<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Appl. Math. Stat.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Applied Mathematics and Statistics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Appl. Math. Stat.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2297-4687</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fams.2023.1110497</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Applied Mathematics and Statistics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Symmetry-breaking bifurcations for compartmental reaction kinetics coupled by two bulk diffusing species with comparable diffusivities in 2-D</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Pelz</surname> <given-names>Merlin</given-names></name>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/2156681/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Ward</surname> <given-names>Michael J.</given-names></name>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/2118492/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff><institution>Department of Mathematics, University of British Columbia</institution>, <addr-line>Vancouver, BC</addr-line>, <country>Canada</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: V&#x000ED;ctor F. Bre&#x000F1;a-Medina, Instituto Tecnol&#x000F3;gico Aut&#x000F3;nomo de M&#x000E9;xico, Mexico</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Andr&#x000E9; H. Erhardt, Weierstrass Institute for Applied Analysis and Stochastics (LG), Germany; Edgar Knobloch, University of California, Berkeley, United States</p></fn>
<corresp id="c001">&#x0002A;Correspondence: Michael J. Ward &#x02709; <email>nredleaf22&#x00040;gmail.com</email></corresp>
<fn fn-type="other" id="fn001"><p>This article was submitted to Dynamical Systems, a section of the journal Frontiers in Applied Mathematics and Statistics</p></fn></author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>09</day>
<month>02</month>
<year>2023</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2023</year>
</pub-date>
<volume>9</volume>
<elocation-id>1110497</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>28</day>
<month>11</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>16</day>
<month>01</month>
<year>2023</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2023 Pelz and Ward.</copyright-statement>
<copyright-year>2023</copyright-year>
<copyright-holder>Pelz and Ward</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license> </permissions>
<abstract>
<p>For a 2-D coupled PDE-ODE bulk-cell model, we investigate symmetry-breaking bifurcations that can emerge when two bulk diffusing species are coupled to two-component nonlinear intracellular reactions that are restricted to occur only within a disjoint collection of small circular compartments, or &#x0201C;cells,&#x0201D; of a common small radius that are confined in a bounded 2-D domain. Outside of the union of these cells, the two bulk species with comparable diffusivities and bulk degradation rates diffuse and globally couple the spatially segregated intracellular reactions through Robin boundary conditions across the cell boundaries, which depend on certain membrane reaction rates. In the singular limit of a small common cell radius, we construct steady-state solutions for the bulk-cell model and formulate a nonlinear matrix eigenvalue problem that determines the linear stability properties of the steady-states. For a certain spatial arrangement of cells for which the steady-state and linear stability analysis become highly tractable, we construct a symmetric steady-state solution where the steady-states of the intracellular species are the same for each cell. As regulated by the ratio of the membrane reaction rates on the cell boundaries, we show for various specific prototypical intracellular reactions, and for a specific two-cell arrangement, that our 2-D coupled PDE-ODE model admits symmetry-breaking bifurcations from this symmetric steady-state, leading to linearly stable asymmetric patterns, even when the bulk diffusing species have comparable or possibly equal diffusivities. Overall, our analysis shows that symmetry-breaking bifurcations can occur without the large diffusivity ratio requirement for the bulk diffusing species as is well-known from a Turing stability analysis applied to a spatially uniform steady-state for typical two-component activator-inhibitor systems. Instead, for our theoretical compartmental-reaction diffusion bulk-cell model, our analysis shows that the emergence of stable asymmetric steady-states can be controlled by the ratio of the membrane reaction rates for the two species. Bifurcation theoretic results for symmetric and asymmetric steady-state patterns obtained from our asymptotic theory are confirmed with full numerical PDE simulations.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>bulk diffusion</kwd>
<kwd>symmetry-breaking</kwd>
<kwd>nonlinear matrix eigenvalue problem</kwd>
<kwd>membrane reaction rate ration</kwd>
<kwd>Turing stability analysis</kwd>
</kwd-group>
<contract-sponsor id="cn001">Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100000038</named-content></contract-sponsor>
<counts>
<fig-count count="18"/>
<table-count count="3"/>
<equation-count count="93"/>
<ref-count count="62"/>
<page-count count="23"/>
<word-count count="14683"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>A central issue in many chemical and biological systems that involve the coupling of diffusive processes and nonlinear reactions is to determine conditions for which spatio-temporal patterns can form from either a patternless or a pre-patterned state. In a pioneering theoretical study, Turing [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>] established that diffusing morphogens with different diffusivities can destablilize a spatially uniform and stable steady-state of the nonlinear reaction kinetics. As applied to two-component activator-inhibitor reaction-diffusion (RD) systems, this Turing stability analysis shows that a sufficiently large diffusivity ratio is typically needed to obtain spatial pattern formation from the destabilization of a spatially uniform state, unless the nonlinear reaction kinetics are finely tuned (cf. Pearson and Horsthemke [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>], Baker et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>], and Diambra et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]). For certain chemical systems, this large diffusivity ratio requirement needed for pattern formation may be feasible to achieve in situations where one of the chemical species can bind to a substrate, which has the consequence of reducing the <italic>effective</italic> diffusivity of this species (cf. Lengyel and Epstein [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>] and Dulos et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>]). However, in many cellular processes related to developmental biology and morphogenesis, the theoretical large diffusivity ratio threshold needed for freely diffusing morphogens to create symmetry-breaking patterns is often unrealistic as different small molecules typically have very comparable diffusivities (cf. M&#x000FC;ller et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] and Rauch and Millonas [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>]). In M&#x000FC;ller et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>], various modifications of the simple &#x0201C;freely diffusing&#x0201D; morphogen paradigm such as <italic>facilitated diffusion, transient binding, immobilization</italic> and <italic>transcytosis</italic>, among others, have been postulated to play a central role in specific applications of diffusive transport at the cellular level. Qualitatively, the postulated overall effect of these mechanisms is to modify an <italic>effective</italic> diffusivity ratio of the morphogens, which can, therefore, lead to the emergence of spatial patterns and symmetry-breaking behavior in cellular processes related to developmental biology and early morphogenesis (cf. Sozen et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>]).</p>
<p>As a result, one key long-standing theoretical question in RD theory is how to modify the two-component RD paradigm so as to robustly generate stable spatial patterns from a spatially homogeneous state when the time scales for diffusion of the interacting species are comparable. By including an additional non-diffusible component, which roughly models either membrane-bound proteins or an immobile chemically active substrate, it has been shown (cf. Pearson [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], Klika et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>], and Korvasov&#x000E1; et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]) that this &#x0201C;2&#x0002B;1&#x0201D; extension of the two-component RD framework can yield stable spatial patterns even when the two diffusible species have a common diffusivity. In another direction, which is based on graph-theoretic properties associated with nonlinear reactions between multiple species that are either immobile or freely diffusing, it has been shown that with certain activating and inhibiting feedback relations in the chemical kinetics, spatial patterns can form without the large diffusivity ratio requirement (cf. Marcon et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>], Diego et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], and Landge et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>]). More recently, the authors in Haas and Goldstein [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>] have revealed that in random, multi-component, RD systems the required diffusivity threshold for pattern formation typically decreases as the number of interacting and diffusing species increases.</p>
<p>From a theoretical viewpoint, in specific applications where a large diffusivity ratio is a realistic assumption, it has been shown both analytically and from numerical simulations (cf. Vanag and Epstein [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>], Ward [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>], Halatek et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>], and Halatek and Frey [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>]) that two-component RD systems admit a wide range of spatially localized patterns and instabilities that occur in the &#x0201C;far-from-equilibrium&#x0201D; regime, far from where a Turing linear stability analysis will provide any insight into pattern-forming properties.</p>
<p>The goal of this paper is to formulate and quantitatively analyze a new theoretical model in a 2-D setting that robustly leads to pattern formation even when the two diffusing species have a comparable or equal diffusivity. More specifically, we analyze symmetry-breaking pattern formation for a 2-D PDE-ODE bulk-cell RD model in which spatially segregated localized reaction compartments, referred to as &#x0201C;cells,&#x0201D; are coupled to a two-component linear bulk diffusion field with constant bulk degradation rates. In the cells, which are assumed to have a common radius that is small compared to the domain length-scale and the inter-cell distances, two-component intracellular activator-inhibitor reaction kinetics are specified. The intracelluar species undergo an exchange with the two bulk species across the cell boundaries, as mediated by membrane reaction rates in a Robin boundary condition that is specified on each cell boundary. The two extracellular diffusing bulk species, with comparable diffusivities and degradation rates, provide the mechanism that couples the nonlinear intracellular reactions that occur in the union of the spatially segregated cells. We refer to this modeling framework as a <bold>compartmental-reaction diffusion system</bold>.</p>
<p>The numerical implementation of our theoretical analysis for this model for various specific intracellular reaction kinetics reveals that it is the ratio of the reaction rate of the inhibitor component to that of the activator component on the compartment boundaries that plays a central role in the initiation of symmetry-breaking bifurcations of a symmetric steady-state. The magnitude of this ratio ultimately controls whether linearly stable asymmetric steady-states for the bulk-cell model can occur even when the bulk diffusivities are comparable or equal. The bifurcation threshold condition for this key membrane reaction rate ratio parameter is distinct from the usual large diffusivity ratio threshold that is required for pattern formation from a spatially uniform state for typical two-component activator-inhibitor RD systems (cf. Maini et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>] and Krause et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>]). We emphasize that our linear stability analysis predicting symmetry-breaking bifurcations for the bulk-cell model, as regulated by the membrane reaction rate ratio, is significantly more challenging than performing a simple Turing stability analysis [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>] since it is based on the linearization of the bulk-cell model around a <italic>spatially non-uniform</italic> symmetric steady-state. In our previous 1-D study [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>], where nonlinear reactions were restricted either to domain boundaries or at lattice site on a 1-D periodic chain, it has been shown for some specific nonlinear kinetics that symmetry-breaking bifurcations can occur from a symmetric steady-state when the ratio of membrane reaction rates exceeds a threshold.</p>
<p>We remark that our 2-D study, and related 1-D analysis in Pelz and Ward [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>], is largely inspired by the agent-based numerical computations in Rauch and Millonas [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>] where it was shown that nonlinear kinetic reactions restricted to lattice sites on a 2-D lattice can generate stable Turing-type spatial patterns when coupled through a spatially discretized two-component bulk diffusion field in which the two diffusible species have a comparable diffusivity.</p>
<p>In a broader context, the study of novel pattern-forming properties associated with compartmentalized reactions interacting through a passive bulk diffusion field originates from the 1-D analysis in Gomez-Marin et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>] for the FitzHugh-Nagumo model and the bulk-membrane analysis of Levine and Rappel [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>] in disk-shaped domains. In a 1-D context, and with one bulk diffusing species, this compartmental-reaction diffusion system modeling paradigm has been shown to lead to triggered oscillatory instabilities for various reaction kinetics involving conditional oscillators (cf. Gou et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>] Gou and Ward [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>], and Gou et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]). Amplitude equations characterizing the local branching behavior for these triggered oscillations have been derived in Paquin-Lefebvre et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>] using a weakly nonlinear analysis. Applications of this framework have been used to model intracellular polarization and oscillations in fission yeast (cf. Xu and Bressloff [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>] and Xu and Jilkine [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>]). In a 2-D domain, similar bulk-cell models, but with only one diffusing bulk species, have been formulated and used to model quorum-sensing behavior (cf. Gou and Ward [<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>], Iyaniwura and Ward [<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>], Ridgway et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>], and Gomez et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>]). With regards to bulk-membrane RD models in a multi-spatial dimensional context, where nonlinear kinetics are restricted to the membrane, the associated pattern-forming properties have been studied both theoretically (cf. R&#x000E4;tz [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>], Elliott et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>], Madzvamuse et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>], Madzvamuse and Chung [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>], and Paquin-Lefebvre et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>]), and for some specific biological applications (cf. Cusseddu et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B41">41</xref>], R&#x000E4;tz and R&#x000F6;ger [<xref ref-type="bibr" rid="B42">42</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B43">43</xref>], Stolerman et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B44">44</xref>], and Paquin-Lefebvre et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B45">45</xref>]).</p>
<p>The outline of this paper is as follows. In Section 2 we formulate our bulk-cell model and use a singular perturbation approach in the limit of a small common cell radius to derive a nonlinear algebraic system characterizing all steady-state solutions of the model. In Section 3 we show that the discrete eigenvalues of the linearization of the bulk-cell model around a steady-state solution are determined by a root-finding condition on a nonlinear matrix eigenvalue problem. For a certain type of spatial configuration of the cells, the bulk-cell model is shown to admit a symmetric steady-state solution in which the steady-states of the intracellular reactions are identical. The possibility of symmetry-breaking bifurcations along this symmetric steady-state solution branch, leading to the existence of linearly stable asymmetric patterns, are analyzed by applying solution path continuation software to our bifurcation-theoretic analytical results. For a certain two-cell configuration in the unit disk, and for either Rauch and Millonas [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], Gierer and Meinhardt [<xref ref-type="bibr" rid="B46">46</xref>], or FitzHugh and Nagumo [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>] intracellular reactions, we show in Section 4 that it is the magnitude of the ratio of the reaction rates for the two bulk species on the cell membranes that controls whether linearly stable asymmetric patterns can bifurcate from the symmetric steady-state. Our theoretical predictions of symmetry-breaking behavior, leading to stable asymmetric steady-states even when the two bulk species have comparable or equal diffusivities, are confirmed from full PDE numerical simulations. For a closely-spaced arrangement of cells as is typical in biological tissues, and where our asymptotic theory no longer applies, the PDE numerical simulations shown in Section 4.4 illustrate that symmetry-breaking bifurcations can still be controlled by the reaction rate ratio on the cell boundaries. In particular, our numerical results suggest that such bifurcations occur with a smaller membrane reaction-rate ratio than for the situation where the cells are more spatially segregated. In Section 5 we discuss our theoretical results in a wider context, and suggest a few open directions.</p></sec>
<sec id="s2">
<title>2. Compartmental-reaction diffusion system in 2-D</title>
<sec>
<title>2.1. Model formulation</title>
<p>We consider a bounded 2-D domain with length scale <italic>L</italic>, denoted by &#x003A9;<sup><italic>L</italic></sup> &#x02282; &#x0211D;<sup>2</sup>, that contains <italic>m</italic> disconnected circular compartments <inline-formula><mml:math id="M1"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, for <italic>j</italic> &#x02208; {1, &#x02026;, <italic>m</italic>}, referred to as &#x0201C;cells&#x0201D;. We will assume that these cells have a common radius that is small in comparison with the length scale <italic>L</italic> of the domain. The bulk or extracellular medium is the region <inline-formula><mml:math id="M2"><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>\</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x022C3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>In the bulk we assume that there are two extracellularly diffusing and degrading chemical species with concentrations <italic>U</italic> and <italic>V</italic>. These messenger molecules are synthesized on the &#x0201C;cell&#x0201D; membranes through the interaction with two corresponding intracellular species <italic>M</italic><sub><italic>j</italic></sub> and <italic>H</italic><sub><italic>j</italic></sub>. With the molecule counts &#x1D518;, &#x1D519;, &#x1D510;<sub><italic>j</italic></sub> and <inline-formula><mml:math id="M270"><mml:mi>&#x0210C;</mml:mi></mml:math></inline-formula><sub><italic>j</italic></sub> corresponding to respectively <italic>U, V, M</italic><sub><italic>j</italic></sub> and <italic>H</italic><sub><italic>j</italic></sub>, the chemical equations are
<disp-formula id="E1"><label>(2.1)</label><mml:math id="M3"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi>&#x1D518;</mml:mi><mml:munderover><mml:mo>&#x021CC;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>U</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>&#x1D510;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x1D519;</mml:mi><mml:munderover><mml:mo>&#x021CC;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>&#x0210C;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Here we made the assumption that the exponential forward reaction rates equal the backward reaction rates and that all compartments are identical in that they have common membrane reaction rates. The intra-compartmental species, in turn, are produced by certain reaction kinetics, denoted by <italic>f</italic>(<italic>M, H</italic>) and <italic>g</italic>(<italic>M, H</italic>), that are assumed to be identical in each compartment.</p>
<p>More precisely, in dimensional variables, our bulk-cell coupled model is</p>
<disp-formula id="E14"><label>(2.2a)</label><mml:math id="M16"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">bulk</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>X</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>\</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x022C3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>X</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>\</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x022C3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>X</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">(Neumann condition)</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E16"><label>(2.2b)</label><mml:math id="M18"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">reaction fluxes</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>X</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">(Robin condition)</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>X</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E18"><label>(2.2c)</label><mml:math id="M20"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">compartments</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">(reaction kinetics)</mml:mtext><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>with <italic>j</italic> &#x02208; {1, &#x02026;, <italic>m</italic>} and where <italic>n</italic><sub><italic>j,X</italic></sub> is the outward unit normal vector to <inline-formula><mml:math id="M22"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> while <inline-formula><mml:math id="M268"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula><sub><italic>X</italic></sub> is the outward unit normal vector to &#x003A9;<sup><italic>L</italic></sup>. The diffusivities (diffusion coefficients) for <italic>U</italic> and <italic>V</italic> are <italic>D</italic><sub><italic>U</italic></sub> and <italic>D</italic><sub><italic>V</italic></sub>, and <italic>U</italic> and <italic>V</italic> are degrading in the bulk with exponential rate constants &#x003BA;<sub><italic>U</italic></sub> and &#x003BA;<sub><italic>V</italic></sub>, respectively. The exponential reaction rates on the compartment boundaries are &#x003B2;<sub><italic>U</italic></sub> and &#x003B2;<sub><italic>V</italic></sub> with corresponding rates &#x003B2;<sub><italic>U</italic>,1</sub> and &#x003B2;<sub><italic>V</italic>,1</sub> per area times length and &#x003B2;<sub><italic>U</italic>,2</sub> and &#x003B2;<sub><italic>V</italic>,2</sub> per length and time units, and &#x003BC;<sub><italic>c</italic></sub> is a normalizing constant for the intracellular species. Lastly, &#x003BA;<sub><italic>R</italic></sub> is a dimensional reaction rate for the intracellular reactions.</p>
<p>In Appendix A we non-dimensionalize (Equation 2.2) to obtain the dimensionless PDE-ODE model</p>
<disp-formula id="E20"><label>(2.3a)</label><mml:math id="M23"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">bulk</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>\</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x022C3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>\</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x022C3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E22"><label>(2.3b)</label><mml:math id="M25"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">reaction fluxes</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E24"><label>(2.3c)</label><mml:math id="M27"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">compartments</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>for <italic>j</italic> &#x02208; {1, &#x02026;, <italic>m</italic>}. Here <italic>n</italic> and <inline-formula><mml:math id="M269"><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are the outward unit normal vectors to &#x003A9;<sub><italic>j</italic></sub> and &#x003A9;, respectively, and we have dropped the label &#x0201C;<italic>x</italic>&#x00022; for &#x00394; and the outward unit normal vectors. In Equation (2.3), the compartments are disks of a common radius &#x003B5; &#x0226A; 1 centered at <bold>x</bold><sub><italic>j</italic></sub> &#x02208; &#x003A9;, i.e. &#x003A9;<sub><italic>j</italic></sub> &#x02261; {<bold>x</bold>||<bold>x</bold> &#x02212; <bold>x</bold><sub><italic>j</italic></sub>| &#x02264; &#x003B5;}. We will refer to <inline-formula><mml:math id="M29"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M30"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M31"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M32"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> as dimensionless membrane reaction rates. An illustration of the bulk-cell model is shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>A 2-D bounded domain with four diffusion-coupled circular cells of a common radius. In the <italic>j</italic><sup>th</sup> cell, activator-inhibitor reaction kinetics occur for the activator &#x003BC;<sub><italic>j</italic></sub> and inhibitor &#x003B7;<sub><italic>j</italic></sub>. Across the cell membrane, there is an exchange between the intracellular and bulk species. In the bulk, <italic>u</italic> and <italic>v</italic> diffuse and undergo degradation. The cells are assumed to be small but are drawn larger here for illustration only.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0001.tif"/>
</fig>
<p>We will use strong localized perturbation theory [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>] to construct the steady-state solutions of Equation (2.3) and to analyze their linear stability properties in the asymptotic limit &#x003B5; &#x0226A; 1 and under the assumption that <italic>m</italic> circular cells are well-separated in the sense that the cell centers satisfy <inline-formula><mml:math id="M33"><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, for <italic>i, j</italic> &#x02208; {1, &#x02026;, <italic>m</italic>} and <italic>i</italic> &#x02260; <italic>j</italic>.</p></sec>
<sec>
<title>2.2. Asymptotic construction of the steady-states</title>
<p>Our main goal is to construct a symmetric steady-state solution for Equation (2.3) in which the concentration of each species is the same inside and in the local vicinity of each compartment. We will show below that even when the bulk diffusing species have comparable diffusivities this symmetric steady-state is unstable to symmetry-breaking perturbations that occur beyond a pitchfork bifurcation point associated with the membrane reaction rate ratio <inline-formula><mml:math id="M34"><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. This leads to the existence of linearly stable asymmetric steady-state solutions to Equation (2.3).</p>
<p>In the absence of diffusion, the ODE system for the intra-compartmental species is decoupled from the bulk medium and reduces to
<disp-formula id="E26"><label>(2.4)</label><mml:math id="M35"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Let (&#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub>, &#x003B7;<sub><italic>e</italic></sub>) be an equilibrium point for Equation (2.4) and label <italic>F</italic>(&#x003BC;, &#x003B7;) &#x02261; (<italic>f</italic>(&#x003BC;, &#x003B7;), <italic>g</italic>(&#x003BC;, &#x003B7;)). For a specific parameter set, the linear stability property of the equilibrium state is characterized by whether the eigenvalues &#x003BB; of the Jacobian matrix <italic>DF</italic>(&#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub>, &#x003B7;<sub><italic>e</italic></sub>) have positive (unstable, exponentially growing perturbations) or negative (stable, exponentially decaying perturbations) real parts Re(&#x003BB;). However, when there is bulk diffusion and the compartments are coupled through the bulk, the steady-state solution in the compartments depends on the bulk diffusivities, the membrane reaction rates, and the spatial configuration of the cells.</p>
<p>We now use the method of matched asymptotic expansions to construct steady-state solutions for Equation (2.3). In the <italic>j</italic><sup>th</sup> inner region, defined within an <inline-formula><mml:math id="M36"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> neighborhood of the boundary of the <italic>j</italic><sup>th</sup> cell, we introduce the local variables <inline-formula><mml:math id="M37"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>y</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <italic>u</italic><sub><italic>j</italic></sub>(<bold>x</bold>) &#x0003D; <italic>u</italic>(&#x003B5;<bold>y</bold><sub><italic>j</italic></sub> &#x0002B; <bold>x</bold><sub><italic>j</italic></sub>), and <italic>v</italic><sub><italic>j</italic></sub>(<bold>x</bold>) &#x0003D; <italic>v</italic>(&#x003B5;<bold>y</bold><sub><italic>j</italic></sub> &#x0002B; <bold>x</bold><sub><italic>j</italic></sub>), where <italic>p</italic><sub><italic>j</italic></sub> &#x02261; |<bold>y</bold><sub><italic>j</italic></sub>|. Upon writing the steady-state of Equation (2.3a) in terms of the inner variables, for &#x003B5; &#x02192; 0 the steady-state problem in the <italic>j</italic><sup>th</sup> inner region is &#x00394;<italic>u</italic><sub><italic>j</italic></sub> &#x0003D; 0 and &#x00394;<italic>v</italic><sub><italic>j</italic></sub> &#x0003D; 0, for <italic>p</italic><sub><italic>j</italic></sub> &#x02265; 1, subject to <inline-formula><mml:math id="M38"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M39"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> on <italic>p</italic><sub><italic>j</italic></sub> &#x0003D; 1. The radially symmetric solutions to these problems are
<disp-formula id="E27"><label>(2.5)</label><mml:math id="M40"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
for <italic>j</italic> &#x02208; {1, &#x02026;, <italic>m</italic>}, where <inline-formula><mml:math id="M42"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M43"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> for <italic>j</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>m</italic> are constants to be determined. Upon substituting (Equation 2.5) into the steady-state problem of Equation (2.3c), we obtain for the <italic>j</italic><sup>th</sup> cell that
<disp-formula id="E29"><label>(2.6)</label><mml:math id="M44"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Next, we must determine <inline-formula><mml:math id="M46"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M47"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> by matching the far-field behavior of the inner solutions (Equation 2.5) to the outer solutions defined in the bulk region.</p>
<p>In the limit &#x003B5; &#x02192; 0, in the bulk region the compartments formally shrink to points and from the far-field behavior of Equation (2.5), when written in outer variables, we obtain that the steady-state bulk species <italic>U</italic> satisfies</p>
<disp-formula id="E31"><label>(2.7a)</label><mml:math id="M48"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E33"><label>(2.7b)</label><mml:math id="M50"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">as&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003BD; &#x02261; &#x02212;1/log &#x003B5; &#x0226A; 1 and <inline-formula><mml:math id="M52"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>. Similarly, with <inline-formula><mml:math id="M53"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula>, for the bulk species <italic>V</italic> we have that</p>
<disp-formula id="E35"><label>(2.8a)</label><mml:math id="M54"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E37"><label>(2.8b)</label><mml:math id="M56"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">as&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>To represent solutions to (2.7) and (2.8), we introduce the <italic>reduced-wave</italic> Green&#x00027;s function <italic>G</italic><sub>&#x003C9;</sub>(<bold>x</bold>, <bold>x</bold><sub><italic>j</italic></sub>) that satisfies</p>
<disp-formula id="E39"><label>(2.9a)</label><mml:math id="M58"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E41"><label>(2.9b)</label><mml:math id="M60"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>o</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">as&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Here <italic>R</italic><sub>&#x003C9;</sub>(<bold>x</bold><sub><italic>j</italic></sub>) is the regular, or non-singular, part of the singularity at <bold>x</bold> &#x0003D; <bold>x</bold><sub><italic>j</italic></sub>. The solutions to (2.7) and (2.8) are represented as</p>
<disp-formula id="E42"><label>(2.10)</label><mml:math id="M61"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>U</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The pre-specification of the regular part of each singularity condition in Equations (2.7), (2.8) yields a constraint. These constraints provide algebraic systems for <inline-formula><mml:math id="M62"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M63"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> for <italic>j</italic> &#x02208; {1, &#x02026;, <italic>m</italic>}. By expanding (Equation 2.10) as <bold>x</bold> &#x02192; <bold>x</bold><sub><italic>j</italic></sub>, we enforce that that the non-singular terms in the resulting expression agree with the conditions that are required in Equations (2.7b), (2.8b) for each <italic>j</italic> &#x02208; {1, &#x02026;, <italic>m</italic>}. This leads to linear algebraic systems for <inline-formula><mml:math id="M64"><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold-italic"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M65"><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold-italic"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, given in matrix form by
<disp-formula id="E43"><label>(2.11)</label><mml:math id="M66"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold-italic"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold-italic"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where <inline-formula><mml:math id="M68"><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M69"><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. In Equation (2.11), <inline-formula><mml:math id="M70"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> with either &#x003C9; &#x0003D; &#x003C9;<sub><italic>u</italic></sub> or &#x003C9; &#x0003D; &#x003C9;<sub><italic>v</italic></sub> is the symmetric reduced-wave Greens&#x00027; interaction matrix defined by
<disp-formula id="E45"><label>(2.12)</label><mml:math id="M71"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022F1;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x022EE;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02026;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Here <italic>G</italic><sub>&#x003C9;<italic>ji</italic></sub> &#x0003D; <italic>G</italic><sub>&#x003C9;<italic>ij</italic></sub> &#x02261; <italic>G</italic><sub>&#x003C9;</sub>(<bold>x</bold><sub><italic>j</italic></sub>; <bold>x</bold><sub><italic>i</italic></sub>) for <italic>i</italic> &#x02260; <italic>j</italic>, and <italic>R</italic><sub>&#x003C9;<italic>j</italic></sub> &#x02261; <italic>R</italic><sub>&#x003C9;</sub>(<bold>x</bold><sub><italic>j</italic></sub>) for <italic>j</italic> &#x02208; {1, &#x02026;, <italic>m</italic>}, are obtained from the solution to Equation (2.9).</p>
<p>To determine a nonlinear algebraic system that characterizes our steady-state solution, we solve (Equation 2.11) for <inline-formula><mml:math id="M72"><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold-italic"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M73"><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold-italic"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, and substitute the resulting expressions into Equation (2.6). In this way, we obtain a 2<italic>m</italic> dimensional nonlinear algebraic system for &#x003BC;<sub><italic>j</italic></sub> and &#x003B7;<sub><italic>j</italic></sub>, for <italic>j</italic> &#x0003D; 1, &#x02026;, <italic>m</italic>, given by</p>
<disp-formula id="E46"><label>(2.13a)</label><mml:math id="M74"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;for&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Where <inline-formula><mml:math id="M76"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the unit vector in the <italic>j</italic><sup>th</sup> direction. In Equation (2.13a), &#x00398;<sub><italic>u</italic></sub> and &#x00398;<sub><italic>v</italic></sub> are defined by</p>
<disp-formula id="E48"><label>(2.13b)</label><mml:math id="M77"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>We can simplify our steady-state analysis for the special case where <italic>g</italic>(&#x003BC;, &#x003B7;) is linear and inhibiting in &#x003B7;, with the form
<disp-formula id="E50"><label>(2.14)</label><mml:math id="M79"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where <italic>g</italic><sub>2</sub> &#x02265; 0 is a constant. This specific form applies to Rauch and Millonas [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], FitzHugh and Nagumo [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>], and Gierer and Meinhardt [<xref ref-type="bibr" rid="B46">46</xref>], reaction kinetics, and is relevant for the illustrations of the theory given in Section 4. In this case, we obtain from the second equation in Equation (2.13a) that
<disp-formula id="E51"><label>(2.15)</label><mml:math id="M80"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">where&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Then, from the first equation in Equation (2.13a) we obtain an <italic>m</italic> dimensional nonlinear algebraic system for <inline-formula><mml:math id="M81"><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> given by
<disp-formula id="E52"><label>(2.16)</label><mml:math id="M82"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>g</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Next, we define a symmetric cell arrangement for which the steady-state analysis can be further simplified.</p>
<p>Definition 2.1. A <bold>symmetric cell arrangement</bold> <italic>is defined by the condition that the symmetric Green&#x00027;s matrix</italic> <inline-formula><mml:math id="M83"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> <italic>satisfies the following two properties:</italic>
<list list-type="bullet">
<list-item><p><bold>Property 1:</bold> <bold>e</bold> &#x02261; (1, &#x02026;, 1)<sup><italic>T</italic></sup> <italic>is an eigenvector of</italic> <inline-formula><mml:math id="M84"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> <italic>for all</italic> &#x003C9; &#x0003E; 0<italic>:</italic></p></list-item>
<list-item><p><bold>Property 2:</bold> <italic>The eigenspace of</italic> <inline-formula><mml:math id="M85"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> <italic>orthogonal to</italic> <bold>e</bold> <italic>is independent of</italic> &#x003C9;.</p></list-item>
</list></p>
<p>These two properties certainly hold when <inline-formula><mml:math id="M86"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a circulant matrix. In particular, <inline-formula><mml:math id="M87"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is a circulant matrix when <italic>m</italic> small cells are equidistantly spaced on a ring that is concentric within a circular domain &#x003A9;. Such an arrangement of cells is called a <bold>ring pattern</bold>.</p>
<p>For a symmetric cell arrangement, <inline-formula><mml:math id="M88"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M89"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> have a common eigenspace, and so we can seek a symmetric solution to Equation (2.13) of the form
<disp-formula id="E53"><label>(2.17)</label><mml:math id="M90"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold-italic"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold-italic"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where the scalars &#x003BC;<sub><italic>c</italic></sub>, &#x003B7;<sub><italic>c</italic></sub>, <inline-formula><mml:math id="M91"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M92"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are to be found. Upon substituting (Equation 2.17) into Equation (2.13), we obtain that &#x003BC;<sub><italic>c</italic></sub> and &#x003B7;<sub><italic>c</italic></sub> satisfy the nonlinear algebraic system
<disp-formula id="E54"><label>(2.18)</label><mml:math id="M93"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where &#x003B1;<sub><italic>u</italic></sub> and &#x003B1;<sub><italic>v</italic></sub>, denoting the eigenvalues of &#x00398;<sub><italic>u</italic></sub> and &#x00398;<sub><italic>v</italic></sub> for the eigenvector <bold>e</bold>, respectively, are defined by</p>
<disp-formula id="E55"><label>(2.19a)</label><mml:math id="M94"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Here &#x003BA;<sub><italic>u</italic></sub> and &#x003BA;<sub><italic>v</italic></sub> are the eigenvalues of the Green&#x00027;s matrices for the eigenvector <bold>e</bold>, given by</p>
<disp-formula id="E56"><label>(2.19b)</label><mml:math id="M95"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Moreover, if <italic>g</italic>(&#x003BC;, &#x003B7;) has the specific form in Equation (2.14), we obtain from Equation (2.16) that for a symmetric pattern of cells, there is a symmetric steady-state solution whenever there is a root &#x003BC;<sub><italic>c</italic></sub> to the scalar nonlinear algebraic equation</p>
<disp-formula id="E57"><label>(2.20)</label><mml:math id="M96"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>In summary, for a symmetric pattern of cells, the asymptotic construction of a symmetric steady-state solution for Equation (2.3) is reduced to the much simpler problem of determining a solution to the two-dimensional nonlinear algebraic problem (Equation 2.18) for general reaction kinetics, or to Equation (2.20) when <italic>g</italic> has the specific form in Equation (2.14). In these algebraic problems, the eigenvalues &#x003BA;<sub><italic>u</italic></sub> and &#x003BA;<sub><italic>v</italic></sub>, as needed in Equation (2.19a), are the constant row sums of the Green&#x00027;s matrices for the two bulk species. The bulk diffusivities, the membrane reaction rates, and the spatial configuration of the cells all influence &#x003B1;<sub><italic>u</italic></sub> and &#x003B1;<sub><italic>v</italic></sub>.</p></sec>
<sec>
<title>2.3. Symmetry-breaking bifurcations</title>
<p>To detect any symmetry-breaking pitchfork bifurcation points along the symmetric steady-state solution branch we can perform a linear stability analysis of Equation (2.3) around the steady-state solution and seek &#x003BB; &#x0003D; 0 eigenvalue crossings. An equivalent, but simpler, approach to detect zero-eigenvalue crossings for the linearized problem is to determine bifurcation points associated with the linearization of the nonlinear algebraic system (Equation 2.13) around a symmetric steady-state.</p>
<p>To do so, we introduce the perturbations
<disp-formula id="E58"><label>(2.21)</label><mml:math id="M97"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold-italic"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold-italic"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">A</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
into Equation (2.13) and linearize the resulting system. In this way, we obtain that a symmetry-breaking bifurcation occurs if and only if there is a non-trivial solution to the 2<italic>m</italic> &#x000D7; 2<italic>m</italic> homogeneous linear system
<disp-formula id="E60"><label>(2.22)</label><mml:math id="M99"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
at some point along the symmetric solution branch given by Equation (2.18). In Equation (2.22) we have labeled <inline-formula><mml:math id="M100"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> by <inline-formula><mml:math id="M101"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> when evaluated at &#x003BC; &#x0003D; &#x003BC;<sub><italic>c</italic></sub> and &#x003B7; &#x0003D; &#x003B7;<sub><italic>c</italic></sub>, while <italic>I</italic> is the <italic>m</italic> &#x000D7; <italic>m</italic> identity matrix. For the special case where <italic>g</italic> has the specific form in Equation (2.14), we can solve (Equation 2.22) for <inline-formula><mml:math id="M102"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and reduce (Equation 2.22) to the <italic>m</italic>-dimensional homogeneous linear system
<disp-formula id="E61"><label>(2.23)</label><mml:math id="M103"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Next, by Property 2 for a symmetric cell arrangement, it follows that <inline-formula><mml:math id="M104"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M105"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> have a common orthogonal eigenspace <inline-formula><mml:math id="M106"><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">Q</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">span</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where <inline-formula><mml:math id="M107"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> for <italic>j</italic> &#x02208; {2, &#x02026;, <italic>m</italic>} and <inline-formula><mml:math id="M108"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> for <italic>i</italic> &#x02260; <italic>j</italic>. The eigenvalues of <inline-formula><mml:math id="M109"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M110"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> in this common eigenspace are labeled by
<disp-formula id="E62"><label>(2.24)</label><mml:math id="M111"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
so that
<disp-formula id="E63"><label>(2.25)</label><mml:math id="M112"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
with
<disp-formula id="E64"><label>(2.26)</label><mml:math id="M113"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
By setting <inline-formula><mml:math id="M114"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M115"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> in Equation (2.22), we conclude that a symmetry-breaking bifurcation occurs for the <italic>j</italic><sup>th</sup> mode with <italic>j</italic> &#x02208; {2, &#x02026;, <italic>m</italic>} whenever
<disp-formula id="E65"><label>(2.27)</label><mml:math id="M116"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
has a nontrivial solution. This is equivalent to the condition that
<disp-formula id="E66"><label>(2.28)</label><mml:math id="M117"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
is satisfied at some point along the symmetric solution branch defined by the solution to (2.18).</p>
<p>Finally, for the special case where <italic>g</italic> has the specific form in Equation (2.14), we obtain that there is a symmetry-breaking bifurcation for the <italic>j</italic><sup>th</sup> mode, with <italic>j</italic> &#x02208; {2, &#x02026;, <italic>m</italic>}, when there is a root to the scalar problem
<disp-formula id="E67"><label>(2.29)</label><mml:math id="M118"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
whenever &#x003B7;<sub><italic>c</italic></sub> &#x0003D; <italic>g</italic><sub>1</sub>(&#x003BC;<sub><italic>c</italic></sub>)/(<italic>g</italic><sub>2</sub> &#x0002B; &#x003B1;<sub><italic>v</italic></sub>) where &#x003BC;<sub><italic>c</italic></sub> satisfies (Equation 2.20).</p>
<p>In the examples shown in Section 4 we will use <inline-formula><mml:math id="M119"><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> as the bifurcation parameter to detect whether symmetry-breaking bifurcations can occur along the symmetric solution branch.</p></sec>
<sec>
<title>2.4. A symmetric cell arrangement with two cells</title>
<p>Consider a symmetric cell arrangement with two cells, i.e. <italic>m</italic> &#x0003D; 2, for the special case where <italic>g</italic> has the form in Equation (2.14). Then, to determine all steady-state solutions we need only solve the nonlinear algebraic system (Equation 2.16) for &#x003BC;<sub>1</sub> and &#x003BC;<sub>2</sub>. The symmetric steady-state solution, for which &#x003BC;<sub><italic>c</italic></sub> &#x02261; &#x003BC;<sub>1</sub> &#x0003D; &#x003BC;<sub>2</sub>, is obtained by solving the scalar problem (Equation 2.20). To detect whether symmetry-breaking bifurcations can occur, we note that <inline-formula><mml:math id="M120"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> spans the common eigenspace of <inline-formula><mml:math id="M121"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M122"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> orthogonal to <bold>e</bold>, and that &#x003BA;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; <italic>R</italic><sub>&#x003C9;<sub><italic>u</italic></sub>1</sub> &#x02212; <italic>G</italic><sub>&#x003C9;<sub><italic>u</italic></sub>12</sub> and &#x003BA;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; <italic>R</italic><sub>&#x003C9;<sub><italic>v</italic></sub>1</sub> &#x02212; <italic>G</italic><sub>&#x003C9;<sub><italic>v</italic></sub>12</sub> are the associated eigenvalues for <bold>q</bold><sub>2</sub>. This yields that the root-finding condition (Equation 2.29) becomes
<disp-formula id="E68"><label>(2.30)</label><mml:math id="M123"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where in terms of the entries of the Green&#x00027;s matrices we have
<disp-formula id="E69"><label>(2.31)</label><mml:math id="M124"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
To detect any pitchfork bifurcation points on the symmetric steady-state branch parameterized by <inline-formula><mml:math id="M126"><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> we numerically solve (Equation 2.20) together with Equation (2.30). In Section 4 we illustrate this approach for certain reaction kinetics when &#x003A9; is the unit disk. The advantage of considering a disk-shaped confining domain is that the reduced-wave Green&#x00027;s function is known analytically by using separation of variables (see Appendix B). We remark that it would also be readily feasible to illustrate our asymptotic theory for a rectangular-shaped confining domain, since the reduced-wave Green&#x00027;s function is also available analytically for such a domain.</p></sec></sec>
<sec id="s3">
<title>3. The linear stability analysis</title>
<p>In this section, we formulate the linear stability problem for the steady-state solutions constructed in Section 2.2. We denote the bulk steady-state solutions of Section 2.2 by <italic>u</italic><sub><italic>e</italic></sub>(<bold>x</bold>) and <italic>v</italic><sub><italic>e</italic></sub>(<bold>x</bold>), and the steady-state vector of intracellular steady-states by <inline-formula><mml:math id="M127"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M128"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>To formulate the linear stability problem, we first introduce the perturbations
<disp-formula id="E71"><mml:math id="M129"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">for&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
into Equation (2.3) and linearize the resulting system. This yields the eigenvalue problem</p>
<disp-formula id="E72"><label>(3.1a)</label><mml:math id="M130"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">bulk</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>\</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x022C3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>\</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x022C3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent='true'><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo stretchy='true'>&#x002DC;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E73"><label>(3.1b)</label><mml:math id="M131"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">reaction fluxes</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E74"><label>(3.1c)</label><mml:math id="M132"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">compartments</mml:mtext></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Here the Jacobian matrix <italic>J</italic><sub><italic>j</italic></sub> of the intracellular kinetics, as well as &#x003A9;<sub><italic>u</italic></sub> and &#x003A9;<sub><italic>v</italic></sub> are defined by</p>
<disp-formula id="E75"><label>(3.2)</label><mml:math id="M133"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>We now use strong localized perturbation theory [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>] to analyze (Equation 3.1) in the limit &#x003B5; &#x02192; 0. In this way we will derive a nonlinear matrix eigenvalue problem, referred to as the globally coupled eigenvalue problem (GCEP), for the discrete eigenvalues &#x003BB; of the linearization. This GCEP will be used to investigate various instabilities of the steady-state solutions constructed in Section 2.2.</p>
<p>In the <inline-formula><mml:math id="M135"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> inner region near the <italic>j</italic><sup>th</sup> cell we introduce the local variables <inline-formula><mml:math id="M136"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>y</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, &#x003D5;<sub><italic>j</italic></sub>(<bold>x</bold>) &#x02261; &#x003D5;(<bold>x</bold><sub><italic>j</italic></sub> &#x0002B; &#x003B5;<bold>y</bold><sub><italic>j</italic></sub>) and &#x003C8;<sub><italic>j</italic></sub>(<bold>x</bold>) &#x02261; &#x003C8;(<bold>x</bold><sub><italic>j</italic></sub> &#x0002B; &#x003B5;<bold>y</bold><sub><italic>j</italic></sub>), with <italic>p</italic><sub><italic>j</italic></sub> &#x0003D; |<bold>y</bold><sub><italic>j</italic></sub>|. Upon writing (Equation 3.1a) in terms of the inner variables, for &#x003B5; &#x02192; 0 we obtain in the <italic>j</italic><sup>th</sup> inner region that &#x00394;&#x003D5;<sub><italic>j</italic></sub> &#x0003D; 0 and &#x00394;&#x003C8;<sub><italic>j</italic></sub> &#x0003D; 0, for <italic>p</italic><sub><italic>j</italic></sub> &#x02265; 1, subject to <inline-formula><mml:math id="M137"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M138"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> on <italic>p</italic><sub><italic>j</italic></sub> &#x0003D; 1. The radially symmetric solutions to these problems are
<disp-formula id="E77"><label>(3.3)</label><mml:math id="M139"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
for <italic>j</italic> &#x02208; {1, &#x02026;, <italic>m</italic>}, where <inline-formula><mml:math id="M141"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M142"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> for <italic>j</italic> &#x02208; {1, &#x02026;, <italic>m</italic>} are constants to be determined. Upon substituting (Equation 3.3) into Equation (3.1c) we obtain, in terms of the Jacobian <italic>J</italic><sub><italic>j</italic></sub> of Equation (3.2), that
<disp-formula id="E79"><label>(3.4)</label><mml:math id="M143"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">for&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
To determine <inline-formula><mml:math id="M144"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M145"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> we must match the far-field behavior of the inner solutions (Equation 3.3) to the outer solutions defined in the bulk region. Similar to the analysis of the steady-state solution, we obtain that</p>
<disp-formula id="E80"><label>(3.5a)</label><mml:math id="M146"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E82"><label>(3.5b)</label><mml:math id="M148"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">as&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003BD; &#x02261; &#x02212;1/log &#x003B5; &#x0226A; 1. Similarly, for the perturbation of the other bulk species we obtain</p>
<disp-formula id="E83"><label>(3.6a)</label><mml:math id="M149"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>\</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>;</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E85"><label>(3.6b)</label><mml:math id="M151"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">as&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The solutions to Equations (3.5), (3.6) are represented as</p>
<disp-formula id="E86"><label>(3.7)</label><mml:math id="M152"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where, to simplify the notation and emphasize the dependence on the eigenvalue parameter &#x003BB;, we have defined</p>
<disp-formula id="E87"><label>(3.8)</label><mml:math id="M153"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>G</italic><sub>&#x003C9;</sub>(<bold>x</bold>; <bold>x</bold><sub><italic>j</italic></sub>) is defined by the solution to Equation (2.9). Upon letting <bold>x</bold> &#x02192; <bold>x</bold><sub><italic>j</italic></sub> in Equation (3.7) and ensuring that the singularity conditions in Equations (3.5b), (3.6b) are satisfied, we obtain a linear algebraic system for the vectors <inline-formula><mml:math id="M154"><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M155"><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, given in matrix form by</p>
<disp-formula id="E88"><label>(3.9)</label><mml:math id="M156"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M158"><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M159"><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. In Equation (3), <inline-formula><mml:math id="M160"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M161"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> denote the reduced-wave Green&#x00027;s matrix given in Equation (2.12) with either &#x003C9; &#x0003D; &#x003A9;<sub><italic>u</italic></sub> or &#x003C9; &#x0003D; &#x003A9;<sub><italic>v</italic></sub>, respectively. Here &#x003A9;<sub><italic>u</italic></sub> and &#x003A9;<sub><italic>v</italic></sub> are defined in terms of &#x003BB; by Equation (3.2).</p>
<p>Assuming that &#x003BB; is not an eigenvalue of <italic>J</italic><sub><italic>j</italic></sub> for any <italic>j</italic> &#x02208; {1, &#x02026;, <italic>m</italic>}, we obtain upon inverting (Equation 3.4) and writing the system in matrix form that</p>
<disp-formula id="E90"><label>(3.10)</label><mml:math id="M162"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M163"><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M164"><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Here K<sub>11</sub>, K<sub>12</sub>, K<sub>21</sub>, and K<sub>22</sub> are the diagonal matrices defined by</p>
<disp-formula id="E91"><label>(3.11a)</label><mml:math id="M165"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">diag</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">diag</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">diag</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">diag</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>with diagonal entries given by</p>
<disp-formula id="E93"><label>(3.11b)</label><mml:math id="M167"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M169"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M170"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Then, upon substituting (Equation 3) into Equation (3.10), we obtain the 2<italic>m</italic> &#x000D7; 2<italic>m</italic> homogeneous algebraic system, which we write in block matrix form as</p>
<disp-formula id="E95"><label>(3.12a)</label><mml:math id="M171"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">where&#x02003;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>with</p>
<disp-formula id="E96"><label>(3.12b)</label><mml:math id="M172"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E98"><label>(3.12c)</label><mml:math id="M174"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">H</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">K</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The nonlinear matrix eigenvalue problem (Equation 3.12) is referred to as the globally coupled eigenvalue problem (GCEP). The GCEP has a nontrivial solution (<bold>c</bold><sup><italic>u</italic></sup>, <bold>c</bold><sup><italic>v</italic></sup>)<italic>T</italic> &#x02260; (<bold>0</bold>, <bold>0</bold>)<sup><italic>T</italic></sup>, if and only &#x003BB; satisfies <inline-formula><mml:math id="M176"><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The set <inline-formula><mml:math id="M177"><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, defined by</p>
<disp-formula id="E100"><label>(3.13)</label><mml:math id="M178"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>is the union of all such roots. Any element <inline-formula><mml:math id="M179"><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> satisfying Re(&#x003BB;) &#x0003E; 0 provides an approximation, valid as &#x003B5; &#x02192; 0, for an unstable discrete eigenvalue of the linearized problem (Equation 3.1). However, if for all <inline-formula><mml:math id="M180"><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> we have Re(&#x003BB;) &#x0003C; 0, then the steady-state solution is linearly stable.</p>
<p>When there is a large number of cells <italic>m</italic>, the determination of the discrete eigenvalues comprising <inline-formula><mml:math id="M181"><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is in general a very challenging numerical problem. A survey of nonlinear matrix eigenvalue problems and available solution strategies that apply to only certain classes of matrices is given in G&#x000FC;ttel and Tisseur [<xref ref-type="bibr" rid="B47">47</xref>] and Betcke et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref>]. Specific applications of nonlinear matrix problems in simpler contexts where <inline-formula><mml:math id="M182"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is either a polynomial or a rational function of &#x003BB; are discussed in Betcke et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B49">49</xref>]. Since for our problem, <inline-formula><mml:math id="M183"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is not symmetric and has a complicated dependence on the eigenvalue parameter through the Green&#x00027;s matrices and from the diagonal K matrices of Equation (3.11), these previously developed numerical strategies are not applicable for computing the set <inline-formula><mml:math id="M184"><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Equation (3.13) for a steady-state solution with an arbitrary collection of cells.</p>
<p>For a symmetric steady-state solution corresponding to a symmetric cell arrangement, we now verify that the condition <inline-formula><mml:math id="M185"><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> in Equation (3.12) is equivalent to the zero-eigenvalue crossing condition derived in Equation (2.22), which was based on a linearization of the nonlinear algebraic system around the symmetric steady-state. When &#x003BB; &#x0003D; 0, we have</p>
<disp-formula id="E101"><mml:math id="M186"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>c</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x00398;<sub><italic>u</italic></sub> and &#x00398;<sub><italic>v</italic></sub> are defined in Equation (2.13b). Since K<sub>11</sub>, K<sub>12</sub>, K<sub>22</sub>, and K<sub>21</sub> are all multiples of the identity for a symmetric steady-state, we obtain from Equation (3.12) together with Equation (3) that when &#x003BB; &#x0003D; 0 we have in block matrix form</p>
<disp-formula id="E102"><label>(3.14)</label><mml:math id="M187"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Here we have re-defined the scalars <italic>K</italic><sub>11</sub>, <italic>K</italic><sub>12</sub>, <italic>K</italic><sub>21</sub>, and <italic>K</italic><sub>22</sub> by K<sub>11</sub> &#x0003D; <italic>K</italic><sub>11</sub><italic>I</italic>, K<sub>12</sub> &#x0003D; <italic>K</italic><sub>12</sub><italic>I</italic>, K<sub>21</sub> &#x0003D; <italic>K</italic><sub>21</sub><italic>I</italic>, and K<sub>22</sub> &#x0003D; <italic>K</italic><sub>22</sub><italic>I</italic>. When &#x003BB; &#x0003D; 0, we calculate that</p>
<disp-formula id="E103"><mml:math id="M188"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">where&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Finally, upon multiplying (Equation 3.14) by <italic>J</italic><sub><italic>c</italic></sub>, and using <inline-formula><mml:math id="M189"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">K</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we readily obtain that</p>
<disp-formula id="E104"><label>(3.15)</label><mml:math id="M190"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>which is precisely the same as in Equation (2.22).</p>
<sec>
<title>3.1. Re-formulation of the linear stability problem</title>
<p>A simpler formulation of the linear stability problem that applies to both symmetric and asymmetric steady-state solutions can be done when <italic>g</italic> has the specific form in Equation (2.14). In this situation, we can write (Equation 3.4) in the form
<disp-formula id="E105"><mml:math id="M191"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Then, upon relating <inline-formula><mml:math id="M192"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M193"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> to &#x003B6;<sub><italic>j</italic></sub> and &#x003BE;<sub><italic>j</italic></sub> by using Equation (3), we obtain in matrix form that
<disp-formula id="E106"><label>(3.16)</label><mml:math id="M194"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B6;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Where &#x00398;<sub><italic>u</italic>,&#x003BB;</sub>,&#x00398;<sub><italic>v</italic>,&#x003BB;</sub>, and the diagonal matrices &#x0039B;<sub>2</sub>, &#x0039B;<sub>3</sub>, and &#x0039B;<sub>4</sub> are defined by</p>
<disp-formula id="E107"><label>(3.17a)</label><mml:math id="M195"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E109"><label>(3.17b)</label><mml:math id="M197"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">diag</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">diag</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">diag</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Upon eliminating &#x003B6; in Equation (3.16), we obtain the following nonlinear eigenvalue problem for the case where <italic>g</italic> has the form in Equation (2.14):
<disp-formula id="E111"><label>(3.18)</label><mml:math id="M199"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x003BE;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mn>0</mml:mn></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">where&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Observe that setting <inline-formula><mml:math id="M200"><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> involves root-finding on the determinant of a matrix of size <italic>m</italic> &#x000D7; <italic>m</italic> rather than that for the larger 2<italic>m</italic> &#x000D7; 2<italic>m</italic> matrix, as needed for Equation (3.13).</p>
<p>The characterization (Equation 3.18) is particularly useful for determining the linear stability properties of a symmetric steady-state for a symmetric cell arrangement when <italic>g</italic> has the form in (2.14). For a symmetric steady-state with &#x003BB; &#x0003D; 0, we obtain from Equation (3.17) that <inline-formula><mml:math id="M201"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M202"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M203"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi></mml:math></inline-formula>. From Equation (3.18), this yields that
<disp-formula id="E112"><mml:math id="M204"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Since &#x00398;<sub><italic>u</italic>,&#x003BB;</sub> &#x0003D; &#x00398;<sub><italic>u</italic></sub> and &#x00398;<sub><italic>v</italic>,&#x003BB;</sub> &#x0003D; &#x00398;<sub><italic>v</italic></sub> when &#x003BB; &#x0003D; 0, where &#x00398;<sub><italic>u</italic></sub> and &#x00398;<sub><italic>v</italic></sub> were defined in Equation (2.13b), we obtain that the condition <inline-formula><mml:math id="M205"><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> is equivalent to the formulation (Equation 2.23) derived in Section 2.3, which was based on linearizing the nonlinear algebraic system around the symmetric steady-state solution.</p>
<p>For a symmetric steady-state solution of a symmetric cell arrangement, one key advantage of the re-formulation (Equation 3.18) is that the discrete eigenvalues of the linearization (Equation 3.1) can be determined by finding the union of the roots of <italic>m</italic> scalar problems. This is done by using <inline-formula><mml:math id="M206"><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x0220F;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where &#x003C3;<sub><italic>j</italic></sub>(&#x003BB;) for <italic>j</italic> &#x0003D; {1, &#x02026;, <italic>m</italic>} are the eigenvalues of <inline-formula><mml:math id="M207"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. More specifically, since <inline-formula><mml:math id="M208"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M209"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> have the common eigenspace</p>
<disp-formula id="E113"><label>(3.19a)</label><mml:math id="M210"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>;</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">G</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>the eigenvalue &#x003C3;<sub>1</sub>(&#x003BB;) corresponding to <bold>e</bold> and the eigenvalues &#x003C3;<sub><italic>j</italic></sub>(&#x003BB;) corresponding to <bold>q</bold><sub><italic>j</italic></sub>, for <italic>j</italic> &#x02208; {2, &#x02026;, <italic>m</italic>} are readily calculated. A simple calculation yields that</p>
<disp-formula id="E115"><label>(3.20a)</label><mml:math id="M212"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E116"><label>(3.20b)</label><mml:math id="M213"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where we have defined</p>
<disp-formula id="E118"><label>(3.20c)</label><mml:math id="M215"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E120"><label>(3.20d)</label><mml:math id="M217"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>&#x003BD;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>With this re-formulation, for a symmetric steady-state of a symmetric cell arrangement, and with <italic>g</italic> of the form in Equation (2.14), the set of discrete eigenvalues of the linearization, <inline-formula><mml:math id="M219"><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, in Equation (3.13) can be written conveniently as
<disp-formula id="E122"><label>(3.21)</label><mml:math id="M220"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0222A;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x022C3;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
In summary, to determine the linear stability properties of this symmetric steady-state solution we need only solve <italic>m</italic> scalar root-finding problems and determine whether there are any roots in Re(&#x003BB;) &#x0003E; 0. This is considerably more tractable numerically than performing a root-finding based on the determinant of the GCEP in Equation (3.18).</p></sec></sec>
<sec id="s4">
<title>4. Illustrations of the theory: A ring pattern of cells</title>
<p>In this section we illustrate the steady-state and linear stability theory developed in Sections 2.2, 3 for a ring pattern of cells inside unit disk &#x003A9;, for which the Green&#x00027;s function is given analytically in Appendix B. We will show that symmetry-breaking bifurcations can occur for the Rauch and Millonas [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], Gomez-Marin et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>], and Gierer and Meinhardt [<xref ref-type="bibr" rid="B46">46</xref>] reaction kinetics. The theoretical prediction of stable asymmetric patterns will be confirmed through full time-dependent numerical simulations of Equation (2.3) computed using FlexPDE [<xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>].</p>
<p>For a ring pattern of <italic>m</italic> cells in the unit disk with ring radius <italic>r</italic>, with 0 &#x0003C; <italic>r</italic> &#x0003C; 1, the cell centers are located at
<disp-formula id="E123"><label>(4.1)</label><mml:math id="M221"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo class="qopname">cos</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo class="qopname">sin</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo class="qopname">&#x02026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
For a ring pattern of cells, all Green matrices are symmetric and circulant and have the common eigenspace
<disp-formula id="E124"><mml:math id="M222"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">with&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">exp</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">and&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
which are a basis of &#x02102;<sup><italic>m</italic></sup>. In Equation (B.2) of Appendix B we summarize how to obtain the matrix spectrum of a symmetric and circulant matrix that has a real-valued basis for the eigenspace.</p>
<p>In our illustrations of the theory below, we will assume for simplicity that the membrane reaction rates satisfy
<disp-formula id="E125"><label>(4.2)</label><mml:math id="M223"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">with&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
and that <italic>g</italic>(&#x003BC;, &#x003B7;) has the specific form in Equation (2.14). We will focus on a two-cell ring pattern in the unit disk, as shown schematically in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>, for three specific reaction kinetics.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p>A schematic plot of a ring pattern in the unit disk with two cells. The bifurcation parameter for symmetry-breaking is &#x003C1;, while the diffusivities satisfy <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0002.tif"/>
</fig>
<p>To numerically implement our asymptotic theory, the steady-state solution branches are computed from Equation (2.16) with <italic>m</italic> &#x0003D; 2 using the parameter continuation software MatCont [<xref ref-type="bibr" rid="B51">51</xref>], while the symmetric solution branch is obtained from Equation (2.20). Symmetry-breaking bifurcation points in &#x003C1; along the symmetric branch are identified by numerically solving (Equation 2.30) together with Equation (2.20). Finally, to determine the linear stability properties of the symmetric branch we need only determine if there exists a &#x003BB; with Re(&#x003BB;) &#x0003E; 0 in the set <inline-formula><mml:math id="M224"><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> given in Equation (3.21). For <italic>m</italic> &#x0003D; 2, this is done by calculating all the roots of &#x003C3;<sub>1</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0 and &#x003C3;<sub>2</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0 by using Equation (3.20) and the explicit expressions for the eigenvalues of the Green&#x00027;s matrices as can be obtained from Appendix B.</p>
<sec>
<title>4.1. Gierer-Meinhardt reaction kinetics</title>
<p>We consider a prototypical Gierer-Meinhardt model (GM), where the nonlinear reaction kinetics are confined within the compartments. The original GM model, introduced in Gierer and Meinhardt [<xref ref-type="bibr" rid="B46">46</xref>] and Gierer [<xref ref-type="bibr" rid="B52">52</xref>] to model pattern formation in biological morphogenesis, has the form
<disp-formula id="E126"><mml:math id="M225"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003F1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
This model disregards that in biological tissues morphogen-producing reactions mostly occur intracellularly and on the membranes of cells. For simplicity, we illustrate our compartmental-reaction diffusion theory for the specific case where &#x003F1;<sub>0</sub> &#x02261; 0, <italic>c</italic><sub><italic>u</italic></sub>&#x003F1;<sub><italic>u</italic></sub>(<italic>x</italic>) &#x02261; 1, and <italic>c</italic><sub><italic>v</italic></sub>&#x003F1;<sub><italic>v</italic></sub> &#x02261; 1. When there is no bulk diffusion, the compartments are uncoupled from the bulk and we impose the intracellular reaction kinetics
<disp-formula id="E127"><label>(4.3)</label><mml:math id="M226"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
The uncoupled equilibrium for Equation (4.3) given by &#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub> &#x0003D; 0, and where &#x003B7;<sub><italic>e</italic></sub> is an arbitrary constant, is non-hyberbolic in all directions.</p>
<p>To apply the bulk-cell steady-state analysis of Section 2 for a two-cell ring pattern, we first identify that <italic>g</italic>(&#x003BC;, &#x003B7;) &#x0003D; <italic>g</italic><sub>1</sub>(&#x003BC;) &#x02212; <italic>g</italic><sub>2</sub>&#x003B7;, where <inline-formula><mml:math id="M227"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and <italic>g</italic><sub>2</sub> &#x0003D; 0. For <italic>m</italic> &#x0003D; 2, we conclude from Equation (2.16) that all steady-states of the bulk-cell system are associated with the nonlinear algebraic problem
<disp-formula id="E128"><label>(4.4)</label><mml:math id="M228"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
The symmetric equilibrium (&#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub>, &#x003B7;<sub><italic>e</italic></sub>), which satisfies (Equation 2.20), is readily calculated as
<disp-formula id="E129"><label>(4.5)</label><mml:math id="M229"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where &#x003B1;<sub><italic>u</italic></sub> and &#x003B1;<sub><italic>v</italic></sub> are defined in Equation (2.19). By combining (Equation 4.5) with Equation (2.30), we conclude that a symmetry-breaking bifurcation from the symmetric steady-state occurs whenever the condition
<disp-formula id="E130"><label>(4.6)</label><mml:math id="M230"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
is satisfied at some point along the symmetric solution branch. Here <inline-formula><mml:math id="M231"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M232"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> were defined in (2.31).</p>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, Left we plot the bifurcation diagram of solutions to Equation (4.4) for a parameter set where <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> and with the other parameter values as in the figure caption. We observe that a supercritical symmetry-breaking pitchfork bifurcation from the symmetric branch occurs at the critical value &#x003C1; &#x0003D; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x02248; 9.79168. In <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> we show full PDE results for Equation (2.3) computed with FlexPDE [<xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>] for values of &#x003C1; on either side of this theoretically predicted bifurcation value. In the left panels of this figure, we observe that when &#x003C1; &#x0003D; 5 &#x0003C; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub>, an initial perturbation of the symmetric steady-state converges back to the symmetric steady-state as time increases. In contrast, when &#x003C1; &#x0003D; 15 &#x0003E; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub>, we observe from the <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>, Right that, for an initial condition near the symmetric steady-state, the time-dependent PDE solution converges as time increases to the asymmetric steady-state predicted in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, Left.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p><bold>Left:</bold> 3-D Bifurcation diagram, computed from Equation (4.4), showing symmetric and asymmetric steady-states of a two-cell ring pattern with ring radius <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5 and GM kinetics (Equation 4.3). Asymmetric steady-states emerge at the supercritical pitchfork bifurcation point &#x003C1; &#x0003D; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x02248; 9.79168 along the symmetric branch. <bold>Right:</bold> The pitchfork bifurcation value of &#x003C1; increases rapidly as the ring radius <italic>r</italic>, and consequently the distance between the cells, increases. The dots are the values computed from Equation (4.6), while the curve is the interpolation by the plotting function in Bezanson et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B53">53</xref>]. Parameters: <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 5, &#x003C3;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; &#x003C3;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0.6, <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.09, and &#x003B5; &#x0003D; 0.03.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0003.tif"/>
</fig>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p>Full numerical PDE simulation results of Equation (2.3) with FlexPDE [<xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>] for GM kinetics Equation (4.3). The bottom panels show the concentration of <italic>u</italic>. <bold>Left:</bold> convergence to the symmetric branch for &#x003C1; &#x0003D; 5 before the supercritical pitchfork point &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x0003D; 9.79168, for an initial condition close to the symmetric branch. <bold>Right:</bold> convergence to the asymmetric branch selected by the eigenperturbation direction <inline-formula><mml:math id="M233"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> for &#x003C1; &#x0003D; 15 and starting near the symmetric branch. Parameters: <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 5, &#x003C3;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; &#x003C3;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0.6, <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.09, &#x003B5; &#x0003D; 0.03, and <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0004.tif"/>
</fig>
<p>In the <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, Right we show that the pitchfork bifurcation value for the emergence of asymmetric steady-states increases substantially when the ring radius for the two-cell pattern increases. As a result, we conclude that for cells that are farther apart, a larger value of &#x003C1; is needed to create a stable asymmetric pattern.</p>
<p>We now show that by varying the membrane reaction rate <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub>, which necessarily varies the membrane reaction rate to the <italic>v</italic>-species according to <italic>d</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; &#x003C1;<italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub>, the steady-state solution branches with GM kinetics (Equation 4.3) computed from Equation (4.4) can exhibit a hysteresis structure for low <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub>. The numerical results of <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> show such a hysteretic bifurcation structure between the asymmetric and symmetric solution branches for two values of <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub>. We observe that as <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> decreases the extent of the hysteresis increases. The range where hysteresis occurs is given by the separation &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x02212; &#x003C1;<sub><italic>s</italic></sub> between the pitchfork point &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> and the secondary fold bifurcation point &#x003C1;<sub><italic>s</italic></sub> along each asymmetric branch. Numerical results for this range for a parameter set where hysteresis occurs when <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003C; 0.09 is given in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p>3-D Bifurcation diagram, computed from Equation (4.4), for symmetric and asymmetric steady-states of a two-cell ring pattern with ring radius <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5 and two different values of <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> with GM kinetics (4.3). <bold>Left:</bold> <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.08. <bold>Right:</bold> <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.05. For these values of <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub>, the steady-states exhibit hysteresis, i.e., a subcritical pitchfork bifurcation occurs from the symmetric equilibrium branch, with the emerging unstable asymmetric equilibrium branches regaining stability at a secondary fold point. Observe that the extent of the hysteresis increases when <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> decreases. Parameters: <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 5, &#x003C3;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; &#x003C3;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0.6, &#x003B5; &#x0003D; 0.03, and <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0005.tif"/>
</fig>
<table-wrap position="float" id="T1">
<label>Table 1</label>
<caption><p>Numerical values (rounded to 5th decimal place) of the subcritical (or supercritical) pitchfork bifurcation point &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub>, the fold bifurcation point &#x003C1;<sub><italic>s</italic></sub>, and the associated values for the symmetric &#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub> and one of the asymmetric (&#x003BC;<sub><italic>e</italic>1</sub>, &#x003BC;<sub><italic>e</italic>2</sub>) solution branches.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">0.05</td>
<td valign="top" align="center">0.06</td>
<td valign="top" align="center">0.07</td>
<td valign="top" align="center">0.08</td>
<td valign="top" align="center">0.09</td>
<td valign="top" align="center">0.1</td>
<td valign="top" align="center">0.11</td>
<td valign="top" align="center">0.12</td>
<td valign="top" align="center">0.13</td>
<td valign="top" align="center">0.135</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">7.70971</td>
<td valign="top" align="center">7.66508</td>
<td valign="top" align="center">11.42015</td>
<td valign="top" align="center">8.62258</td>
<td valign="top" align="center">9.79168</td>
<td valign="top" align="center">11.81838</td>
<td valign="top" align="center">15.65552</td>
<td valign="top" align="center">24.82347</td>
<td valign="top" align="center">70.62460</td>
<td valign="top" align="center">&#x0003E;1000 or &#x02204;</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">2.78094</td>
<td valign="top" align="center">2.54938</td>
<td valign="top" align="center">3.21380</td>
<td valign="top" align="center">2.28060</td>
<td valign="top" align="center">2.19994</td>
<td valign="top" align="center">2.14061</td>
<td valign="top" align="center">2.09668</td>
<td valign="top" align="center">2.06422</td>
<td valign="top" align="center">2.04050</td>
<td/>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003C1;<sub><italic>s</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">6.27944</td>
<td valign="top" align="center">6.93251</td>
<td valign="top" align="center">6.82631</td>
<td valign="top" align="center">8.60260</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003BC;<sub><italic>e</italic>1</sub></td>
<td valign="top" align="center">3.27136</td>
<td valign="top" align="center">3.09001</td>
<td valign="top" align="center">3.45845</td>
<td valign="top" align="center">2.56189</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003BC;<sub><italic>e</italic>2</sub></td>
<td valign="top" align="center">1.12375</td>
<td valign="top" align="center">1.34489</td>
<td valign="top" align="center">0.87895</td>
<td valign="top" align="center">1.93057</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
<td valign="top" align="center">-</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<p>As <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> increases from 0.05, the range of &#x003C1; where hysteresis occurs decreases, until a supercritical pitchfork bifurcation occurs when <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x02248; 0.85. Parameters: <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 5, &#x003C3;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; &#x003C3;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0.6, &#x003B5; &#x0003D; 0.03, <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5.</p>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
<p>For the parameter set with <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.05, which corresponds to the bifurcation diagram shown in the <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>, Right, the full time-dependent computations of Equation (2.3) with FlexPDE [<xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>], as shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>, illustrate that for an initial condition near the symmetric steady-state branch, and with &#x003C1; either satisfying &#x003C1; &#x0003C; &#x003C1;<sub><italic>s</italic></sub> or &#x003C1;<sub><italic>s</italic></sub> &#x0003C; &#x003C1; &#x0003C; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub>, the time-dependent solution converges to the stable symmetric steady-state solution. However, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>, Left, for an initial condition near the asymmetric branch when &#x003C1; is in the hysteresis region &#x003C1;<sub><italic>s</italic></sub> &#x0003C; &#x003C1; &#x0003C; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub>, the time-dependent solution converges to the asymmetric steady-state. Moreover, if &#x003C1; &#x0003E; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub>, the <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref>, Right shows that for an initial condition near the unstable symmetric steady-state the time-dependent solution converges to the asymmetric steady-state solution.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>Figure 6</label>
<caption><p>Full numerical simulation results of Equation (2.3) with FlexPDE [<xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>] for GM kinetics (Equation 4.3). <bold>Left:</bold> for an initial condition near the symmetric branch we observe convergence to the symmetric branch when &#x003C1; &#x0003D; 4, which is before the hysteresis region bounded by the fold point &#x003C1;<sub><italic>s</italic></sub> &#x02248; 6.27945 and the subcritical pitchfork point &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x02248; 7.70971. <bold>Right:</bold> convergence to the symmetric branch for &#x003C1; &#x0003D; 7.2, which lies on the range &#x003C1;<sub><italic>s</italic></sub> &#x0003C; &#x003C1; &#x0003C; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub>, when starting near the symmetric branch. The bottom panels show the concentration of <italic>u</italic>. Parameters: <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 5, &#x003C3;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; &#x003C3;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0.6, <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.05, &#x003B5; &#x0003D; 0.03, <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0006.tif"/>
</fig>
<fig id="F7" position="float">
<label>Figure 7</label>
<caption><p>Full numerical simulation results of Equation (2.3) with FlexPDE [<xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>] for GM kinetics (Equation 4.3). <bold>Left:</bold> convergence to the asymmetric branch for an initial condition near this branch when &#x003C1; &#x0003D; 7.2 lies in the hysteresis region between the fold point &#x003C1;<sub><italic>s</italic></sub> &#x02248; 6.27945 and the subcritical pitchfork point &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x02248; 7.70971. <bold>Right:</bold> convergence to an asymmetric steady-state as selected by a small initial perturbation of the symmetric solution in the direction q<sub>2</sub> &#x0003D; (1, &#x02212;1) when &#x003C1; &#x0003D; 15 &#x0003E; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub>. The bottom panels show the concentration of <italic>u</italic>. Parameters: <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 5, &#x003C3;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; &#x003C3;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0.6, <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.05, &#x003B5; &#x0003D; 0.03, and <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0007.tif"/>
</fig>
<p>To determine the linear stability properties of the symmetric steady-state solution branch as &#x003C1; is varied in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figures 3</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F5">5</xref> we must determine the eigenvalues &#x003BB; in the set (3.21). This is done by numerically computing the largest roots to &#x003C3;<sub>1</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0 and to &#x003C3;<sub>2</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0, as defined in Equation (3.20). In <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> we plot these roots vs. &#x003C1; for two values of <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub>. From this figure, we observe that in-phase perturbations of the symmetric steady-state solution branch, as determined by the roots of &#x003C3;<sub>1</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0, are always linearly stable. In contrast, anti-phase perturbations of the symmetric steady-state, as characterized by the roots of &#x003C3;<sub>2</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0, are linearly stable only for &#x003C1; &#x0003C; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub>, where &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> is the symmetry-breaking threshold. For &#x003C1; &#x0003E; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub>, the symmetric steady-state solution branch is unstable to an anti-phase eigenperturbation <inline-formula><mml:math id="M234"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>Figure 8</label>
<caption><p>Plots of the numerically computed largest roots of &#x003C3;<sub>1</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0 and &#x003C3;<sub>2</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0 vs. &#x003C1;, as defined in Equation (3.20), that determine the linear stability properties to either in-phase e &#x0003D; (1, 1)<sup><italic>T</italic></sup> or anti-phase <inline-formula><mml:math id="M238"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> eigenperturbations of the symmetric steady-state solution, respectively. <bold>Left:</bold> for <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.09 we have &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x02248; 9.79168. <bold>Right:</bold> for <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.05 we have &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x02248; 7.70971. Observe that in-phase eigenperturbations are always linearly stable, whereas anti-phase eigenperturbations are linearly stable only on the range &#x003C1; &#x0003C; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> before the pitchfork point &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub>. Parameters: <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 5, &#x003C3;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; &#x003C3;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0.6, &#x003B5; &#x0003D; 0.03, <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0008.tif"/>
</fig>
<p>Next, to study the linear stability properties of the asymmetric steady-state solution branches we must determine whether the root-finding condition <inline-formula><mml:math id="M235"><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> in Equation (3.18) yields an eigenvalue with Re&#x003BB; &#x0003E; 0. The numerical results shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref> for <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.05 (corresponding to in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>, Right), establishes that the asymmetric branch on the subcritical range &#x003C1;<sub><italic>s</italic></sub> &#x0003C; &#x003C1; &#x0003C; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub>, which emanates from the symmetric steady-state branch, is unstable. However, as observed from <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>, the upper portion of the asymmetric branch for &#x003C1; &#x0003E; &#x003C1;<sub><italic>s</italic></sub> is linearly stable.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>Figure 9</label>
<caption><p>Zero-crossings of <inline-formula><mml:math id="M255"><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, as defined in Equation (3.18), determine the linear stability properties of an asymmetric steady-state solution with two cells. On the range &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x0003C; &#x003C1; &#x0003C; &#x003C1;<sub><italic>s</italic></sub>, before the secondary fold point along the asymmetric branch, we observe that &#x003BB; &#x0003E; 0. This implies that the subcritical portion of the asymmetric steady-state branch between the pitchfork point and the fold point is unstable. Further along past the fold point the asymmetric branch regains stability. Parameters: <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 5, &#x003C3;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; &#x003C3;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0.6, <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.05, &#x003B5; &#x0003D; 0.03, <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0009.tif"/>
</fig>
<p>We now explore how the pitchfork bifurcation point depends on decreasing values of the diffusion coefficient ratio <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> when <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.09. When this ratio is unity, there was no hysteresis between the symmetric and asymmetric steady-state solution branches (see <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>). We remark that a similar numerical experiment was performed in Section 2.3 of Pelz and Ward [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>] for a 1-D compartmental-reaction diffusion model with GM kinetics with dynamically reactive boundaries. In our 2-D setting, we observe from the numerical results in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref> that a symmetry-breaking bifurcation can occur on the range <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003C; 1, but only up until some minimum diffusion ratio threshold at which the pitchfork bifurcation point given by the root of Equation (4.6) no longer exists. In addition, we observe that reducing the diffusion ratio threshold <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> below unity for fixed <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.09 does not introduce new hysteresis behavior, and the symmetry-breaking bifurcation remains supercritical.</p>
<table-wrap position="float" id="T2">
<label>Table 2</label>
<caption><p>Decreasing the ratio <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> does not trigger hysteresis when <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.09, but rather there is a minimum threshold of the diffusivity ratio where the symmetry-breaking pitchfork bifurcation point exists.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">0.42</td>
<td valign="top" align="center">0.43</td>
<td valign="top" align="center">0.5</td>
<td valign="top" align="center">0.6</td>
<td valign="top" align="center">0.8</td>
<td valign="top" align="center">1</td>
<td valign="top" align="center">1.2</td>
<td valign="top" align="center">1.4</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x0003E;1000 or &#x02204;</td>
<td valign="top" align="center">573.56743</td>
<td valign="top" align="center">38.45836</td>
<td valign="top" align="center">19.56926</td>
<td valign="top" align="center">12.06861</td>
<td valign="top" align="center">9.79168</td>
<td valign="top" align="center">8.69082</td>
<td valign="top" align="center">8.04185</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub></td>
<td/>
<td valign="top" align="left">2.32310</td>
<td valign="top" align="center">2.29271</td>
<td valign="top" align="center">2.26170</td>
<td valign="top" align="center">2.22305</td>
<td valign="top" align="center">2.19994</td>
<td valign="top" align="center">2.18456</td>
<td valign="top" align="center">2.17360</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003C1;<sub><italic>f</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003BC;<sub><italic>e</italic>1</sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">&#x003BC;<sub><italic>e</italic>2</sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
<td valign="top" align="center">&#x02013;</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<p>The numerical values for the pitchfork point (&#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub>, &#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub>) on the symmetric steady-state branch are again rounded to the 5th decimal place. Parameters: <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 5, &#x003C3;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; &#x003C3;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0.6, <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.09, &#x003B5; &#x0003D; 0.03, <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5.</p>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
<p>Next, we set <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.08 where hysteresis occurs when <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 1, and we vary this diffusion ratio to determine whether hysteresis can be eliminated. Our numerical results in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref> and <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref> indicates that varying <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> does not eliminate the hysteresis between the symmetric and asymmetric steady-state branches. However, the extent of the hysteresis decreases as the ratio <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> increases.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>Figure 10</label>
<caption><p>Effect of the diffusivity ratio <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> of the two bulk species on the extent of the hysteresis when <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.08, as measured by the distance between the fold bifurcation points and the subcritical pitchfork bifurcation point <bold>(Left)</bold> and by the distance of the two asymmetric equilibria &#x003BC;<sub><italic>e</italic>1</sub> and &#x003BC;<sub><italic>e</italic>2</sub> from each other <bold>(Right)</bold>. The diffusivity <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 5 is fixed and the remaining parameters are as in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>. The dots are the numerically computed values using MatCont [<xref ref-type="bibr" rid="B51">51</xref>] that are interpolated by the plotting function in Julia [<xref ref-type="bibr" rid="B53">53</xref>].</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0010.tif"/>
</fig>
<table-wrap position="float" id="T3">
<label>Table 3</label>
<caption><p>Increasing the diffusivity ratio <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> when <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.08 does not eliminate hysteresis, as the symmetry-breaking bifurcation point remains subcritical.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">0.37</td>
<td valign="top" align="center">0.38</td>
<td valign="top" align="center">0.4</td>
<td valign="top" align="center">0.6</td>
<td valign="top" align="center">0.8</td>
<td valign="top" align="center">1</td>
<td valign="top" align="center">3</td>
<td valign="top" align="center">5</td>
<td valign="top" align="center">8</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">&#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">&#x0003E;1000 or &#x02204;</td>
<td valign="top" align="center">197.98732</td>
<td valign="top" align="center">72.56533</td>
<td valign="top" align="center">14.30013</td>
<td valign="top" align="center">10.14347</td>
<td valign="top" align="center">8.62258</td>
<td valign="top" align="center">6.13144</td>
<td valign="top" align="center">5.79198</td>
<td valign="top" align="center">5.61640</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub></td>
<td/>
<td valign="top" align="left">2.43797</td>
<td valign="top" align="center">2.42519</td>
<td valign="top" align="center">2.34462</td>
<td valign="top" align="center">2.30457</td>
<td valign="top" align="center">2.28061</td>
<td valign="top" align="center">2.21699</td>
<td valign="top" align="center">2.20432</td>
<td valign="top" align="center">2.19719</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003C1;<sub><italic>f</italic></sub></td>
<td/>
<td valign="top" align="left">188.58078</td>
<td valign="top" align="center">71.25577</td>
<td valign="top" align="center">14.24676</td>
<td valign="top" align="center">10.11612</td>
<td valign="top" align="center">8.60260</td>
<td valign="top" align="center">6.12105</td>
<td valign="top" align="center">5.78264</td>
<td valign="top" align="center">5.60759</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003BC;<sub><italic>e</italic>1</sub></td>
<td/>
<td valign="top" align="left">2.7386611</td>
<td valign="top" align="center">2.72431</td>
<td valign="top" align="center">2.63380</td>
<td valign="top" align="center">2.58881</td>
<td valign="top" align="center">2.56189</td>
<td valign="top" align="center">2.49043</td>
<td valign="top" align="center">2.47619</td>
<td valign="top" align="center">2.46819</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">&#x003BC;<sub><italic>e</italic>2</sub></td>
<td/>
<td valign="top" align="left">2.063782</td>
<td valign="top" align="center">2.05297</td>
<td valign="top" align="center">1.98476</td>
<td valign="top" align="center">1.95085</td>
<td valign="top" align="center">1.93057</td>
<td valign="top" align="center">1.87672</td>
<td valign="top" align="center">1.86599</td>
<td valign="top" align="center">1.85996</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<p>The numerical values for the pitchfork point (&#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub>, &#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub>) on the symmetric equilibrium branch and for one of the fold points (&#x003C1;<sub><italic>s</italic></sub>, &#x003BC;<sub><italic>e</italic>1</sub>, &#x003BC;<sub><italic>e</italic>2</sub>) on the asymmetric branch are again rounded to the 5th decimal place. Parameters: <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 5, &#x003C3;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; &#x003C3;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0.6, <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.08, &#x003B5; &#x0003D; 0.03, <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5.</p>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
<p>To obtain some analytical insight into the disappearance of the pitchfork point as shown in <xref ref-type="table" rid="T2">Tables 2</xref>, <xref ref-type="table" rid="T3">3</xref> when the diffusivity ratio <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> decreases below a threshold, in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref> we plot the function <inline-formula><mml:math id="M236"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> vs. &#x003C1;, representing the left-hand side of the pitchfork bifurcation condition (Equation 4.6), for several values of <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub>, and for either <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.08 (<xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>, Left) or <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.09 (<xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>, Right). From Equation (4.6) a root of <italic>F</italic><sub>&#x003B1;</sub>(&#x003C1;) &#x0003D; 0 corresponds to a symmetry-breaking bifurcation point along the symmetric solution branch. From <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref> we observe that the asymptote of <italic>F</italic><sub>&#x003B1;</sub>(&#x003C1;) as &#x003C1; &#x02192; &#x0221E; is positive when <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> is below a threshold, which eliminates the possibility of a pitchfork bifurcation point.</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>Figure 11</label>
<caption><p>Effect of the diffusivity ratio <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> on the existence of the pitchfork point when <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.08 <bold>(Left)</bold> and <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.09 <bold>(Right)</bold>. The numerical results show that the asymptote of <inline-formula><mml:math id="M256"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> is positive for smaller values of <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub>, as suggested by <xref ref-type="table" rid="T2">Tables 2</xref>, <xref ref-type="table" rid="T3">3</xref>. Therefore, when <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> falls below a threshold, the pitchfork bifurcation condition <italic>F</italic><sub>&#x003B1;</sub>(&#x003C1;) &#x0003D; 0, which is equivalent to Equation (4.6), no longer holds for any &#x003C1; &#x0003E; 0.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0011.tif"/>
</fig></sec>
<sec>
<title>4.2. Rauch-Millonas reaction kinetics</title>
<p>Next, we consider the activator-inhibitor system proposed in Rauch and Millonas [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>] to universally model two-species signal transduction reaction kinetics between cells. This Rauch-Millonas (RM) intracellular kinetics of Rauch and Millonas [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>] is given by
<disp-formula id="E131"><label>(4.7)</label><mml:math id="M237"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02261;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>&#x02261;</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
Since <italic>g</italic> has the form in Equation (2.14), we identify that <italic>g</italic><sub>1</sub>(&#x003BC;) &#x0003D; <italic>c</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0002B; <italic>w</italic><sub><italic>v</italic></sub>&#x003BC; and <italic>g</italic><sub>2</sub> &#x0003D; <italic>q</italic><sub><italic>v</italic></sub>. We will choose a parameter set for which the reaction kinetics when uncoupled from the bulk has a unique linearly stable steady-state.</p>
<p>From Equation (2.16), all steady-states of the bulk-cell model for a two-cell ring pattern are associated with the nonlinear algebraic system
<disp-formula id="E132"><label>(4.8)</label><mml:math id="M239"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
By using Equation (2.20), the symmetric steady-state solution branch is obtained from the solution &#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub> to
<disp-formula id="E135"><label>(4.9)</label><mml:math id="M242"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where &#x003B1;<sub><italic>u</italic></sub> and &#x003B1;<sub><italic>v</italic></sub> are given in Equation (2.19). Symmetry-breaking bifurcation points are obtained by solving the zero-eigenvalue crossing condition (Equation 2.30) together with Equation (4.9). By solving for <italic>w</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; <italic>w</italic><sub><italic>v</italic></sub>(&#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub>) in Equation (2.30), we calculate
<disp-formula id="E136"><label>(4.10)</label><mml:math id="M243"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where <inline-formula><mml:math id="M245"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M246"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are defined in Equation (2.31). By using Equation (4.10) to eliminate &#x003C9;<sub><italic>v</italic></sub> in Equation (4.9) we obtain a nonlinear algebraic equation that determines any symmetry-breaking bifurcation value for &#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub> along the symmetric solution branch. The corresponding bifurcation value for <italic>w</italic><sub><italic>v</italic></sub> is obtained from Equation (4.10).</p>
<p>For the parameter set given in the figure caption, we show in <xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12</xref>, Left that, for the fixed value &#x003C1; &#x0003D; 15, there is a degenerate <italic>w</italic><sub><italic>v</italic></sub>-pitchfork bubble, which is characterized by the emergence of asymmetric steady-state solutions at two values of <italic>w</italic><sub><italic>v</italic></sub>. From the <xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12</xref>, Right we observe that in terms of &#x003C1;, and at a fixed <italic>w</italic><sub><italic>v</italic></sub>, the symmetry-breaking bifurcation is supercritical in &#x003C1;. For the parameter set in <xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12</xref>, Right, we observe from <xref ref-type="fig" rid="F13">Figure 13</xref> that the eigenvalue &#x003BB; determined by the root-finding condition &#x003C3;<sub>2</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0, with &#x003C3;<sub>2</sub> given in Equation (3.20), crosses through zero at the &#x003C1;-pitchfork bifurcation point along the symmetric steady-state branch. As a result, when <inline-formula><mml:math id="M247"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>08723</mml:mn></mml:math></inline-formula>, the symmetric steady-state solution is linearly stable for &#x003C1; &#x0003C; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x0003D; 15, and is unstable on the range &#x003C1; &#x0003E; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x0003D; 15 to eigenperturbations in the direction of <inline-formula><mml:math id="M248"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>.</p>
<fig id="F12" position="float">
<label>Figure 12</label>
<caption><p>3-D Bifurcation diagram, computed from Equation (4.8) using MatCont [<xref ref-type="bibr" rid="B51">51</xref>], for symmetric and asymmetric steady-states of a two-cell ring pattern with ring radius <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5 and with RM kinetics Equation (4.7). <bold>Left:</bold> 3-D Plot of (&#x003BC;<sub><italic>e</italic>1</sub>, &#x003BC;<sub><italic>e</italic>2</sub>) vs. the kinetic parameter <italic>w</italic><sub><italic>v</italic></sub> in Equation (4.7) at a fixed &#x003C1; &#x0003D; <italic>d</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 15, showing that asymmetric steady-states occur inside the degenerate pitchfork bubble delimited by <inline-formula><mml:math id="M257"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>88285</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M258"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>08723</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Note that the bubble lobes are stretching into decreasing <italic>w</italic><sub><italic>v</italic></sub> and that there exists hysteresis at <inline-formula><mml:math id="M259"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>. <bold>Right:</bold> In terms of &#x003C1;, a supercritical pitchfork bifurcation from the symmetric branch occurs when <inline-formula><mml:math id="M260"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>08723</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The asymmetric branches are linearly stable past this bifurcation threshold in &#x003C1;. Parameters: <inline-formula><mml:math id="M261"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>03</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>600</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn></mml:math></inline-formula>, and <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.14.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0012.tif"/>
</fig>
<fig id="F13" position="float">
<label>Figure 13</label>
<caption><p>For the two-cell system with RM kinetics (Equation 4.7) and parameters as in the caption of <xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12</xref> with <inline-formula><mml:math id="M262"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, we plot the eigenvalue &#x003BB;, satisfying &#x003C3;<sub>2</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0 in Equation (3.20), vs. &#x003C1; that determines the linear stability of the symmetric steady-state solution branch to eigenperturbations of the form <inline-formula><mml:math id="M263"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. We observe that the symmetric steady-state branch is unstable only for &#x003C1; &#x0003E; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x0003D; 15. There is no root to &#x003C3;<sub>1</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0 on this range.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0013.tif"/>
</fig></sec>
<sec>
<title>4.3. FitzHugh-Nagumo reaction kinetics</title>
<p>Finally, we consider a ring pattern for the bulk-cell system (Equation 2.3) with two cells and with FitzHugh-Nagumo (FN) intracellular reaction kinetics [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>]. The uncoupled intracellular kinetics are
<disp-formula id="E138"><label>(4.11)</label><mml:math id="M249"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi><mml:mo>&#x02261;</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
with <italic>q</italic> &#x0003E; 0, &#x003B4; &#x0003E; 0 and <italic>z</italic> &#x0003E; 0. Since <italic>g</italic> has the form in Equation (2.14), we identify that <italic>g</italic><sub>1</sub>(&#x003BC;) &#x0003D; &#x003B4;<italic>z</italic> and <italic>g</italic><sub>2</sub> &#x0003D; &#x003B4;.</p>
<p>We will choose a parameter set for which there is a unique linearly stable steady-state of the intra-compartmental dynamics (Equation 4.11). From Equation (2.16), all steady-states of the bulk-cell model for a two-cell ring pattern are obtained from the nonlinear algebraic problem
<disp-formula id="E139"><label>(4.12)</label><mml:math id="M250"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00398;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
The symmetric steady-state solution branch, as characterized by Equation (2.20), is obtained from the root &#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub> of the cubic equation
<disp-formula id="E140"><label>(4.13)</label><mml:math id="M251"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where &#x003B1;<sub><italic>u</italic></sub> and &#x003B1;<sub><italic>v</italic></sub> are given in Equation (2.19). The symmetry-breaking bifurcation condition (Equation 2.30) along the symmetric steady-state solution branch yields that
<disp-formula id="E141"><mml:math id="M252"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>q</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x021D4;</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>z</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>q</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
where <inline-formula><mml:math id="M253"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M254"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A5;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are defined in Equation (2.31). We substitute <italic>z</italic>(&#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub>) into Equation (4.13), and solve the resulting equation numerically for &#x003BC;<sub><italic>e</italic></sub>. For &#x003C1; &#x0003D; 150, and with the parameters as in the caption of <xref ref-type="fig" rid="F13">Figure 13</xref>, we obtain that there are two supercritical pitchfork bifurcation points <italic>z</italic><sub><italic>P</italic>,1</sub> and <italic>z</italic><sub><italic>P</italic>,2</sub> on the symmetric steady-state branch. The linearly stable asymmetric steady-state branches that exist on the range <italic>z</italic><sub><italic>P</italic>,1</sub> &#x0003C; <italic>z</italic> &#x0003C; <italic>z</italic><sub><italic>P</italic>,2</sub> between the two pitchfork points are shown in the <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14</xref>, Left. When <italic>z</italic> &#x0003D; <italic>z</italic><sub><italic>P</italic>,2</sub>, we observe from the bifurcation diagram in the <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14</xref>, Right, together with the eigenvalue computations in <xref ref-type="fig" rid="F15">Figure 15</xref>, that the symmetry-breaking bifurcation is supercritical in terms of &#x003C1;.</p>
<fig id="F14" position="float">
<label>Figure 14</label>
<caption><p>3-D Bifurcation diagram, computed from Equation (4.12) using MatCont [<xref ref-type="bibr" rid="B51">51</xref>], for symmetric and asymmetric steady-states of a two-cell ring pattern with ring radius <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5 and with FN kinetics (Equation 4.11). <bold>Left:</bold> 3-D Plot of (&#x003BC;<sub><italic>e</italic>1</sub>, &#x003BC;<sub><italic>e</italic>2</sub>) showing that asymmetric steady-states occur inside the supercritical pitchfork bubble delimited by <italic>z</italic><sub><italic>P</italic>,1</sub> &#x02248; 36.75458 and <italic>z</italic><sub><italic>P</italic>,2</sub> &#x02248; 41.26889 when &#x003C1; &#x0003D; <italic>d</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 150. <bold>Right:</bold> Supercritical pitchfork bifurcation from the symmetric branch occurs at &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x0003D; 150 when <italic>z</italic> &#x0003D; <italic>z</italic><sub><italic>P</italic>,2</sub>. Linearly stable asymmetric branches exist past this threshold in &#x003C1;. Parameters: <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 1, <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 4, &#x003C3;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; &#x003C3;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 1, &#x003B5; &#x0003D; 0.03, <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5, <italic>q</italic> &#x0003D; 1, &#x003B4; &#x0003D; 0.1, and <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.04.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0014.tif"/>
</fig>
<fig id="F15" position="float">
<label>Figure 15</label>
<caption><p>For the two-cell system with FN kinetics (Equation 4.11) and parameters as in the caption of <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14</xref> with <italic>z</italic> &#x0003D; <italic>z</italic><sub><italic>P</italic>,2</sub>, we plot the numerically computed eigenvalue &#x003BB;, satisfying &#x003C3;<sub>2</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0 in Equation (3.20), vs. &#x003C1;. Since &#x003BB; &#x0003E; 0 only on the range &#x003C1; &#x0003E; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x0003D; 150, we conclude that the symmetric steady-state solution is linearly stable to anti-phase eigenperturbations of the form <inline-formula><mml:math id="M264"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>q</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> only when &#x003C1; &#x0003C; &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x0003D; 150. Moreover, since the root to &#x003C3;<sub>1</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0 satisfies &#x003BB; &#x0003C; 0, we conclude that the symmetric steady-state branch is always linearly stable to in-phase eigenperturbations of the symmetric steady-state.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0015.tif"/>
</fig>
<p>Next, we illustrate that the bulk-cell model with FN kinetics can also exhibit oscillatory instabilities for in-phase perturbations of the symmetric steady-state. In <xref ref-type="fig" rid="F16">Figure 16</xref> we plot the bifurcation diagram of &#x003BC;<sub><italic>e</italic>1</sub> vs. <italic>z</italic> for the same parameter set as in the caption of <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14</xref> except that the bulk degradation rates have been decreased slightly to &#x003C3;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; &#x003C3;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0.9. We observe that there are now two Hopf bifurcation values <italic>z</italic><sub><italic>H</italic>,1</sub> and <italic>z</italic><sub><italic>H</italic>,2</sub> of <italic>z</italic> along the symmetric steady-state branch for the in-phase mode that lie within the interval delimited by the two pitchfork bifurcation points. In the <xref ref-type="fig" rid="F16">Figure 16</xref>, Right, we plot the real and imaginary parts of the complex-valued root of &#x003C3;<sub>1</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0, as computed from Equation (3.20), which shows that Re(&#x003BB;) &#x0003E; 0 and Im(&#x003BB;) &#x02260; 0 when <italic>z</italic><sub><italic>H</italic>,1</sub> &#x0003C; <italic>z</italic> &#x0003C; <italic>z</italic><sub><italic>H</italic>,2</sub>. This leads to the possibility of a synchronous oscillatory instability. As a result, on the range <italic>z</italic><sub><italic>H</italic>,1</sub> &#x0003C; <italic>z</italic> &#x0003C; <italic>z</italic><sub><italic>H</italic>,2</sub>, the symmetric steady-state solution branch is unstable to both anti-phase and in-phase perturbations. However, as seen from the <xref ref-type="fig" rid="F16">Figure 16</xref>, Right, where we also plot the growth rate &#x003BB; for the anti-phase mode as obtained by setting &#x003C3;<sub>2</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0 in Equation (3.20), the anti-phase instability has a larger growth rate than the in-phase instability.</p>
<fig id="F16" position="float">
<label>Figure 16</label>
<caption><p><bold>Left:</bold> Bifurcation diagram of &#x003BC;<sub><italic>e</italic>1</sub> vs. <italic>z</italic>, computed from Equation (4.12) using MatCont [<xref ref-type="bibr" rid="B51">51</xref>], for symmetric and asymmetric steady-states of a two-cell ring pattern with the same parameters as in the <xref ref-type="fig" rid="F14">Figure 14</xref>, Left except that now the degradation rates are decreased slightly to &#x003C3;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; &#x003C3;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0.9. For this parameter set, there are Hopf bifurcation points associated with in-phase perturbations of the symmetric steady-state that emerge at <italic>z</italic> &#x0003D; <italic>z</italic><sub><italic>H</italic>,1</sub> &#x02248; 34.65328 and <italic>z</italic> &#x0003D; <italic>z</italic><sub><italic>H</italic>,2</sub> &#x02248; 38.02834 between the two symmetry-breaking pitchfork bifurcation points located at <italic>z</italic> &#x0003D; <italic>z</italic><sub><italic>P</italic>,1</sub> &#x02248; 33.41022 and <italic>z</italic> &#x0003D; <italic>z</italic><sub><italic>P</italic>,2</sub> &#x02248; 38.80742. <bold>Right:</bold> the root &#x003BB; of &#x003C3;<sub>2</sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0 vs. <italic>z</italic> (pink curve), as computed from Equation (3.20), shows that the symmetric steady-state solution branch is unstable to anti-phase perturbations on the range <italic>z</italic><sub><italic>P</italic>,1</sub> &#x0003C; <italic>z</italic> &#x0003C; <italic>z</italic><sub><italic>P</italic>,2</sub>. The plotted real and imaginary parts of the complex-valued root &#x003BB;<sub><italic>h</italic></sub> &#x02261; &#x003BB;<sub><italic>r</italic></sub> &#x0002B; <italic>i&#x003BB;</italic><sub><italic>i</italic></sub> to &#x003C3;<sub>1</sub>(&#x003BB;<sub><italic>h</italic></sub>) &#x0003D; 0, from Equation (3.20), shows that Re(&#x003BB;<sub><italic>h</italic></sub>) &#x0003E; 0 on the range <italic>z</italic><sub><italic>H</italic>,1</sub> &#x0003C; <italic>z</italic> &#x0003C; <italic>z</italic><sub><italic>H</italic>,2</sub>. On this range of <italic>z</italic>, a synchronous oscillatory instability of the symmetric steady-state solution can also occur, but it has a smaller growth rate than that for the anti-phase mode.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0016.tif"/>
</fig></sec>
<sec>
<title>4.4. Numerical experiments with closely-spaced cells: GM kinetics</title>
<p>We now briefly explore, from full PDE simulations of Equation (2.3), symmetry-breaking behavior leading to stable asymmetric patterns that can occur for closely spaced cells when the ratio &#x003C1; &#x0003D; <italic>d</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> is increased. For realistic modeling of pattern formation properties of biological tissues one needs to consider the situation where cells are closely spaced in the sense that the cell radii are either comparable to the distance between the cells, or that there are only narrow gaps between cells. Although the asymptotic theory of Sections 2, 3 is no longer valid for such closely spaced cell arrangements, the FlexPDE simulations of Equation (2.3) shown below reveal a similar qualitative solution behavior as we have analyzed for spatially segregated cells. More specifically, although we no longer have an analytical theory to predict a bifurcation diagram of all steady-state solutions, our full PDE numerical results suggest that stable symmetric steady-states occur only when &#x003C1; is below some threshold. When &#x003C1; exceeds some symmetry-breaking threshold, stable asymmetric steady-states will be the preferred state. Our numerical results suggest that the critical threshold of &#x003C1; that is needed to establish this symmetry-breaking behavior for closely spaced cells is smaller than that needed for spatially segregated cells, if in fact such a threshold exists.</p>
<p>To illustrate this, in <xref ref-type="fig" rid="F17">Figure 17</xref> we take two closely spaced cells centered near the origin that have a minimum separation of 0.002. The degradation rates, cell radius, and the value of <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> used for <xref ref-type="fig" rid="F17">Figure 17</xref> are the same as in <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref>, where bifurcation values were given for the two-cell arrangement at different ratios of <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> with <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 5 and for a ring radius <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5. In the cell arrangement in <xref ref-type="fig" rid="F17">Figure 17</xref>, the only difference is that the two cells are now much more closely spaced than in <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref> and we fix <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>/<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.3 and <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 5. For these parameter values, we observe from <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref> that no symmetry-breaking bifurcations are possible for this diffusivity ratio when the ring radius is <italic>r</italic> &#x0003D; 0.5. However, as suggested from the results shown in <xref ref-type="fig" rid="F17">Figure 17</xref>, when the cells are closely spaced there is a symmetry-breaking pitchfork bifurcation point that occurs on the range 3 &#x0003C; &#x003C1; &#x0003C; 8. We remark that, rather surprisingly, if we use the symmetry-breaking bifurcation condition (Equation 4.6) from the asymptotic theory for this case of two-closely spaced cells it predicts that &#x003C1;<sub><italic>p</italic></sub> &#x02248; 6.53, which lies within the range 3 &#x0003C; &#x003C1; &#x0003C; 8. However, we emphasize that the asymptotic theory is not valid for closely-spaced cells.</p>
<fig id="F17" position="float">
<label>Figure 17</label>
<caption><p>Full numerical simulation results of Equation (2.3) with FlexPDE [<xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>] for GM kinetics (Equation 4.3) with two closely spaced cells centered on a ring of radius <italic>r</italic> &#x0003D; 0.031 and with minimum cell separation of 0.002. The other parameters are the same as in <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref>. The only difference here is that the cells are now much more closely spaced. The bottom two panels show the concentration of <italic>u</italic>. <bold>Left:</bold> convergence to a stable symmetric steady-state solution when &#x003C1; &#x0003D; 3. <bold>Right:</bold> convergence to a stable asymmetric steady-state soluton for &#x003C1; &#x0003D; 8 when starting with a symmetric initial condition. Parameters: <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 5, <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 1.5, &#x003C3;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; &#x003C3;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0.6, <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.08, and &#x003B5; &#x0003D; 0.03.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0017.tif"/>
</fig>
<p>Finally, in <xref ref-type="fig" rid="F18">Figure 18</xref> we show that the stable asymmetric steady-state patterns can also occur for three closely-spaced cells when &#x003C1; exceeds some threshold.</p>
<fig id="F18" position="float">
<label>Figure 18</label>
<caption><p>Full numerical simulation results of Equation (2.3) with FlexPDE [<xref ref-type="bibr" rid="B50">50</xref>] for GM kinetics (Equation 4.3) with three closely spaced cells with cell centers located on the vertices of an equilateral triangle centered at the origin. The ring radius is <inline-formula><mml:math id="M265"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:math></inline-formula>. <bold>Left:</bold> convergence to a symmetric steady-state when &#x003C1; &#x0003D; 5. <bold>Right:</bold> convergence to an asymmetric steady-state when &#x003C1; &#x0003D; 10. Parameters: <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 5, &#x003C3;<sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; &#x003C3;<sub><italic>v</italic></sub> &#x0003D; 0.6, <italic>d</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0003D; 0.05, &#x003B5; &#x0003D; 0.099. The cells have a minimum separation of 0.002. The bottom two panels show the concentration of <italic>v</italic>. By plotting <italic>v</italic> rather than <italic>u</italic>, the bottom right panel clearly shows the asymmetry in the three cells.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1110497-g0018.tif"/>
</fig></sec></sec>
<sec sec-type="discussion" id="s5">
<title>5. Discussion</title>
<p>We have analyzed symmetry-breaking behavior associated with the PDE-ODE bulk-cell model (Equation 2.3) where identical two-component intra-compartmental reactions occur only within a disjoint collection of small circular compartments, or &#x0201C;cells,&#x0201D; of a common radius within a bounded 2-D domain. In the bulk, or extra-cellular, medium two bulk species with comparable diffusivities and bulk degradation rates diffuse and globally couple the spatially segregated intracellular reactions. The bulk species are coupled to the intracellular species through an exchange across the compartment boundaries, as modeled by a Robin boundary condition that depends on certain membrane reaction rates. In the limit of a small cell radius, we have used a singular perturbation methodology to derive a nonlinear algebraic system (Equation 2.13) characterizing all the steady-states for the bulk-cell model (Equation 2.3). Moreover, the linear stability properties of the steady-state solutions of the bulk-cell model were shown to be determined by the nonlinear matrix eigenvalue problem (Equation 3.12) of size 2<italic>m</italic> &#x000D7; 2<italic>m</italic>, where <italic>m</italic> is the number of compartments. A root-finding condition on the determinant of this matrix yields the discrete eigenvalues of the linearization (Equation 3.1) around an arbitrary steady-state solution, as defined by the set (Equation 3.13).</p>
<p>We have shown that the steady-state and linear stability theory simplifies considerably for a <bold>symmetric cell arrangement</bold>, as characterized by Definition (Equation 2.1), and when one of the intracellular species has a linear dependence of the form Equation (2.14). In this more restricted scenario, we have shown that a symmetric steady-state solution, in which the steady-states of the intracellular species are the same for each cell, will exist if the scalar nonlinear algebraic (Equation 2.20) has a solution. We emphasize that since our bulk-cell model does not admit spatially homogeneous steady-state solutions that can be analyzed by a simple Turing-type linear stability approach [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>], this symmetric steady-state solution of the bulk-cell model (2.3) represents the <bold>base state</bold> in our construction. Instabilities and bifurcations associated with this base state are challenging to analyze owing to the fact that the base state is not spatially uniform. Asymmetric steady-state solutions, as determined from Equation (2.16), were shown to bifurcate from the symmetric steady-state solution branch whenever the algebraic criterion (Equation 2.29) is satisfied at some point on the symmetric branch. For a symmetric cell arrangement, the linear stability properties of the symmetric and asymmetric steady-state solution branches are characterized by Equation (3.21) and the roots of the nonlinear matrix eigenvalue problem (Equation 3.18), respectively.</p>
<p>We have implemented our steady-state and linear stability theory for a specific symmetric cell arrangement in which two cells are equally spaced on a ring concentric within a unit disk, and where we have specified either Gierer-Meinhardt, Rauch-Millonas, or FitzHugh-Nagumo intracellular reactions, which all have the simplified form in Equation (2.14). By using parameter continuation numerical software [<xref ref-type="bibr" rid="B51">51</xref>] to implement the asymptotic theory, we have shown that the symmetric steady-state solution branch can undergo <bold>symmetry-breaking pitchfork bifurcations</bold>, leading to linearly stable asymmetric patterns, even when the two bulk diffusing species have identical diffusivities and degradation rates. Overall, we have shown that it is the magnitude of the ratio of the reaction rates for the two bulk species to the cell membranes that determines whether stable asymmetric patterns can occur. This membrane reaction rate ratio threshold condition for the emergence of symmetry-breaking bifurcations is in marked contrast to the well-known large diffusivity ratio threshold condition for pattern formation from a spatially uniform state that is typically derived by a Turing stability analysis for two-component activator-inhibitor RD systems. For FitzHugh-Nagumo and Rauch-Millonas kinetics we have also shown that stable asymmetric patterns can also emerge from a symmetric steady-state pattern at a fixed, but large, membrane reaction rate ratio when a control parameter in the intracellular kinetics is varied. Our theoretical predictions of symmetry-breaking behavior leading to linearly stable asymmetric patterns for a symmetric two-cell arrangement were confirmed through full time-dependent PDE computations of Equation (2.3).</p>
<p>We now briefly relate our theoretical results to some qualitative behavior that has been suggested in chemical and biological applications. Firstly, compartmental-reaction diffusion models of the form Equation (2.3) could potentially be useful for theoretically modeling the collective behavior that occurs for a microemulsion consisting of Belousov-Zhabotinsky (BZ) chemical reactants that are confined within small aqueous droplets that is dispersed in oil [<xref ref-type="bibr" rid="B54">54</xref>] (see also Epstein and Xu [<xref ref-type="bibr" rid="B55">55</xref>] and Budroni et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B56">56</xref>]). In this experimental set-up, polar BZ reactants and a catalyst are confined within small immobile droplets, while two non-polar intermediate species generated during the reaction can be transported across the droplet boundaries. These intermediate species diffuse across the domain, with comparable diffusivities, and provide the mechanism for inter-drop coupling [<xref ref-type="bibr" rid="B54">54</xref>]. The recent experimental study of Budroni et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B56">56</xref>] has suggested that it is the relative magnitude of the membrane reaction rates of these intermediates on the droplet boundaries that plays a key role for determining pattern-forming properties for BZ microemulsions. Secondly, with regards to the transport of biological morphogens, it has been suggested in M&#x000FC;ller et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] that a differential reaction rate ratio on the cell boundaries for two morphogen species with comparable diffusivities can yield the large <bold>effective</bold> diffusivity ratio that is needed for pattern formation and symmetry-breaking in tissues. This membrane attachment mechanism, which reduces the effective diffusivity of one of the morphogens and is referred to in M&#x000FC;ller et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] as a <bold>binding-mediated hindrance</bold> diffusion process, may be relevant in many biological applications. Moreover, detailed intracellular mechanisms in biological cells, such as signaling pathways and gene expression rate constants, may also play a pivotal role in large-scale pattern-forming properties of biological tissues [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>]. By way of qualitiative comparison, our theoretical analysis of the 2-D bulk-cell model (Equation 2.3) for a very simple 2-cell pattern has revealed that a large membrane reaction rate ratio, together possibly with changes in a parameter in the intracellular kinetics, can trigger the emergence of stable asymmetric steady-state patterns that bifurcate from a symmetry steady-state. However, owing to the complexity of the analysis needed for Equation (2.3), where certain Green&#x00027;s matrices were found to be central to the analysis, it appears rather intractable analytically to isolate via a simple scaling analysis an <bold>effective diffusivity</bold> for the bulk species that incorporates the membrane reaction rates.</p>
<p>Although we have only applied our theoretical framework to a simple two-cell arrangement, it is rather straightforward to numerically implement the steady-state and linear stability theory for a symmetric cell arrangement with a much larger number of cells. For this scenario, the symmetric steady-state solutions are again determined by the scalar nonlinear algebraic (Equation 2.20) and the linear stability properties of this steady-state are readily studied by computing the union of all the roots of the scalar problems &#x003C3;<sub><italic>j</italic></sub>(&#x003BB;) &#x0003D; 0, for <italic>j</italic> &#x02208; {1, &#x02026;, <italic>m</italic>}, in Equation (3.20) that comprise the set (Equation 3.21) that approximates the discrete eigenvalues of the linearization (Equation 3.1) of Equation (2.3) around the steady-state. However, for an arbitrary spatial arrangement of a large number of cells, one key impediment for implementing the linear stability theory for steady-state solutions is with regards to numerically computing the eigenvalues &#x003BB; from a root-finding condition on the determinant of the full 2<italic>m</italic> &#x000D7; 2<italic>m</italic> GCEP matrix <inline-formula><mml:math id="M266"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> in Equation (3.12). This matrix is non-Hermitian, is not sparse, and has an intricate dependence on &#x003BB; through the Green&#x00027;s matrices. In contrast to the availability of efficient numerical solution strategies for nonlinear matrix eigenvalue problems with special structure, as was discussed in G&#x000FC;ttel and Tisseur [<xref ref-type="bibr" rid="B47">47</xref>], Betcke et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B48">48</xref>], and Betcke et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B49">49</xref>], it appears to a significant open challenge to develop efficient numerical methods to determine all such eigenvalues &#x003BB; for which <inline-formula><mml:math id="M267"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="-tex-caligraphic">M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a singular matrix when <italic>m</italic> is large. Recall that if there are any such eigenvalues in Re(&#x003BB;) &#x0003E; 0, the steady-state for Equation (2.3) is unstable.</p>
<p>A few other open problems related to our analysis are as follows. Firstly, it would be interesting to analyze symmetry-breaking bifurcation for Equation (2.3) on &#x0211D;<sup>2</sup> where identical cells of small radii are centered at the lattice points of an arbitrary Bravais lattice. In this periodic setting, it should be possible to analyze symmetry-breaking bifurcations of a periodic steady-state solution by using Floquet-Bloch theory, combined with the explicit analytical formulae for the reduced-wave Bloch Green&#x00027;s function as derived in Iyaniwura et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B57">57</xref>]. Secondly, it would be interesting to develop an extension of our asymptotic approach to treat closely-spaced cell configurations that are more relevant to modeling pattern-forming properties in biological tissues. Our numerical results shown in Section 4.4 have suggested that only a smaller membrane reaction rate ratio is needed to initiate symmetry-breaking behavior for closely-spaced cells than for arrangements with more spatially segregated cells. To theoretically analyze pattern-forming properties of the bulk-cell model with closely-spaced cells, an extension of the approach developed in Iyaniwura and Ward [<xref ref-type="bibr" rid="B58">58</xref>] to analyze the mean first passage time for a cluster of small traps may be fruitful. Thirdly, it would be interesting to formulate and analyze a related bulk-cell model where the chemical reactions occur on the boundaries of a collection of small compartments, rather than in the interior of the compartments. In this scenario, chemical species produced on the membrane can then detach and diffuse in the bulk medium. Such an extension is relevant for analyzing collective behavior that occurs for dynamically reactive solid pellets that are chemically coated and are coupled through a bulk diffusion field (cf. Taylor et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B59">59</xref>], Taylor et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B60">60</xref>], Tinsley et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B61">61</xref>], and Tinsley et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B62">62</xref>]). Finally, it would be worthwhile to extend our 2-D analysis to a 3-D setting. For a 3-D bounded domain that contains a collection of small spherical compartments, the analysis would be rather different than in 2-D since the free space Green&#x00027;s function has a rapid decay at infinity instead of a logarithmic growth. This would suggest that the inter-cell coupling effect would be, in general, much weaker in 3-D than in 2-D.</p></sec>
<sec sec-type="data-availability" id="s6">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/<xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Supplementary material</xref>, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p></sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s7">
<title>Author contributions</title>
<p>MP and MW analysis, conception, and writing of this article was done 50&#x02013;50. All authors contributed to the article and approved the submitted version.</p></sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="funding-information" id="s8">
<title>Funding</title>
<p>MW was supported by NSERC grant 81541.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="conf1">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s9">
<title>Publisher&#x00027;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<sec sec-type="supplementary-material" id="s10">
<title>Supplementary material</title>
<p>The Supplementary Material for this article can be found online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fams.2023.1110497/full#supplementary-material">https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fams.2023.1110497/full#supplementary-material</ext-link></p>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_1.pdf" id="SM1" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Turing</surname> <given-names>AM</given-names></name></person-group>. <article-title>The chemical basis of morphogenesis</article-title>. <source>Phil Trans Roy Soc B</source>. (<year>1952</year>) <volume>237</volume>:<fpage>37</fpage>&#x02013;<lpage>72</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rstb.1952.0012</pub-id></citation></ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Pearson</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Horsthemke</surname> <given-names>W</given-names></name></person-group>. <article-title>Turing instabilities with nearly equal diffusivities</article-title>. <source>J Chem Phys</source>. (<year>1989</year>) <volume>90</volume>:<fpage>1588</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.456051</pub-id></citation></ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Baker</surname> <given-names>RE</given-names></name> <name><surname>Gaffney</surname> <given-names>EA</given-names></name> <name><surname>Maini</surname> <given-names>PK</given-names></name></person-group>. <article-title>Partial differential equations for self-organization in cellular and developmental biology</article-title>. <source>Nonlinearity</source>. (<year>2008</year>) <volume>21</volume>:<fpage>R251</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0951-7715/21/11/R05</pub-id></citation></ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Diambra</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Senthivel</surname> <given-names>VR</given-names></name> <name><surname>Menendez</surname> <given-names>DB</given-names></name> <name><surname>Isalan</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Cooperativity to increase Turing pattern space for synthetic biology</article-title>. <source>AVS Synthetic Biol</source>. (<year>2015</year>) <volume>4</volume>:<fpage>177</fpage>&#x02013;<lpage>86</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/sb500233u</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">25122550</pub-id></citation></ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lengyel</surname> <given-names>I</given-names></name> <name><surname>Epstein</surname> <given-names>IR</given-names></name></person-group>. <article-title>Modeling of Turing structures in the chlorite-iodide-malonic acid-starch reaction system</article-title>. <source>Science</source>. (<year>1991</year>) <volume>251</volume>:<fpage>650</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.251.4994.650</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17741380</pub-id></citation></ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dulos</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Boissonade</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Perraud</surname> <given-names>JJ</given-names></name> <name><surname>Rudovics</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>De Kepper</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>Chemical morphogenesis: Turing patterns in an experimental chemical system</article-title>. <source>Acta Biotheor</source>. (<year>1996</year>) <volume>44</volume>:<fpage>249</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF00046531</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">8953211</pub-id></citation></ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>M&#x000FC;ller</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Rogers</surname> <given-names>KW</given-names></name> <name><surname>You</surname> <given-names>SR</given-names></name> <name><surname>Brand</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Schier</surname> <given-names>AF</given-names></name></person-group>. <article-title>Morphogen transport</article-title>. <source>Development</source>. (<year>2013</year>) <volume>140</volume>:<fpage>1621</fpage>&#x02013;<lpage>39</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1242/dev.083519</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">23533171</pub-id></citation></ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Rauch</surname> <given-names>EM</given-names></name> <name><surname>Millonas</surname> <given-names>MM</given-names></name></person-group>. <article-title>The role of trans-membrane signal transduction in Turing-type cellular pattern formation</article-title>. <source>J Theor Biol</source>. (<year>2004</year>) <volume>226</volume>:<fpage>401</fpage>&#x02013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jtbi.2003.09.018</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">14759646</pub-id></citation></ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sozen</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Cornwall-Scoones</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Zernicka-Goetz</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>The dynamics of morphogenesis in stem cell-based embryology: novel insights for symmetry breaking</article-title>. <source>Development</source>. (<year>2021</year>) <volume>474</volume>:<fpage>82</fpage>&#x02013;<lpage>90</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ydbio.2020.12.005</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">33333067</pub-id></citation></ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Pearson</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Pattern formation in a (2&#x0002B;1)-species activator-inhibitor immobilizer system</article-title>. <source>Physica A</source>. (<year>1992</year>) <volume>188</volume>:<fpage>178</fpage>&#x02013;<lpage>89</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0378-4371(92)90264-Q</pub-id></citation></ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Klika</surname> <given-names>V</given-names></name> <name><surname>Baker</surname> <given-names>RE</given-names></name> <name><surname>Headon</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Gaffney</surname> <given-names>EA</given-names></name></person-group>. <article-title>The influence of receptor-mediated interactions on reaction-diffusion mechanisms of cellular self-organization</article-title>. <source>Bull Math Bio</source>. (<year>2012</year>) <volume>74</volume>:<fpage>935</fpage>&#x02013;<lpage>57</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11538-011-9699-4</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22072186</pub-id></citation></ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Korvasov&#x000E1;</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>A</surname> <given-names>GE</given-names></name> <name><surname>K</surname> <given-names>MP</given-names></name> <name><surname>A</surname> <given-names>FM</given-names></name> <name><surname>Klika</surname> <given-names>V</given-names></name></person-group>. <article-title>Investigating the Turing conditions for diffusion-driven instability in the presence of a binding immobile substrate</article-title>. <source>J Theor Biol</source>. (<year>2015</year>) <volume>367</volume>:<fpage>286</fpage>&#x02013;<lpage>95</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jtbi.2014.11.024</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">25484005</pub-id></citation></ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Marcon</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Diego</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Sharpe</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>M&#x000FC;ller</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>High throughput mathematical analysis identifies Turing networks for patterning with equal diffusing signals</article-title>. <source>eLife</source>. (<year>2016</year>) <volume>5</volume>:<fpage>e14022</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.7554/eLife.14022</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">27058171</pub-id></citation></ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Diego</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Marcon</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>M&#x000FC;ller</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Sharpe</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Key features of Turing systems are determined purely by network topology</article-title>. <source>Phys Rev X</source>. (<year>2018</year>) <volume>8</volume>:<fpage>021071</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevX.8.021071</pub-id></citation></ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Landge</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Jordan</surname> <given-names>BM</given-names></name> <name><surname>Diego</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>M&#x000FC;ller</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>Pattern formation mechanisms of self-organizing reaction-diffusion systems</article-title>. <source>Dev Biol</source>. (<year>2020</year>) <volume>460</volume>:<fpage>2</fpage>&#x02013;<lpage>11</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ydbio.2019.10.031</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">32008805</pub-id></citation></ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Haas</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Goldstein</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <article-title>Turing&#x00027;s diffusive threshold in random reaction-diffusion systems</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source>. (<year>2021</year>) <volume>126</volume>:<fpage>238101</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.126.238101</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">34170176</pub-id></citation></ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Vanag</surname> <given-names>VK</given-names></name> <name><surname>Epstein</surname> <given-names>IR</given-names></name></person-group>. <article-title>Localized patterns in reaction-diffusion systems</article-title>. <source>Chaos</source>. (<year>2007</year>) <volume>17</volume>:<fpage>037110</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1063/1.2752494</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17903017</pub-id></citation></ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ward</surname> <given-names>MJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Spots, traps, and patches: asymptotic analysis of localized solutions to some linear and nonlinear diffusive processes</article-title>. <source>Nonlinearity</source>. (<year>2018</year>) <volume>31</volume>:<fpage>R189</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1361-6544/aabe4b</pub-id></citation></ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Halatek</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Brauns</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Frey</surname> <given-names>E</given-names></name></person-group>. <article-title>Self-organization principles of intracellular pattern formation</article-title>. <source>Phil Trans R Soc B</source>. (<year>2018</year>) <volume>373</volume>:<fpage>20170107</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rstb.2017.0107</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">29632261</pub-id></citation></ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Halatek</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Frey</surname> <given-names>E</given-names></name></person-group>. <article-title>Rethinking pattern formation in reaction-diffusion systems</article-title>. <source>Nat Phys</source>. (<year>2018</year>) <volume>14</volume>:<fpage>507</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41567-017-0040-5</pub-id></citation></ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Maini</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Painter</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Chau</surname> <given-names>HNP</given-names></name></person-group>. <article-title>Spatial pattern formation in chemical and biological systems</article-title>. <source>J Chem Soc Faraday Trans</source>. (<year>1997</year>) <volume>93</volume>:<fpage>3601</fpage>&#x02013;<lpage>3610</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/a702602a</pub-id></citation></ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Krause</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Gafney</surname> <given-names>EA</given-names></name> <name><surname>Maini</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Klika</surname> <given-names>V</given-names></name></person-group>. <article-title>Modern perspectives on near-equilibrium analysis of Turing systems</article-title>. <source>Phil Trans R Soc A</source>. (<year>2021</year>) <volume>379</volume>:<fpage>20200268</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rsta.2020.0268</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">34743603</pub-id></citation></ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Pelz</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Ward</surname> <given-names>MJ</given-names></name></person-group>. <article-title>The emergence of spatial patterns for compartmental reaction kinetics coupled by two bulk diffusing species with comparable diffusivities</article-title>. <source>Phil Trans Roy Soc A</source>. (<year>2022</year>).</citation></ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gomez-Marin</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Garcia-Ojalvo</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Sancho</surname> <given-names>JM</given-names></name></person-group>. <article-title>Self-sustained spatiotemporal oscillations induced by membrane-bulk coupling</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source>. (<year>2007</year>) <volume>98</volume>:<fpage>168303</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.98.168303</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17501471</pub-id></citation></ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Levine</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Rappel</surname> <given-names>WJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Membrane-bound Turing patterns</article-title>. <source>Phys Rev E</source>. (<year>2005</year>) <volume>72</volume>:<fpage>061912</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.72.061912</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16485979</pub-id></citation></ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gou</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Li</surname> <given-names>YX</given-names></name> <name><surname>Nagata</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Ward</surname> <given-names>MJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Synchronized oscillatory dynamics for a 1-D model of membrane kinetics coupled by linear bulk diffusion</article-title>. <source>SIAM J Appl Dyn Sys</source>. (<year>2015</year>) <volume>14</volume>:<fpage>2096</fpage>&#x02013;<lpage>137</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/15M1039122</pub-id></citation></ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gou</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Ward</surname> <given-names>MJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Oscillatory dynamics for a coupled membrane-bulk diffusion model with Fitzhugh-Nagumo kinetics</article-title>. <source>SIAM J Appl Math</source>. (<year>2016</year>) <volume>76</volume>:<fpage>776</fpage>&#x02013;<lpage>804</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/15M1028297</pub-id></citation></ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gou</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Chiang</surname> <given-names>WY</given-names></name> <name><surname>Lai</surname> <given-names>PY</given-names></name> <name><surname>Ward</surname> <given-names>MJ</given-names></name> <name><surname>Li</surname> <given-names>YX</given-names></name></person-group>. <article-title>A theory of synchrony by coupling through a diffusive chemical signal</article-title>. <source>Physica D</source>. (<year>2017</year>) <volume>339</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>17</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physd.2016.08.004</pub-id></citation></ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Paquin-Lefebvre</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Nagata</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Ward</surname> <given-names>MJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Weakly nonlinear theory for oscillatory dynamics in a one-dimensional PDE-ODE model of membrane dynamics coupled by a bulk diffusion field</article-title>. <source>SIAM J Appl Math</source>. (<year>2020</year>) <volume>80</volume>:<fpage>1520</fpage>&#x02013;<lpage>45</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/19M1304908</pub-id></citation></ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Xu</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Bressloff</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>A PDE-DDE model for cell polarization in fission yeast</article-title>. <source>SIAM J Appl Math</source>. (<year>2016</year>) <volume>76</volume>:<fpage>1844</fpage>&#x02013;<lpage>70</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/16M1065458</pub-id></citation></ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Xu</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Jilkine</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Modeling the dynamics of Cdc42 oscillation in fission yeast</article-title>. <source>Biophysical J</source>. (<year>2018</year>) <volume>114</volume>:<fpage>711</fpage>&#x02013;<lpage>22</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.bpj.2017.12.007</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">29694880</pub-id></citation></ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gou</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Ward</surname> <given-names>MJ</given-names></name></person-group>. <article-title>An asymptotic analysis of a 2-D model of dynamically active compartments coupled by bulk diffusion</article-title>. <source>J Nonlin Sci</source>. (<year>2016</year>) <volume>26</volume>:<fpage>979</fpage>&#x02013;<lpage>1029</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00332-016-9296-7</pub-id></citation></ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Iyaniwura</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Ward</surname> <given-names>MJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Synchrony and oscillatory dynamics for a 2-D PDE-ODE model of diffusion-mediated communication between small signalling compartments</article-title>. <source>SIAM J Appl Dyn Sys</source>. (<year>2021</year>) <volume>20</volume>:<fpage>438</fpage>&#x02013;<lpage>99</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/20M1353666</pub-id></citation></ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ridgway</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Ward</surname> <given-names>MJ</given-names></name> <name><surname>Wetton</surname> <given-names>BT</given-names></name></person-group>. <article-title>Quorum-sensing induced transitions between bistable steady-states for a cell-bulk ODE-PDE model with Lux intracellular kinetics</article-title>. <source>J Math Bio</source>. (<year>2021</year>) <volume>84</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>2</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00285-021-01705-z</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">34928406</pub-id></citation></ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gomez</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Iyaniwura</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Paquin-Lefebvre</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Ward</surname> <given-names>MJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Pattern forming systems coupling linear bulk diffusion to dynamically active membranes or cells</article-title>. <source>Phil Trans Roy Soc A</source>. (<year>2021</year>) <volume>379</volume>:<fpage>20200276</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rsta.2020.0276</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">34743601</pub-id></citation></ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>R&#x000E4;tz</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Turing-type instabilities in bulk-surface reaction-diffusion systems</article-title>. <source>J Comp Appl Math</source>. (<year>2015</year>) <volume>289</volume>:<fpage>142</fpage>&#x02013;<lpage>52</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cam.2015.02.050</pub-id></citation></ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Elliott</surname> <given-names>CM</given-names></name> <name><surname>Ranner</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Venkataraman</surname> <given-names>C</given-names></name></person-group>. <article-title>Coupled bulk-surface free boundary problems arising from a mathematical model of receptor-ligand dynamics</article-title>. <source>SIAM J Math Anal</source>. (<year>2017</year>) <volume>49</volume>:<fpage>360</fpage>&#x02013;<lpage>397</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/15M1050811</pub-id></citation></ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Madzvamuse</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Chung</surname> <given-names>AHW</given-names></name> <name><surname>Venkataraman</surname> <given-names>C</given-names></name></person-group>. <article-title>Stability analysis and simulations of coupled bulk-surface reaction-diffusion systems</article-title>. <source>Proc R Soc A</source>. (<year>2015</year>) <volume>471</volume>:<fpage>20140546</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1098/rspa.2014.0546</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">25792948</pub-id></citation></ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Madzvamuse</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Chung</surname> <given-names>AHW</given-names></name></person-group>. <article-title>The bulk-surface finite element method for reaction-diffusion systems on stationary volumes</article-title>. <source>Finite Elem Anal Design</source>. (<year>2016</year>) <volume>108</volume>:<fpage>9</fpage>&#x02013;<lpage>21</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.finel.2015.09.002</pub-id></citation></ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Paquin-Lefebvre</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Nagata</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Ward</surname> <given-names>MJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Pattern formation and oscillatory dynamics in a two-dimensional coupled bulk-surface reaction-diffusion system</article-title>. <source>SIAM J Appl Dyn Syst</source>. (<year>2019</year>) <volume>18</volume>:<fpage>1334</fpage>&#x02013;<lpage>90</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/18M1213737</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">32179107</pub-id></citation></ref>
<ref id="B41">
<label>41.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cusseddu</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Edelstein-Keshet</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Mackenzie</surname> <given-names>JA</given-names></name> <name><surname>Portet</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Madzvamuse</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>A coupled bulk-surface model for cell polarisation</article-title>. <source>J Theor Biol</source>. (<year>2019</year>) <volume>481</volume>:<fpage>119</fpage>&#x02013;<lpage>35</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jtbi.2018.09.008</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">30205095</pub-id></citation></ref>
<ref id="B42">
<label>42.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>R&#x000E4;tz</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>R&#x000F6;ger</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Turing instabilities in a mathematical model for signaling networks</article-title>. <source>J Math Biol</source>. (<year>2012</year>) <volume>65</volume>:<fpage>1215</fpage>&#x02013;<lpage>44</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00285-011-0495-4</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22127438</pub-id></citation></ref>
<ref id="B43">
<label>43.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>R&#x000E4;tz</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>R&#x000F6;ger</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Symmetry breaking in a bulk-surface reaction-diffusion model for signalling networks</article-title>. <source>Nonlinearity</source>. (<year>2014</year>) <volume>27</volume>:<fpage>1805</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0951-7715/27/8/1805</pub-id></citation></ref>
<ref id="B44">
<label>44.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Stolerman</surname> <given-names>LM</given-names></name> <name><surname>Getz</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Llewellyn Smith</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Holst</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Rangamani</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>Stability analysis of a bulk-surface reaction model for membrane protein clustering</article-title>. <source>Bull Math Bio</source>. (<year>2020</year>) <volume>82</volume>:<fpage>2</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11538-020-00703-4</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">32025918</pub-id></citation></ref>
<ref id="B45">
<label>45.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Paquin-Lefebvre</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Xu</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>DiPietro</surname> <given-names>KL</given-names></name> <name><surname>Lindsay</surname> <given-names>AE</given-names></name> <name><surname>Jilkine</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Pattern formation in a coupled membrane-bulk reaction-diffusion model for intracellular polarization and oscillations</article-title>. <source>J Theor Biol</source>. (<year>2020</year>) <volume>497</volume>:<fpage>110242</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jtbi.2020.110242</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">32179107</pub-id></citation></ref>
<ref id="B46">
<label>46.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gierer</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Meinhardt</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>A theory of biological pattern formation</article-title>. <source>Kybernetik</source>. (<year>1972</year>) <volume>12</volume>:<fpage>30</fpage>&#x02013;<lpage>39</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF00289234</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">4663624</pub-id></citation></ref>
<ref id="B47">
<label>47.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>G&#x000FC;ttel</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Tisseur</surname> <given-names>F</given-names></name></person-group>. <article-title>The nonlinear eigenvalue problem</article-title>. <source>Acta Numerica</source>. (<year>2017</year>) <volume>26</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>94</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/S0962492917000034</pub-id></citation></ref>
<ref id="B48">
<label>48.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Betcke</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Highan</surname> <given-names>NG</given-names></name> <name><surname>Mehrmann</surname> <given-names>V</given-names></name> <name><surname>Schr&#x000F6;der</surname> <given-names>C</given-names></name> <name><surname>F</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>NLEVP: a collection of nonlinear eigenvalue problems</article-title>. <source>ACM Trans Math Software</source>. (<year>2013</year>) <volume>39</volume>:<fpage>7.1</fpage>&#x02013;<lpage>7.28</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1145/2427023.2427024</pub-id></citation></ref>
<ref id="B49">
<label>49.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Betcke</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Highan</surname> <given-names>NG</given-names></name> <name><surname>Mehrmann</surname> <given-names>V</given-names></name> <name><surname>Porzio</surname> <given-names>GMN</given-names></name> <name><surname>Schr&#x000F6;der</surname> <given-names>C</given-names></name> <name><surname>F</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>NLEVP: a collection of nonlinear eigenvalue problems</article-title>. In: <source>Users&#x00027; Guide. MIMS EPring 2011117</source>. <publisher-loc>Manchester</publisher-loc>: <publisher-name>The University of Manchester, UK</publisher-name> (<year>2019</year>).</citation></ref>
<ref id="B50">
<label>50.</label>
<citation citation-type="web"><person-group person-group-type="author"><name><surname>FlexPDE</surname> <given-names>P.</given-names></name></person-group> (<year>2015</year>). <source>Solutions Inc</source>. Available online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="http://www.pdesolutions.com">http://www.pdesolutions.com</ext-link>.</citation></ref>
<ref id="B51">
<label>51.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dhooge</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Govaerts</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Kuznetsov</surname> <given-names>YA</given-names></name></person-group>. <article-title>MatCont: a MATLAB package for numerical bifurcation analysis of ODEs</article-title>. <source>ACM Trans Math Software</source>. (<year>2003</year>) <volume>29</volume>:<fpage>141</fpage>&#x02013;<lpage>64</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1145/779359.779362</pub-id></citation></ref>
<ref id="B52">
<label>52.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gierer</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Generation of biological patterns and form: some physical, mathematical, and logical aspects</article-title>. <source>Progr Biophys Mol Biol</source>. (<year>1981</year>) <volume>37</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>47</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0079-6107(82)90019-0</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">7244249</pub-id></citation></ref>
<ref id="B53">
<label>53.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bezanson</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Karpinski</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Shah</surname> <given-names>VB</given-names></name> <name><surname>Edelman</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Julia: a fast dynamic language for technical computing</article-title>. <source>arXiv preprint</source> arXiv:12095145. (<year>2012</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.48550/arXiv.1209.5145</pub-id></citation></ref>
<ref id="B54">
<label>54.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tompkins</surname> <given-names>N</given-names></name> <name><surname>Li</surname> <given-names>N</given-names></name> <name><surname>Girabwe</surname> <given-names>C</given-names></name> <name><surname>Fraden</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>Testing Turing&#x00027;s theory of morphogenesis in chemical cells</article-title>. <source>Pro Natl Acad Sci USA</source>. (<year>2014</year>) <volume>111</volume>:<fpage>4397</fpage>&#x02013;<lpage>402</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1073/pnas.1322005111</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">24616508</pub-id></citation></ref>
<ref id="B55">
<label>55.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Epstein</surname> <given-names>I</given-names></name> <name><surname>Xu</surname> <given-names>B</given-names></name></person-group>. <article-title>Reaction-diffusion processes at the nano- and microscales</article-title>. <source>Nat Technol</source>. (<year>2016</year>) <volume>11</volume>:<fpage>312</fpage>&#x02013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nnano.2016.41</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">27045215</pub-id></citation></ref>
<ref id="B56">
<label>56.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Budroni</surname> <given-names>MA</given-names></name> <name><surname>Torbensen</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Ristori</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>A</surname> <given-names>AH</given-names></name> <name><surname>Rossi</surname> <given-names>F</given-names></name></person-group>. <article-title>Membrane structure drives synchronization patterns in arrays of diffusively coupled self-oscillating droplets</article-title>. <source>J Phys Chem Lett</source>. (<year>2020</year>) <volume>11</volume>:<fpage>2014</fpage>&#x02013;<lpage>20</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.jpclett.0c00072</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">32078774</pub-id></citation></ref>
<ref id="B57">
<label>57.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Iyaniwura</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Gou</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Ward</surname> <given-names>MJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Synchronous oscillations for a coupled cell-bulk PDE-ODE model with localized cells on &#x0211D;<sup>2</sup></article-title>. <source>J Eng Math</source>. (<year>2021</year>) <volume>127</volume>:<fpage>24</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10665-021-10113-7</pub-id></citation></ref>
<ref id="B58">
<label>58.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Iyaniwura</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Ward</surname> <given-names>MJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Asymptotic analysis for the mean first passage time in finite or spatially periodic 2-D domains with a cluster of small traps</article-title>. <source>ANZIAM J</source>. (<year>2021</year>) <volume>63</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>22</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.21914/anziamj.v63.15976</pub-id></citation></ref>
<ref id="B59">
<label>59.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Taylor</surname> <given-names>AF</given-names></name> <name><surname>Tinsley</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Showalter</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Insights into collective cell behavior from populations of coupled chemical oscillators</article-title>. <source>Phys Chemistry Chem Phys</source>. (<year>2015</year>) <volume>17</volume>:<fpage>20047</fpage>&#x02013;<lpage>55</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/C5CP01964H</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">26195263</pub-id></citation></ref>
<ref id="B60">
<label>60.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Taylor</surname> <given-names>AF</given-names></name> <name><surname>Tinsley</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Huang</surname> <given-names>Z</given-names></name> <name><surname>Showalter</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Dynamical quorum sensing and synchronization in large populations of chemical oscillators</article-title>. <source>Science</source>. (<year>2009</year>) <volume>323</volume>:<fpage>614</fpage>&#x02013;<lpage>017</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1166253</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19179525</pub-id></citation></ref>
<ref id="B61">
<label>61.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tinsley</surname> <given-names>MR</given-names></name> <name><surname>Taylor</surname> <given-names>AF</given-names></name> <name><surname>Huang</surname> <given-names>Z</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Showalter</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Dynamical quorum sensing and synchronization in collections of excitable and oscillatory catalytic particles</article-title>. <source>Physica D</source>. (<year>2010</year>) <volume>239</volume>:<fpage>785</fpage>&#x02013;<lpage>90</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.physd.2009.08.001</pub-id></citation></ref>
<ref id="B62">
<label>62.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tinsley</surname> <given-names>MR</given-names></name> <name><surname>Taylor</surname> <given-names>AF</given-names></name> <name><surname>Huang</surname> <given-names>Z</given-names></name> <name><surname>Showalter</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Emergence of collective behavior in groups of excitable catalyst-loaded particles: spatiotemporal dynamical quorum sensing</article-title>. <source>Phys Rev Lett</source>. (<year>2009</year>) <volume>102</volume>:<fpage>158301</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevLett.102.158301</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">19518678</pub-id></citation></ref>
</ref-list>
</back>
</article>