,0)=u0(x)," v(x,0)=v0(x)," x∈Ω。
式(2)中:Ω=[-L,L] 為有界區(qū)域;Lδ為非局部算子,定義[10]為
Lδu(x)=∫ΩJδ(x-y)[u(x)-u(y)]dy,x∈Ω。
其中卷積核Jδ滿足:1) Jδ(x)≥0,x∈Ω;2) Jδ(x-y)=Jδ(y-x);3) Jδ是以Ω為周期的周期函數(shù)。
由于GS模型為非線性耦合方程組,在數(shù)值求解和理論研究中存在一定困難,許多學(xué)者致力于這一方面的研究。Pearson[11]對模型進(jìn)行一系列數(shù)值模擬后,發(fā)現(xiàn)其非常數(shù)正解存在極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。McGough等[12]證實(shí)了以上結(jié)論,并且給出所有非負(fù)常數(shù)解的穩(wěn)定性和相應(yīng)的先驗(yàn)估計(jì)。Zhang等[13]利用向后差分法和時(shí)間上的線性外推法,建立GS模型的二階格式,并對其進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬。Peng等[14]對GS模型在有界域上的平衡點(diǎn)問題進(jìn)行研究,得到了關(guān)于非常數(shù)正平衡點(diǎn)不存在性的若干結(jié)論。在擴(kuò)散率ε的極限下,Chen等[15]利用混合漸近算法,對二維GS模型多點(diǎn)擬平衡模式的動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)定性機(jī)制進(jìn)行了深入研究。Wang等[16]給出了空間延拓GS模型的噪聲控制模式的時(shí)間演化。
然而,相比于經(jīng)典GS模型,非局部GS模型的研究結(jié)果較少。已有的非局部GS模型的數(shù)值解研究主要是以分?jǐn)?shù)階拉普拉斯算子[17-19]為基礎(chǔ),因此,本文利用正定卷積算子對其進(jìn)行研究。
1 數(shù)值格式
考慮在一維區(qū)域Ω=[-L,L]上的全離散格式。為了方便進(jìn)行離散,引入時(shí)間步長τ=T/M和空間網(wǎng)格Ωh={xi=-L+ih,0≤i≤N-1}。其中:空間剖分為N,空間步長h=2L/N。給定正整數(shù)M,時(shí)間節(jié)點(diǎn)為tm=mτ,m=0,1,…,M。在Ωh上定義的所有周期網(wǎng)格函數(shù)由Mh表示,即Mh={U|U={ui|0≤i≤N-1}}。umi和u(xi,tm)分別代表數(shù)值解和精確解。
1.1 非局部算子的離散格式
對任意函數(shù)u,給定非局部算子Lδ,定義為
Lδu=(Jδ1)u-Jδu。
因此,Lδu在點(diǎn)(xi,tm)(0≤i≤N,0≤m≤M)處可表示為
(Lδu)mi=(Jδ1)iumi-(Jδu)mi。(3)
式(3)中:(Jδ1)i=∫L-LJδ(xi-y)dy;(Jδu)i=∫L-LJδ(xi-y)u(y)dy。
則Jδu結(jié)合復(fù)化梯形公式,可得(Jδu)i的離散形式為
(Jδu)i=∫L-LJδ(xi-y)u(y)dy=
∫y1y0Jδ(xi-y)u(y)dy+∫y2y1Jδ(xi-y)u(y)dy+…+∫yNyN-1Jδ(xi-y)u(y)dy=
h2[Jδ(xi-y0)u0+Jδ(xi-y1)u1]+h2[Jδ(xi-y1)u1+Jδ(xi-y2)u2]+…+h2[Jδ(xi-yN-1)uN-1+Jδ(xi-yN)uN]+O(h2)=
h2Jδ(xi-y0)u0+h∑N-1j=1Jδ(xi-yj)uj+h2Jδ(xi-yN)uN+O(h2)。(4)
同理可得
(Jδ1)iumi=h2Jδ(xi-y0)+h∑N-1j=1Jδ(xi-yj)+h2Jδ(xi-yN)umi+O(h2)。(5)
因此,結(jié)合式(4)和式(5),在周期邊界條件下對任意的N階列向量U=(u0,u1,…,uN-2,uN-1)T,有全離散形式如下
LhδU=-h1+12Jδ(Nh)Jδ(h)Jδ(2h)…Jδ((N-1)h)12Jδ(Nh)+12Jδ((N-1)h)2Jδ(h)…Jδ((N-2)h)12Jδ(Nh)+12Jδ((N-2)h)Jδ(h)3…Jδ((N-3)h)12Jδ((N-1)h)+12Jδ(h)Jδ((N-2)h)Jδ((N-3)h)…N·
(u0,u1,…,uN-2,uN-1)T=AU。(6)
式(6)中:i值為所在行其余值和的相反數(shù),如
1=-(Jδ(h)+Jδ(2h)+…+Jδ((N-1)h)+12Jδ(Nh))。
注1 由文獻(xiàn)[20]可知,非局部離散算子Lhδ是半正定和自伴的。
1.2 算子分裂法求解非局部GS方程
算子分裂方法的思想是將一個(gè)較為復(fù)雜的問題分解為幾個(gè)簡單的子問題進(jìn)行處理。采用二階對稱的Strang分裂方法[21]求解非局部GS模型。首先,將原始問題分解為線性非局部子問題
ut=-μuLδu-Fu,vt=-μvLδv-(F+κ)v,(7)
和非線性子問題
ut=-uv2+F,vt=uv2。(8)
記SA和SB分別為上述線性非局部子問題和非線性子問題的解算子。
基于二階Strang算子分裂方法,給定時(shí)間步長τ,非局部GS模型可通過以下方式近似求解,即
θ(x,t+τ)≈SAτ2SB(τ)SAτ2θ(x,t)。(9)
式(9)中:θ=(u,v)T。
1.2.1 非局部線性系統(tǒng)的數(shù)值逼近SA→Sτ,hA 結(jié)合式(6)和C-N格式,可得線性子問題(7)的全離散格式為
um+1i-umiτ=-μuLhδuim+12-Fuim+12,vm+1i-vmiτ=-μvLhδvim+12-(F+κ)vim+12。
令LhδUm=AUm,LhδVm=AVm。其中,Um與Vm分別定義為
Um={umi0≤i≤N-1}∈Mh,
Vm={vmi0≤i≤N-1}∈Mh。
因此,有
Um+1-Umτ=-12μu(AUm+1+AUm)-12F(Um+1+Um),Vm+1-Vmτ=-12μv(AVm+1+AVm)-12(F+κ)(Vm+1+Vm)。
通過分離變量法,可得(Um+1,Vm+1)T為
Um+1=I+τ2μuA+τ2FI-1I-τ2μuA-τ2FIUm,Vm+1=I+τ2μvA+τ2(F+κ)I-1I-τ2μvA-τ2(F+κ)IVm。 (10)
引理1 對于任意網(wǎng)格函數(shù)ψ={(ui,vi)T0≤i≤N-1},有
‖Sτ,hAψ‖≤‖ψ‖。
其中:‖ψ‖2=h2∑0≤i≤N-1(u2i+v2i)。
證明:根據(jù)式(1)和注1可知,μu,μv,F(xiàn)和κ均為正數(shù),Lhδ為半正定算子,因此
I+τ2μuA+τ2FI-1I-τ2μuI-τ2FI2≤1,
且
I+τ2μvA+τ2(F+κ)I-1I-τ2μvA-τ2(F+κ)I2≤1。
上式中:‖·‖2為譜范數(shù)。使用Parseval公式,可得‖Um+1‖≤‖Um‖,‖Vm+1‖≤‖Vm‖,即證。
1.2.2 非線性系統(tǒng)的數(shù)值逼近SB→Sτ,hB 討論非線性子問題式(8),針對第1個(gè)式子,基于C-N格式可建立表達(dá)式為
um+1i-umiτ=-(uiv2i)m+1+(uiv2i)m2+F。
采用R-G線性化[22]方法,定義
(uv2)m+1=um+1(vm)2+2umvmvm+1-2umvmvm。
同理,對式(8)的第2個(gè)公式也做如上處理,可得非線性子問題的全離散格式如下
um+1i-umiτ=-12(vmi)2um+1i+12(vmi)2umi-umivmivm+1i+F,vm+1i-vmiτ=-12(vmi)2umi+12(vmi)2um+1i+umivmivm+1i。(11)
通過分離變量方法,將模型進(jìn)一步化簡為
1+(vmi)22τum+1i+τumivmivm+1i=umi+umi(vmi)22τ+Fτ,-(vmi)22τum+1i+(1-τumivmi)vm+1i=vmi-umi(vmi)22τ。
可得矩陣形式為
1+(vmi)22ττumivmi-(vmi)22τ1-τumivmium+1ivm+1i=1+(vmi)22τ001-umivmi2τumivmi+Fτ0。(12)
采用“凍結(jié)系數(shù)”方法[23]研究格式(11)的穩(wěn)定性,凍結(jié)(vm)2和umvm兩項(xiàng),并將其定義為常數(shù),即
θ1:=max0≤m≤Mmax0≤i≤N-1(vmi)2,
θ2:=max0≤m≤M max0≤i≤N-1{umi,vmi}。
那么,式(12)可以表示為
PKm+1i=QKmi+R。(13)
式(13)中:
Kmi=umivmi," P=1+τ2θ1τθ2-τ2θ11-τθ2," Q=1+τ2θ1001-τ2θ2," R=Fτ0。
當(dāng)1-τθ2+τ2θ1≠0時(shí),矩陣P可逆,則
P-1Q=11-τθ2+τ2θ11+τ2θ1-τθ2-τ22θ1θ2-τθ21-τ2θ2τ2θ11+τ2θ11-τ2θ2+τ2θ1-τ24θ1θ2。
令
g11=1+τ2θ1-τθ2-τ22θ1θ2," g12=-τθ21-τ2θ2,g21=τ2θ11+τ2θ1," g22=1-τ2θ2+τ2θ1-τ24θ1θ2,可得
(P-1Q)T(P-1Q)=11-τθ2+τ2θ12g211+g221g11g12+g21g22g11g12+g21g22g122+g222。
假設(shè)
τ≤1θ1-2θ2,(14)
則存在常數(shù)C1,使得
g211+g221+g11g12+g21g221-τθ2+τ2θ12≤g211+g221+g11g12+g21g221-τθ2+τ2θ12=
1-τ22θ1θ21+τθ12-θ22+τ24θ211+τ2θ121+τθ12-θ22+
τθ21-τ2θ21+τθ12-θ2·1-τ2θ1θ21+τθ12-θ2+τ2θ11+τ2θ11+τθ12-θ2·1+τ2θ21-τ2θ11+τθ12-θ2≤1+C1τ
和
g11g12+g21g22+g212+g2221-τθ2+τ2θ12≤g11g12+g21g22+g212+g2221-τθ2+τ2θ12=
τθ21-τ2θ21+τθ12-θ2·1-τ2θ1θ21+τθ12-θ2+τ2θ11+τ2θ11+τθ12-θ2·1+τ2θ21-τ2θ11+τθ12-θ2+
τ2θ221-τ2θ221+τθ12-θ22+1+τ2θ21-τ2θ11+τθ12-θ22≤1+C1τ。
結(jié)合上述不等式,有
‖P-1Q‖22≤‖(P-1Q)T(P-1Q)‖∞≤1+C1τ。(15)
式(15)中:‖P‖∞是P的∞-范數(shù)。
結(jié)合式(13)和式(15),有引理2。
引理2 在式(14)條件下,對于任意網(wǎng)格函數(shù)ψ={(ui,vi)T0≤i≤N-1},有
‖Sτ,hBψ‖≤1+C1τ‖ψ‖。
因此,對于問題(2),結(jié)合式(9)~(11),可得二階算子分裂格式為
U*=I+τ4μuA+τ4FI-1I-τ4μuA-τ4FIUm,V*=I+τ4μvA+τ4(F+κ)I-1I-τ4μvA-τ4(F+κ)IVm,U**-U*τ=-12(V*)2U**+12(V*)2U*-U*V*V**+F*,V**-V*τ=12(V*)2U**-12(V*)2U*+U*V*V**,Um+1=I+τ4μuA+τ4FI-1I-τ4μuA-τ4FIU**,Vm+1=I+τ4μvA+τ4(F+κ)I-1I-τ4μvA-τ4(F+κ)IV**。 (16)
式(16)中:F*=F(1,…,1)T,(U*,V*)和(U**,V**)是中間變量。
根據(jù)式(9),算法(16)還可以表示為Φm+1=Sτ2,hASτ,hBSτ2,hAΦm。
其中:Φm=(Um,Vm)T為時(shí)間tm的數(shù)值解,Sτ2,hA和Sτ,hB分別為節(jié)1.2.1和節(jié)1.2.2給出的SA和SB的數(shù)值近似。
注2 在條件(14)下,很容易驗(yàn)證矩陣P的行列式滿足P=1-τθ2+τ2θ1∈12,32,因此,P為可逆矩陣。
2 穩(wěn)定性和收斂性理論分析
定義映射Ih:L2per(Ω)→Mh,其中,L2per(Ω)={uu∈L2(Ω),u是Ω周期的}。
2.1 穩(wěn)定性分析
定理1 在條件(14)下,關(guān)于問題(2)的二階算子分裂格式(16)是穩(wěn)定的,有
‖Φm+1‖≤eC1T2‖Φ0‖。(17)
證明:由引理1和引理2,有
‖Φm+1‖=‖Sτ2,hASτ,hBSτ2,hAΦm‖≤‖Sτ,hBSτ2,hAΦm‖≤1+C1τ‖Sτ2,hAΦm‖≤1+C1τ‖Φm‖≤eC1T2‖Φ0‖。
定理證畢。
2.2 收斂性分析
假設(shè)非局部GS模型(2)在周期邊界條件下的解u(x,t)和v(x,t)滿足正則性假設(shè)
u(x,t)∈H3(0,T;Hsper(Ω))," v(x,t)∈H3(0,T;Hsper(Ω)), ""sgt;1。(18)
為了證明收斂性,需要引理3。
引理3 對于任意函數(shù)u,v∈H3(0,T;H2per(Ω)),有
‖IhSA(τ)θ-Sτ,hAIhθ‖≤C2τ(τ2+h2)。
其中:θ=(u,v)T,C2是與τ和h無關(guān)的正常數(shù)。
證明:由于式(10)是基于時(shí)間上的二階C-N格式和空間上的二階梯形公式得到的,因此,可得引理3的結(jié)論。
引理4 對于任意函數(shù)u,v∈H3(0,T;L2(Ω)),有
‖IhSB(τ)θ-Sτ,hBIhθ‖≤C3τ3。
其中:C3是與τ和h無關(guān)的正常數(shù)。
證明:由于式(11)是基于時(shí)間上的二階C-N格式與二階R-G線性化得到的,因此可得引理4。
定義θ⌒(x,t)=(u⌒(x,t),v⌒(x,t))T為方案(9)的精確解。
因此,可以得到收斂性結(jié)論如下。
定理2 設(shè)um=(u(tm),v(tm))T和Φm=(Um,Vm)T分別是問題(2)和算法(16)在tm處的解。在式(14)與式(18)給出的正則性條件下,有
‖Φm+1-Ihum+1‖≤C(τ2+h2)。
證明:對于m≥0,有
‖Φm+1-Ihum+1‖≤‖Φm+1-Ihθ⌒m+1‖+‖Ihθ⌒m+1-Ihum+1‖。(19)
由文獻(xiàn)[10],可得
‖Ihθ⌒m+1-Ihum+1‖≤C4τ2。(20)
式(20)中:C4gt;0為常數(shù)。
根據(jù)引理1和引理3,式(19)右邊的第1項(xiàng)滿足
‖Φm+1-Ihθ⌒m+1‖=
‖Sτ2,hASτ,hBSτ2,hAΦm-IhSAτ2SB(τ)SAτ2θ⌒m‖≤
‖Sτ2,hASτ,hBSτ2,hAΦm-Sτ2,hAIhSB(τ)SAτ2θ⌒m‖+‖Sτ2,hAIhSB(τ)SAτ2θ⌒m-
IhSAτ2SB(τ)SAτ2θ⌒m‖≤‖Sτ,hBSτ2,hAΦm-IhSB(τ)SAτ2θ⌒m‖+C2τ(τ2+h2)。(21)
根據(jù)引理2和引理4,可得
‖Sτ,hBSτ2,hAΦm-IhSB(τ)SAτ2θ⌒m‖≤‖Sτ,hBSτ2,hAΦm-Sτ,hBIhSAτ2θ⌒m‖+‖Sτ,hBIhSAτ2θ⌒m-IhSB(τ)SAτ2θ⌒m‖≤1+C1τ‖Sτ2,hAΦm-IhSA(τ2)θ⌒m‖+C3τ3。(22)
再次使用引理1和引理3,可得
‖Sτ2,hAΦm-IhSAτ2θ⌒m‖≤‖Sτ2,hAΦm-Sτ2,hAIhθ⌒m‖+‖Sτ2,hAIhθ⌒m-IhSAτ2θ⌒m‖≤‖Φm-Ihθ⌒m‖+C2τ(τ2+h2)。(23)
結(jié)合式(21)~(23),可得
‖Φm+1-Ihθ⌒m+1‖≤1+C1τ‖Φm-Ihθ⌒m‖+(1+C1τ+1)C2τ(τ2+h2)+C3τ3。(24)
又‖Φ0-Ihθ⌒0‖=0,因此,通過Gronwall不等式,可得
‖Φm+1-Ihθ⌒m+1‖≤C(τ2+h2)。(25)
合并式(19),(20),(25),有
‖Φm+1-Ihum+1‖≤C(τ2+h2)。
即證。
3 數(shù)值實(shí)驗(yàn)
通過數(shù)值實(shí)驗(yàn),證明該方法的準(zhǔn)確性和數(shù)值效果,考慮Ω=[-1,1],高斯核Jδ(x)形式為
Jδ(x)=4π1/2δ3e-x2δ2," δgt;0。
3.1 收斂性測試
為了檢驗(yàn)所構(gòu)造的數(shù)值格式(16)的準(zhǔn)確性,選擇初始條件
u0(x)=2cos(4πx),v0(x)=0.1cos(2.5πx)。
考慮x∈[-1,1],μu=0.1,μv=0.1,F(xiàn)=1和κ=1的情況,分別計(jì)算數(shù)值解uMi的最大誤差E∞和L2誤差E2,定義為
U-E∞(h,τ)=max0≤i≤N-1uMi(τ,h)-u2Miτ2,h," h足夠小,max0≤i≤N-1uMi(τ,h)-uM2iτ,h2," τ足夠小,
和
U-E2(h,τ)=h∑N-1i=0(uMi(τ,h)-u2Miτ2,h)2," h足夠小,h∑N-1i=0(uMiM(τ,h)-uM2iτ,h2)2," τ足夠小,
其中:{uMi(τ,h)|0≤i≤N-1}表示u(x,T)在時(shí)間步長τ=T/M和空間步長h=2/N時(shí)的近似解。類似地,可以定義V-E∞(h,τ)和V-E2(h,τ)。
考察空間收斂階,固定時(shí)間剖分M=3 000,T=1,δ分別取0.5和1.0,計(jì)算結(jié)果,如表1,2所示。表1,2中:Rate為收斂階。由表1,2可知:隨著網(wǎng)格的加密,U和V的最大誤差E∞和L2誤差E2逐漸減小,空間接近二階精度,與理論分析一致。
考慮時(shí)間收斂階,固定空間剖分N=1 000,T=1,δ分別取0.5和1.0,計(jì)算結(jié)果,如表3,4所示。由表3,4可知:隨著時(shí)間剖分次數(shù)的增加,U和V的最大誤差和L2誤差逐漸減小,時(shí)間接近二階精度,與理論分析一致。
3.2 數(shù)值模擬
考察非局部算子對GS模型動(dòng)力學(xué)的影響,選擇初始條件為
u0(x)=2cos(4πx),v0(x)=0.1cos(2.5πx)。
考慮x∈[-1,1],μu=0.1,μv=0.1,F(xiàn)=1,κ=1,N=100,T=5,M=3 000時(shí),不同δ對數(shù)值解的影響,如圖1所示。由圖1可知:GS模型的動(dòng)力學(xué)行為與δ大小有關(guān),隨著δ的增大,U和V達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間越長。
4 結(jié)束語
提出求解非局部Gray-Scott模型快速有效的算子分裂方法,并對其進(jìn)行嚴(yán)格的理論分析,得到時(shí)空均具有二階精度的數(shù)值方法。數(shù)值結(jié)果表明,該方法具有良好的穩(wěn)定性和有效性。
參考文獻(xiàn):
[1] GRAY P,SCOTT S K.Autocatalytic reactions in the CSTR: Oscillations and instabilities in the system A+2B→3B; B→C[J].Chemical Engineering Science,1984,39:1087-1097.DOI:10.1016/0009-2509(84)87017-7.
[2] TAKAISHI T,MIMURA M,NISHIURA Y.Pattern formation in coupled reaction-diffusion systems[J].Japan Journal of Industrial and Applied Mathematics,1995,12:385-424.DOI:10.1007/BF03167236.
[3] CALLAHAN T K,KNOBLOCH E.Pattern formation in three-dimensional reaction-diffusion systems[J].Physica D:Nonlinear Phenomena,1999,132(3):339-362.DOI:10.1016/S0167-2789(99)00041-X.
[4] HALE J K,PELETIER L A,TROY W C.Exact homoclinic and heteroclinic solutions of the Gray-Scott model for autocatalysis[J].SIAM Journal on Applied Mathematics,2000,61(1):102-130.DOI:10.1137/s0036139998334913.
[5] MURATOV C B,OSIPOV V V.Static spike autosolitons in the Gray-Scott model[J].Journal of Physics A:Mathematical and General,2000,33(48):8893-8916.DOI:10.1088/0305-4470/33/48/321.
[6] PENG Rui,WANG Mingxin.Positive steady-state solutions of the Noyes-Field model for Belousov-Zhabotinskii reaction[J].Nonlinear Analysis:Theory,Methods and Applications,2004,56(3):451-464.DOI:10.1016/j.na.2003.09.020.
[7] LOU Yuan,MARTNEZ S,NI Weiming.On 3*3 Lotka-Volterra competition systems with cross-diffusion[J].Discrete and Continuous Dynamical Systems,1999,6(1):175-190.DOI:10.3934/dcds.2000.6.175.
[8] PANG P Y H,WANG Mingxin.Qualitative analysis of a ratio-dependent predator-prey system with diffusion[J].Proceedings of the Royal Society of Edinburgh Section A:Mathematics,2003,133(4):919-942.DOI:10.1017/s0308210500002742.
[9] CHEN Wenyan,PENG Rui.Stationary patterns created by cross-diffusion for the competitor-competitor-mutualist model[J].Journal of Mathematical Analysis and Applications,2004,291(2):550-564.DOI:10.1016/j.jmaa.2003.11.015.
[10] DU Qiang,JU Lili,LI Xiao,et al.Stabilized linear semi-implicit schemes for the nonlocal Cahn-Hilliard equation[J].Journal of Computational Physics,2018,363:39-54.DOI:10.1016/j.jcp.2018.02.023.
[11] PEARSON J E.Complex patterns in a simple system[J].Science,1993,261(5118):189-192.DOI:10.1126/science.261.5118.189.
[12] MCGOUGH J S,RILEY K.Pattern formation in the Gray-Scott model[J].Nonlinear Analysis:Real World Applications,2004,5(1):105-121.DOI:10.1016/s1468-1218(03)00020-8.
[13] ZHANG Kai,WONG J C F,ZHANG Ran.Second-order implicit-explicit scheme for the Gray-Scott model[J].Journal of Computational and Applied Mathematics,2008,213(2):559-581.DOI:10.1016/j.cam.2007.01.038.
[14] PENG Rui,WANG Mingxin.Some nonexistence results for nonconstant stationary solutions to the Gray-Scott model in a bounded domain[J].Applied Mathematics Letters,2009,22(4):569-573.DOI:10.1016/j.aml.2008.06.032.
[15] CHEN Wan,WARD M J.The stability and dynamics of localized spot patterns in the two-dimensional Gray-Scott model[J].SIAM Journal on Applied Dynamical Systems,2011,10(2):582-666.DOI:10.1137/09077357X.
[16] WANG Weiming,LIN Yezhi,YANG Feng,et al.Numerical study of pattern formation in an extended Gray-Scott model[J].Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation,2011,16(4):2016-2026.DOI:10.1016/j.cnsns.2010.09.002.
[17] LIU Yang,F(xiàn)AN Enyu,YIN Baoli,et al.TT-M finite element algorithm for a two-dimensionalspace fractional Gray-Scott model[J].Computers and Mathematics with Applications,2020,80(7):1793-1809.DOI:10.1016/j.camwa.2020.08.011.
[18] ZHANG Hui,JIANG Xiaoyun,ZENG Fanhai,et al.A stabilized semi-implicit Fourier spectral method for nonlinear space-fractional reaction-diffusion equations[J].Journal of Computational Physics,2020,405:109141.DOI:10.1016/j.jcp.2019.109141.
[19] ZHAI Shuying,WENG Zhifeng,ZHUANG Qingqu,et al.An effective operator splitting method based on spectral deferred correction for the fractional Gray-Scott model[J].Journal of Computational and Applied Mathematics,2023,425:114959.DOI:10.1016/j.cam.2022.114959.
[20] YAO Changhui,F(xiàn)AN Huijun,ZHAO Yanmin,et al.Fast algorithm for nonlocal Allen-Cahn equation with scalar auxiliary variable approach[J].Applied Mathematics Letters,2022,126:107805.DOI:10.1016/j.aml.2021.107805.
[21] STRANG G.On the construction and comparison of difference schemes[J].SIAM Journal on Numerical Analysis,1968,5(3):506-517.DOI:10.1137/0705041.
[22] RUBIN S G,GRAVES R A.A cubic spline approximation for problems in fluid mechanics[R].Washington D C:[s.n.],1975.
[23] MISHRA S,SVRD M.On stability of numerical schemes via frozen coefficients and the magnetic induction equations[J].BIT Numerical Mathematics,2010,50:85-108.DOI:10.1007/s10543-010-0249-5.
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