Diffusive Stabilität ist eine Eigenschaft von Lösungen von Reaktionsdiffusionsgleichungen. Unter bestimmten Bedingungen haben diese, die für Diffusionen typische Eigenschaft, dass ihre -Norm für gegen 0 konvergiert, während die -Norm gleichzeitig beschränkt bleibt. Insbesondere ist damit die konstante Nulllösung asymptotisch stabil. Anschaulich bedeutet dies, für eine Lösung, die die Konzentration eines Stoffes im Raum in Abhängigkeit von der Zeit modelliert, dass sich die Konzentration des Stoffes mit der Zeit gleichmäßig im Raum verteilt, während die gesamte Konzentration selbst allerdings immer beschränkt bleibt. Diese Eigenschaft von Lösungen wird auch als diffusive Stabilität bezeichnet.

Verhalten bei linearer Diffusionsgleichung Bearbeiten

Für die lineare Diffusionsgleichung in einer Raumdimension

 
Lösung der linearen Diffusionsgleichung bei   mit Anfangsbedingung  .
  mit  

mit Anfangsbedingung   ist die Lösung gegeben durch Faltung der Anfangsbedingung mit der Fundamentallösung[1]

 .

Sei nun  .

Dann lässt sich die Lösung allgemein schreiben als

 .

Nach der Young-Ungleichung für Faltungen folgt somit einerseits

 
 
Lösung der linearen Diffusionsgleichung bei   mit Anfangsbedingung  .

andererseits auch

 .

Außerdem können die Normen der Fundamentallösung explizit berechnet werden (siehe auch Normalverteilung und Fehlerintegral).

Es gilt

 

und

 .

Somit gelten insgesamt die Normabschätzungen

 
Lösung der linearen Diffusionsgleichung bei   mit Anfangsbedingung  .
 
 .

Diese Eigenschaften entsprechen genau dem, was man von einer Diffusion erwarten würde, nämlich, dass sich die Stoffkonzentration   für wachsendes   immer weiter im Raum verteilt, ohne dass sich dabei die gesamte Stoffmenge erhöht.

Verallgemeinerung auf Reaktionsdiffusionsgleichungen Bearbeiten

Unter bestimmten Bedingungen kann die Eigenschaft der diffusiven Stabilität auch auf allgemeine Reaktionsdiffusionsgleichungen der Form

  mit  

verallgemeinert werden.

Man betrachte beispielsweise die Gleichung

 

für  . Die Lösung dieser Gleichung lässt sich schreiben als[2]

 .

Für Anfangsbedingungen der Form   und   lässt sich damit zeigen, dass für alle   ein   existiert, sodass

aus

 

folgt, dass[2]

 
 .

Die Bedingung   ist dabei wichtig, da für kleinere   der Reaktionsterm   stärker als Diffusionsterm  ins Gewicht fällt und damit Lösungen der Gleichung gegen unendlich konvergieren würden.

Für die Betrachtung allgemeiner Reaktionsdiffusionsgleichungen spielt daher der Reaktionsterm und dessen Verhalten für Lösungen für große Werte von   im Vergleich zum Verhalten der Lösungen der linearen Diffusionsgleichung eine große Rolle.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Evans, Lawrence C.: Partial Differential equations. University Press, Hyderabad 2009, ISBN 978-0-8218-4859-3.
  2. a b Uecker, Hannes: Nonlinear PDEs: a dynamical systems approach. Providence, Rhode Island 2017, ISBN 978-1-4704-3613-1.