Skip to main content

2017 | OriginalPaper | Buchkapitel

Cross-Diffusion in Reaction-Diffusion Models: Analysis, Numerics, and Applications

verfasst von : Anotida Madzvamuse, Raquel Barreira, Alf Gerisch

Erschienen in: Progress in Industrial Mathematics at ECMI 2016

Verlag: Springer International Publishing

Aktivieren Sie unsere intelligente Suche, um passende Fachinhalte oder Patente zu finden.

search-config
loading …

Abstract

Cross-diffusion terms are nowadays widely used in reaction-diffusion equations encountered in models from mathematical biology and in various engineering applications. In this contribution we review the basic model equations of such systems, give an overview of their mathematical analysis, with an emphasis on pattern formation and positivity preservation, and finally we present numerical simulations that highlight special features of reaction-cross-diffusion models.

Sie haben noch keine Lizenz? Dann Informieren Sie sich jetzt über unsere Produkte:

Springer Professional "Wirtschaft+Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft+Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 102.000 Bücher
  • über 537 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Maschinenbau + Werkstoffe
  • Versicherung + Risiko

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Technik"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Technik" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 390 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Automobil + Motoren
  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Elektrotechnik + Elektronik
  • Energie + Nachhaltigkeit
  • Maschinenbau + Werkstoffe




 

Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Springer Professional "Wirtschaft"

Online-Abonnement

Mit Springer Professional "Wirtschaft" erhalten Sie Zugriff auf:

  • über 67.000 Bücher
  • über 340 Zeitschriften

aus folgenden Fachgebieten:

  • Bauwesen + Immobilien
  • Business IT + Informatik
  • Finance + Banking
  • Management + Führung
  • Marketing + Vertrieb
  • Versicherung + Risiko




Jetzt Wissensvorsprung sichern!

Literatur
1.
Zurück zum Zitat Andasari, V., Gerisch, A., Lolas, G., South, A.P., Chaplain, M.A.J.: Mathematical modeling of cancer cell invasion of tissue: biological insight from mathematical analysis and computational simulation. J. Math. Biol. 63(1), 141–171 (2011)MathSciNetCrossRefMATH Andasari, V., Gerisch, A., Lolas, G., South, A.P., Chaplain, M.A.J.: Mathematical modeling of cancer cell invasion of tissue: biological insight from mathematical analysis and computational simulation. J. Math. Biol. 63(1), 141–171 (2011)MathSciNetCrossRefMATH
2.
Zurück zum Zitat Armstrong, N.J., Painter, K.J., Sherratt, J.A.: A continuum approach to modelling cell-cell adhesion. J. Theor. Biol. 243(1), 98–113 (2006)MathSciNetCrossRef Armstrong, N.J., Painter, K.J., Sherratt, J.A.: A continuum approach to modelling cell-cell adhesion. J. Theor. Biol. 243(1), 98–113 (2006)MathSciNetCrossRef
3.
Zurück zum Zitat Bozzini, B., Lacitignola, D., Mele, C., Sgura, I.: Coupling of morphology and chemistry leads to morphogenesis in electrochemical metal growth: a review of the reaction-diffusion approach. Acta Appl. Math. 122(1), 53–68 (2012)MathSciNetMATH Bozzini, B., Lacitignola, D., Mele, C., Sgura, I.: Coupling of morphology and chemistry leads to morphogenesis in electrochemical metal growth: a review of the reaction-diffusion approach. Acta Appl. Math. 122(1), 53–68 (2012)MathSciNetMATH
4.
Zurück zum Zitat Burger, M., Francesco, M.D., Pietschmann, J.F., Schlake, B.: Nonlinear cross-diffusion with size exclusion. SIAM J. Math. Anal. 42(6), 2842–2871 (2010)MathSciNetCrossRefMATH Burger, M., Francesco, M.D., Pietschmann, J.F., Schlake, B.: Nonlinear cross-diffusion with size exclusion. SIAM J. Math. Anal. 42(6), 2842–2871 (2010)MathSciNetCrossRefMATH
5.
Zurück zum Zitat Domschke, P., Trucu, D., Gerisch, A., Chaplain, M.A.J.: Mathematical modelling of cancer invasion: implications of cell adhesion variability for tumour infiltrative growth patterns. J. Theor. Biol. 361, 41–60 (2014)MathSciNetCrossRefMATH Domschke, P., Trucu, D., Gerisch, A., Chaplain, M.A.J.: Mathematical modelling of cancer invasion: implications of cell adhesion variability for tumour infiltrative growth patterns. J. Theor. Biol. 361, 41–60 (2014)MathSciNetCrossRefMATH
6.
Zurück zum Zitat Frittelli, M., Madzvamuse, A., Sgura, I., Venkataraman, C.: Lumped finite element method for reaction-diffusion systems on compact surfaces. arXiv:1609.02741 (2016) Frittelli, M., Madzvamuse, A., Sgura, I., Venkataraman, C.: Lumped finite element method for reaction-diffusion systems on compact surfaces. arXiv:1609.02741 (2016)
7.
Zurück zum Zitat Gambino, G., Lupo, S., Sammartino, M.: Effects of cross-diffusion on turing patterns in a reaction-diffusion schnakenberg model. arXiv:1501.04890 (2015) Gambino, G., Lupo, S., Sammartino, M.: Effects of cross-diffusion on turing patterns in a reaction-diffusion schnakenberg model. arXiv:1501.04890 (2015)
8.
Zurück zum Zitat Gerisch, A., Chaplain, M.: Robust numerical methods for taxis–diffusion–reaction systems: applications to biomedical problems. Math. Comput. Mod. 43(1–2), 49–75 (2006)MathSciNetCrossRefMATH Gerisch, A., Chaplain, M.: Robust numerical methods for taxis–diffusion–reaction systems: applications to biomedical problems. Math. Comput. Mod. 43(1–2), 49–75 (2006)MathSciNetCrossRefMATH
9.
Zurück zum Zitat Hittmeir, S., Jüngel, A.: Cross diffusion preventing blow-up in the two-dimensional Keller–Segel model. SIAM J. Math. Anal. 43(2), 997–1022 (2011)MathSciNetCrossRefMATH Hittmeir, S., Jüngel, A.: Cross diffusion preventing blow-up in the two-dimensional Keller–Segel model. SIAM J. Math. Anal. 43(2), 997–1022 (2011)MathSciNetCrossRefMATH
10.
Zurück zum Zitat Madzvamuse, A., Barreira, R.: Exhibiting cross-diffusion-induced patterns for reaction-diffusion systems on evolving domains and surfaces. Phys. Rev. E 90, 043307 (2014)CrossRef Madzvamuse, A., Barreira, R.: Exhibiting cross-diffusion-induced patterns for reaction-diffusion systems on evolving domains and surfaces. Phys. Rev. E 90, 043307 (2014)CrossRef
11.
Zurück zum Zitat Madzvamuse, A., Ndakwo, H.S., Barreira, R.: Cross-diffusion-driven instability for reaction-diffusion systems: analysis and simulations. J. Math. Biol. 70(4), 709–743 (2014)MathSciNetCrossRefMATH Madzvamuse, A., Ndakwo, H.S., Barreira, R.: Cross-diffusion-driven instability for reaction-diffusion systems: analysis and simulations. J. Math. Biol. 70(4), 709–743 (2014)MathSciNetCrossRefMATH
12.
Zurück zum Zitat Murakawa, H., Togashi, H.: Continuous models for cell–cell adhesion. J. Theor. Biol. 374, 1–12 (2015)CrossRefMATH Murakawa, H., Togashi, H.: Continuous models for cell–cell adhesion. J. Theor. Biol. 374, 1–12 (2015)CrossRefMATH
13.
Zurück zum Zitat Murray, J.D.: Mathematical Biology. I, 3rd edn. Springer, New York (2003) Murray, J.D.: Mathematical Biology. I, 3rd edn. Springer, New York (2003)
14.
Zurück zum Zitat Ni, W.M.: Diffusion, cross-diffusion, and their spike-layer steady states. Not. Am. Math. Soc. 45(1), 9–18 (1998)MathSciNetMATH Ni, W.M.: Diffusion, cross-diffusion, and their spike-layer steady states. Not. Am. Math. Soc. 45(1), 9–18 (1998)MathSciNetMATH
15.
Zurück zum Zitat Rahman, K.A., Sudarsan, R., Eberl, H.J.: A mixed-culture biofilm model with cross-diffusion. Bull. Math. Biol. 77(11), 2086–2124 (2015)MathSciNetCrossRefMATH Rahman, K.A., Sudarsan, R., Eberl, H.J.: A mixed-culture biofilm model with cross-diffusion. Bull. Math. Biol. 77(11), 2086–2124 (2015)MathSciNetCrossRefMATH
16.
Zurück zum Zitat Rahman, K., Sonner, S., Eberl, H.: Derivation of a multi-species cross-diffusion model from a lattice differential equation and positivity of its solutions. Act. Phys. Pol. B 9(1), 121 (2016) Rahman, K., Sonner, S., Eberl, H.: Derivation of a multi-species cross-diffusion model from a lattice differential equation and positivity of its solutions. Act. Phys. Pol. B 9(1), 121 (2016)
17.
Zurück zum Zitat Shigesada, N., Kawaasaki, K., Teramoto, E.: Spatial segregation of interacting species. J. Theor. Biol. 79(1), 83–99 (1979)MathSciNetCrossRef Shigesada, N., Kawaasaki, K., Teramoto, E.: Spatial segregation of interacting species. J. Theor. Biol. 79(1), 83–99 (1979)MathSciNetCrossRef
18.
Zurück zum Zitat Smoller, J.: Shock Waves and Reaction-Diffusion Equations, 2nd edn. Springer, New York (1994)CrossRefMATH Smoller, J.: Shock Waves and Reaction-Diffusion Equations, 2nd edn. Springer, New York (1994)CrossRefMATH
Metadaten
Titel
Cross-Diffusion in Reaction-Diffusion Models: Analysis, Numerics, and Applications
verfasst von
Anotida Madzvamuse
Raquel Barreira
Alf Gerisch
Copyright-Jahr
2017
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-319-63082-3_61