Convergência numérica de um sistema de equações Telegráficas Predador-Presa
DOI:
https://doi.org/10.5433/1679-0375.2022v43n1Espp51Palavras-chave:
Sistema Telegráfico-Difusivo-Reativo, retardo de Maxwell-Cattaneo, consistência da discretização, estabilidade de Von Neumann, experimentação numéricaResumo
Estuda-se a convergência numérica de um sistema Predador-Presa Telegráfico. Esse sistema de equações
diferenciais parciais (EDP) pode descrever vários sistemas biológicos com efeitos reativos, difusivo e de
retardo. Inicialmente o sistema de EDPs foi discretizado pelo método de Diferenças Finitas. Então, um
sistema de equações em uma forma explícita no tempo e em uma forma ímplicita no espaço foi obtido.
A consistência da discretização do sistema Predador-Presa Telegráfico foi verificada. A seguir, as condições
de estabilidade de von Neumann foram calculadas para um sistema predador-presa com termos reativos e para
um sistema telegráfico com retardo. Por outro lado, para o nosso sistema Predador-Presa Telegráfico não foi
possível obter analiticamente as condições de von Neumann. Neste contexto foram realizados experimentos
numéricos e verificou-se que o refinamento da malha e os parâmetros do modelo, as constantes reativas,
coeficientes de difusão e constantes de retardo, determinam as condições de estabilidade/instabilidade das
equações discretizadas. Os resultados das experimentações numéricas foram apresentados.
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Referências
ABIDEMI, A.; ZAINIDDIN, Z. M.; AZIZ, N. A. B. Impact of control interventions on COVID-19 population dynamics in Malaysia: a mathematical study. The European Physical Journal Plus, Heidelberg, v. 136, n. 2, p. 1-35, 2021. DOI: https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-021-01205-5. DOI: https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-021-01205-5
ASH, T.; BENTO, A. M.; KAFFINE, D.; RAO, A.; BENTO, A. I. Disease-economy trade-offs under alternative epidemic control strategies. Nature Communications, London, v. 13, p. 3319, 2022. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-30642-8. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-30642-8
ATANGANA, A. On the stability and convergence of the time-fractional variable order telegraph equation. Journal of Computational Physics, San Diego, v. 293, p. 104-114, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcp.2014.12.043
AYALA, Y. S. S. Global existence and exponential stability for a coupled wave system. Journal of Mathematical Sciences: Advances and Applications, Allahabad, v. 16, p. 29-46, 2012.
BAZYKIN, A. D. Nonlinear dynamics of interacting populations. Amsterdam: World Scientific Publishing, 1998. DOI: https://doi.org/10.1142/2284
BEARUP, D.; PETROVSKAYA, N. B.; PETROVSKII, S. Some analytical and numerical approaches to understanding trap counts resulting from pest insect immigration. Mathematical Biosciences, London, v. 263, p. 143–160, 2015. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mbs.2015.02.008. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mbs.2015.02.008
BOCIU, L.; LASIECKA, I. Local Hadamard well-posedness for nonlinear wave equations with supercritical sources and damping. Journal of Differential Equations, Amsterdam, v. 249, p. 654-683, 2010. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jde.2010.03.009. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jde.2010.03.009
BURDEN, R. L.; and FAIRES, J. D. Análise numérica. São Paulo: Cengage Learning, 2008.
CATTANEO, C.R. Sur une forme de l’équation de la chaleur éliminant le paradoxe de l’une propagation instantanée. Comptes Rendus, Grenoble, v. 247, n. 4, p. 431–433, 1958.
CAVALCANTI, M. M.; CAVALCANTI, V. N. D.; FERREIRA, J. Existence and uniform decay for nonlinear viscoelastic equation with strong damping. Mathematical Methods in the Applied Sciences, Stuttgart, v. 24, p. 1043-1053, 2001. DOI: https://doi.org/10.1002/mma.250
CAVALCANTI, M. M.; CAVALCANTI, V. N. D.; SORIANO, J. A. Exponential decay for the solution of semilinear viscoelastic wave equations with localized damping. Electronic Journal of Differential Equations, San Marcos, v. 44, p. 1-14, 2002. DOI: https://doi.org/10.57262/die/1356123377
CIRILO, E. R.; BARBA, A. N. D.; NATTI, P. L.; ROMEIRO, N. M. L. A numerical model based on the curvilinear coordinate system for the MAC method simplified. Semina. Ciências Exatas e Tecnológicas, Londrina, v. 39, n. 2, p. 87-98, 2018. DOI: https://doi.org/10.5433/1679-0375.2018v39n2p87. DOI: https://doi.org/10.5433/1679-0375.2018v39n2p87
CIRILO, E. R.; PETROVSKII, S. V.; ROMEIRO, N. M. L.; NATTI, P. L. Investigation into the critical domain problem for the reaction-telegraph equation using advanced numerical algorithms.
International Journal of Applied and Computational Mathematics, New Delhi, v. 5, p. 1-15, 2019.
CIRILO, E. R.; NATTI, P. L.; ROMEIRO, N. M. L.; CANDEZANO, M. A. C.; POLO, J. M. P. One study of COVID-19 spreading at the United States - Brazil - Colombia. Trends in Computational and Applied Mathematics, São Carlos, v. 22, p. 435-452, 2021a. DOI: https://doi.org/10.5540/tcam.2021.022.03.00435
CIRILO, E. R.; NATTI, P. L.; GODOI, P. H. V.; LERMA, A. A.; MATIAS, V. P.; ROMEIRO, N. M. L. COVID-19 in Londrina-PR: SEIR Model with Parameter Optimization. SEMINA: Ciências Exatas e Tecnológicas, Londrina, v. 42, n. 1Supl, p. 45-54, 2021b. DOI: https://doi.org/10.5433/1679-0375.2021v42n1Suplp45. DOI: https://doi.org/10.5433/1679-0375.2021v42n1Suplp45
CRANK, J.; NICOLSON, P. A practical method for numerical evaluation of solutions of partial differential equations of the heat-conduction type. Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, Cambridge, v. 43, p. 50-67, 1947. DOI: https://doi.org/10.1017/S0305004100023197
CUMINATO, J. A.; MENEGUETTE, M. Discretização de equações diferenciais parciais: técnicas de diferenças finitas. Rio de Janeiro: SBMAC, 1999.
DE ROOS, A. M.; MC CAULEY, E.; WILSON, W. G. Mobility versus densirty-limited predador-prey dynamics on diferent spacial scales. Proceedings of the Royal Society of London B: Biological Sciences, London, v. 246, n. 1316, p. 117–122, 1991. DOI: https://doi.org/10.1098/rspb.1991.0132. DOI: https://doi.org/10.1098/rspb.1991.0132
EL-AZAB, M.S.; EL-GAMEL, M. A numerical algorithm for the solution of telegraph equations. Applied Mathematics and Computation, New York, v. 190, p. 757-764, 2007. DOI: https://doi.org/10.1016/j.amc.2007.01.091. DOI: https://doi.org/10.1016/j.amc.2007.01.091
FERREIRA, V. G.; CUMINATO, J. A.; TOMÉ, M. F.; FORTUNA, A. O.; MANGIAVACCHI, N.; CASTELO, A.; NONATO, L. G. Análise e implementação de modelos de turbulência K-epsilon para simulação de escoamentos imcompreessíveis envolvendo superfícies livres e rígidas. Trends in Computational and Applied Mathematics, São Carlos, v. 2, p. 81-90, 2001. DOI: https://doi.org/10.5540/tema.2001.02.01.0081. DOI: https://doi.org/10.5540/tema.2001.02.01.0081
FORTUNA, A. O. Técnicas computacionais para dinâmica dos fluidos. São Paulo: EDUSP, 2012.
GREENHALGH, D.; KHAN, Q. J. A.; PETTI, J. S. An eco-epidemiological predator–prey model where predators distinguish between susceptible and infected prey. Mathematical Methods in the Applied Sciences, London, v. 40, n. 1, p. 146–166, 2017. DOI: https://doi.org/10.1002/mma.3974. DOI: https://doi.org/10.1002/mma.3974
GRIEBEL, M.; DORNSEIFER, T.; NEUNHOEFFER, T. Numerical simulation in fluid dynamics: a practical introduction. Philadelphia: Society for Industrial and Applied Mathematics, 1998. DOI: https://doi.org/10.1137/1.9780898719703
HIRSCH, C. Numerical computation of internal and external flows. Oxford: John Wiley & Sons, 2007.
HOLLING, C. S. The components of predation as revealed by a study of small-mammal predation of the European pine sawfly. The Canadian Entomologist, Cambridge, v. 91, n. 5, p. 293–320, 1959a. DOI: https://doi.org/10.4039/ent91293-5. DOI: https://doi.org/10.4039/Ent91293-5
HOLLING, C. S. Some characteristics of simple types of predation and parasitism. The Canadian Entomologist, Cambridge, v. 91, n. 7, p. 385–398, 1959b. DOI: https://doi.org/10.4039/Ent91385-7. DOI: https://doi.org/10.4039/Ent91385-7
HUFFAKER, C. B. Experimental studies on predation: Dispersion factors and predator-prey oscillations. Hilgardia, Berkeley, v. 27, n. 14, p. 343–383, 1958. DOI: https://doi.org/10.3733/hilg.v27n14p343. DOI: https://doi.org/10.3733/hilg.v27n14p343
ISAACSON, E.; KELLER, H. B. Analysis of numerical methods. New York, Dover Publications, 1994.
KISHORE, N.; KAHN, R.; MARTINEZ, P. P.; DE SALAZAR, P. M.; MAHMUD, A. S.; BUCKEE, C. O. Lockdowns result in changes in human mobility which may impact the epidemiologic dynamics of SARS-CoV-2. Scientific Reports, London, v. 11, p. 6995, 2021. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-86297-w. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-86297-w
LAX, P. D.; RICHTMYER, R. D. Survey of the stability of linear finite difference equations. Communications on Pure and Applied Mathematics, New York, v. 9, p. 267-293, 1956. DOI: https://doi.org/10.1002/cpa.3160090206. DOI: https://doi.org/10.1002/cpa.3160090206
LEWIS, M.A.; PETROVSKII, S. V.; POTTS, J. R. The mathematics behind biological invasions, Switzerland: Springer International Publishing, 2016. (Interdisciplinary Applied Mathematics, v. 44). DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-32043-4
LI, H.; LI, Y.; YANG, W. Existence and asymptotic behavior of positive solutions for a one-prey and two-competing-predators system with diffusion. Nonlinear Analysis: Real World Applications, Oxford, v. 27, p. 261–282, 2016. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nonrwa.2015.07.010. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nonrwa.2015.07.010
LI, S.; YUAN, S.; WANG, H. Disease transmission dynamics of an epidemiological predator-prey system in open advective environments. Discrete and Continuous Dynamical Systems - B, Springfield, v. 28, p. 1480-1502, 2023. DOI: https://doi.org/10.3934/dcdsb.2022131. DOI: https://doi.org/10.3934/dcdsb.2022131
LOTKA, A. J. Elements of physical biology. Baltimore: World Scientific, 1925.
MENDEZ, V.; FEDOTOV, S.; HORSTHEMKE, W. Reaction-transport systems: mesoscopic foundations, fronts and spatial instabilities. Berlin: Springer-Verlag, 2010. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-11443-4
MICKENS, R. E.; JORDAN, P. M. A Positivity-preserving nonstandard finite difference scheme for the damped wave equation. Numerical Methods for Partial Differential Equations, Grenoble, v. 20, p. 639-649, 2003. DOI: https://doi.org/10.1002/num.20003
MUSTAFA, M. I. Well posedness and asymptotic behavior of a coupled system of nonlinear viscoelastic equations. Nonlinear Analysis Real World Application, London, v. 13, p. 452-463, 2012. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nonrwa.2011.08.002. DOI: https://doi.org/10.1016/j.nonrwa.2011.08.002
NATTI, P. L.; ROMEIRO, N. M. L.; CIRILO, E. R.; NATTI, E. R. T.; OLIVEIRA, C. F.; SOBRINHO, A. S. O.; KITA, C. M. Modelagem matemática e estabilidade de sistemas predador-presa. In: GOMES, I. A. (org.). A produção do conhecimento nas ciências exatas e da terra 2. Ponta Grossa: Atena Editora, 2019. v. 2, p. 162-177. DOI: https://doi.org/10.22533/at.ed.39519040416. DOI: https://doi.org/10.22533/at.ed.39519040416
OLIVEIRA, C. F; NATTI, P. L.; CIRILO, E. R.; ROMEIRO, N. M. L.; NATTI, E. R. T. Numerical stability of solitons waves through splices in quadratic optical media. Acta Scientiarum. Technology, Maringá, v. 42, p. e46881, 2019. DOI: https://doi.org/10.4025/actascitechnol.v42i1.46881. DOI: https://doi.org/10.4025/actascitechnol.v42i1.46881
PAUL, A.; LAURILA, T.; VUORINEN, V.; DIVINSKI, S. V. Thermodynamics, diffusion and the kirkendall effect in solids. London: Springer, 2014. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-07461-0
PAUL, A.; REJA, S.; KUNDU, S.; BHATTACHARYA, S. COVID-19 pandemic models revisited with a new proposal: Plenty of epidemiological models outcast the simple population dynamics solution. Chaos, Solitons and Fractals, Oxford, v. 144, p. 110697, 2021. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chaos.2021.110697. DOI: https://doi.org/10.1016/j.chaos.2021.110697
ROMEIRO, N. M. L.; BELINELLI, E. O.; Maganin, J.; NATTI, P.L.; CIRILO, E. R. Numerical study of different methods applied to the one-dimensional transient heat equation. REMAT: Revista Eletrônica da Matemática, Caxias do Sul, v. 7, p. e3012, 2021.DOI: https://doi.org/10.35819/remat2021v7i1id4767. DOI: https://doi.org/10.35819/remat2021v7i1id4767
SAITA, T. M.; NATTI, P. L.; CIRILO, E. R.; ROMEIRO, N. M. L.; CANDEZANO, M. A. C.; ACUNA, R. A. B.; MORENO, L. C. G. Proposals for Sewage Management at Luruaco Lake, Colombia. Environmental Engineering Science, Larchmont, v. 38, n. 12, p. 1140-1148, 2021. DOI: https://doi.org/10.1089/ees.2020.0401. DOI: https://doi.org/10.1089/ees.2020.0401
SANGAY, J. C. A. Aplicação do método de complementaridade mista para problemas parabólicos não lineares. 2015. Dissertação (Mestrado) - Instituto de Ciências Exatas, Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora, 2015.
SHAOYONG, L. The asymptotic theory of semilinear perturbed telegraph equation and its application. Applied Mathematics and Mechanics, Shanghai, v. 18, p. 657-662, 1997. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00127013. DOI: https://doi.org/10.1007/BF00127013
STRIKWERDA, J. C. Finite difference schemes and partial differential equations. Philadelphia: SIAM, 2004. DOI: https://doi.org/10.1137/1.9780898717938
TANSKY, M. Switching effect in prey-predator system. Journal of Theoretical Biology, Amsterdam, v. 70, n. 3, p. 263-271, 1978. DOI: https://doi.org/10.1016/0022-5193(78)90376-4. DOI: https://doi.org/10.1016/0022-5193(78)90376-4
TILLES, P. F. C.; PETROVSKII, S. V.; NATTI, P. L. A random walk description of individual animal movement accounting for periods of rest. Royal Society Open Science, London, v. 3, p. 160566, 2016. DOI: https://doi.org/10.1098/rsos.160566. DOI: https://doi.org/10.1098/rsos.160566
TILLES, P. F. C.; PETROVSKII, S. V.; NATTI, P. L. A random acceleration model of individual animal movement allowing for diffusive, superdiffusive and superballistic regimes. Scientific Reports, London, v. 7, p. 14364, 2017. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-017-14511-9. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-017-14511-9
VOLTERRA, V. Fluctuations in the abundance of a species considered mathematically. Nature, London, v. 118, p. 558–560, 1926. DOI: https://doi.org/10.1038/118558a0. DOI: https://doi.org/10.1038/118558a0
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