<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.3 20210610//EN" "JATS-journalpublishing1-3-mathml3.dtd">
<article xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:ali="http://www.niso.org/schemas/ali/1.0/" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" dtd-version="1.3" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Appl. Math. Stat.</journal-id>
<journal-title-group>
<journal-title>Frontiers in Applied Mathematics and Statistics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Appl. Math. Stat.</abbrev-journal-title>
</journal-title-group>
<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.2026.1774485</article-id>
<article-version article-version-type="Version of Record" vocab="NISO-RP-8-2008"/>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Spiral waves and turbulence in mathematical models of oncolytic virotherapy induced by Hopf bifurcation</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Bansod</surname> <given-names>Tejas</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"/>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Formal analysis" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/">Formal analysis</role>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Investigation" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/investigation/">Investigation</role>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Methodology" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/">Methodology</role>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Software" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/software/">Software</role>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Visualization" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/visualization/">Visualization</role>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Writing &#x2013; original draft" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/">Writing &#x2013; original draft</role>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Writing &#x2013; review &amp; editing" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-review-editing/">Writing &#x2013; review &#x00026; editing</role>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/3341805"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Hillen</surname> <given-names>Thomas</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"/>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Conceptualization" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/">Conceptualization</role>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Funding acquisition" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/funding-acquisition/">Funding acquisition</role>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Investigation" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/investigation/">Investigation</role>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Methodology" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/">Methodology</role>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Project administration" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/project-administration/">Project administration</role>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Supervision" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/supervision/">Supervision</role>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Validation" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/validation/">Validation</role>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Writing &#x2013; original draft" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/">Writing &#x2013; original draft</role>
<role vocab="credit" vocab-identifier="https://credit.niso.org/" vocab-term="Writing &#x2013; review &amp; editing" vocab-term-identifier="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-review-editing/">Writing &#x2013; review &#x00026; editing</role>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/59681"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><institution>Department of Mathematical and Statistical Sciences, University of Alberta</institution>, <city>Edmonton, AB</city>, <country country="ca">Canada</country></aff>
<author-notes>
<corresp id="c001"><label>&#x0002A;</label>Correspondence: Thomas Hillen, <email xlink:href="mailto:thillen@ualberta.ca">thillen@ualberta.ca</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date publication-format="electronic" date-type="pub" iso-8601-date="2026-02-11">
<day>11</day>
<month>02</month>
<year>2026</year>
</pub-date>
<pub-date publication-format="electronic" date-type="collection">
<year>2026</year>
</pub-date>
<volume>12</volume>
<elocation-id>1774485</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>23</day>
<month>12</month>
<year>2025</year>
</date>
<date date-type="rev-recd">
<day>22</day>
<month>01</month>
<year>2026</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>23</day>
<month>01</month>
<year>2026</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2026 Bansod and Hillen.</copyright-statement>
<copyright-year>2026</copyright-year>
<copyright-holder>Bansod and Hillen</copyright-holder>
<license>
<ali:license_ref start_date="2026-02-11">https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/</ali:license_ref>
<license-p>This is an open-access article distributed under the terms of the <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution License (CC BY)</ext-link>. 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.</license-p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Oncolytic virotherapy is a promising targeted cancer treatment that employs viruses, which selectively infect tumor cells. Although its clinical efficiency has remained limited and it is often used in conjunction with other therapies, advances in genetic engineering have produced stronger and more selective viral strains, prompting continued interest in their dynamics. In particular, previous studies have noted that viruses with sufficiently high replication rates can induce oscillations reminiscent of predator-prey systems. Here, we extend this analysis to the spatial domain by starting from an established tumor-virus reaction-diffusion model, performing a center-manifold reduction that incorporates nonlinear terms to derive a complex Ginzburg-Landau amplitude equation, and estimating its parameters directly from the original kinetics. This reduced normal form equation explains the emergence of experimentally observed patterns&#x02014;such as hollow rings and target waves&#x02014;and shows that, at longer timescales, these patterns naturally evolve toward spiral waves and a turbulent regime. Our work provides a mechanistic link between the kinetic Hopf bifurcation and the rich spatiotemporal structures observed in oncolytic virotherapy models, suggesting that these patterns are not numerical artifacts but an intrinsic feature of the system.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>amplitude equation</kwd>
<kwd>center manifold</kwd>
<kwd>C&#x02013;I&#x02013;V model</kwd>
<kwd>complex Ginzburg&#x02013;Landau amplitude equation</kwd>
<kwd>Ginzburg&#x02013;Landau equation</kwd>
<kwd>Hopf bifurcation</kwd>
<kwd>kinetic Hopf bifurcation</kwd>
<kwd>normal form reduction</kwd>
</kwd-group>
<funding-group>
<award-group id="gs1">
<funding-source id="sp1">
<institution-wrap>
<institution>Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada</institution>
<institution-id institution-id-type="doi" vocab="open-funder-registry" vocab-identifier="10.13039/open_funder_registry">10.13039/501100000038</institution-id>
</institution-wrap>
</funding-source>
</award-group>
<funding-statement>The author(s) declared that financial support was received for this work and/or its publication. TH was supported through a Discovery Grant of the Natural Science and Engineering Research Council of Canada (NSERC), RGPIN-2023-04269.</funding-statement>
</funding-group>
<counts>
<fig-count count="12"/>
<table-count count="2"/>
<equation-count count="104"/>
<ref-count count="46"/>
<page-count count="17"/>
<word-count count="9621"/>
</counts>
<custom-meta-group>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Mathematical Biology</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<label>1</label>
<title>Introduction</title>
<p>Cancer, defined by the uncontrolled growth and spread of abnormal cells, remains one of the leading causes of death worldwide [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]. Over the years, diverse treatments have been devised&#x02014;chemotherapy [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>], radiotherapy [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>], immunotherapy [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>], and more recently, oncolytic virotherapy [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]. Oncolytic virotherapy employs replicating viruses, which selectively infect and destroy tumor cells while sparing healthy tissues [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>]. It looks very appealing in principle but in practice there are countless uncertainties at the biological level [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>]. For example, how does the immune system react to this foreign virus [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>]? How easily can tumor develop viral resistance [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>]? These type of questions arise for any treatment in the oncologist&#x00027;s arsenal, but fortunately these uncertainties can be made more tangible by formulating them as mathematical questions, providing at least a benchmark for expected outcomes and make an educated guess about directions, which promise the most improvement [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>].</p>
<p>If we adopt an ecological picture, we have oncolytic virus as a parasite trying to invade the ecosystem of the tumor host [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>]. Host-parasite systems have been studied extensively, particularly in the models of epidemiological outbreaks [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>] which highlight the basic reproduction number (<italic>R</italic><sub>0</sub>) as the main parameter to measure the contagiousness and the effect of the virus [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>]. For oncolytic virotherapy, a similar approach has been taken to formulate Ordinary Differential Equations (ODEs) [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>] which identify a replication threshold beyond which the tumor population is expected to show oscillations. While such oscillations come naturally by a high enough replication rate, they have also been modeled through the lens of the viral lytic cycle [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>], where a time delay is used to model the recurrent viral bursts. In this paper however, we start from a previous model [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], which demonstrated that for high enough viral replication, these viral infection oscillations can drive the tumor to near-extinction. We note however that current viruses are still far from this Hopf bifurcation threshold [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. Therefore, the natural question to ask here is: even if virus replication could be increased as much as desired, would that be enough for effective tumor eradication [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>]?</p>
<p>An important aspect of the viral infection of cancer is the spatial extent of the tumor. Tumors have a finite size and the virus cannot reach all cells instantly, it needs time to infect, produce more virus, infect again etc. As a result periodic dynamics at different location along the tumor mix and exchange, leading to interesting spatio-temporal patterns [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. Moreover, both <italic>in vitro</italic> and in silico approaches [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>] have demonstrated that the spatial structure of the tumor is crucial for therapeutic success. In particular, [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>] used spatial models to show that the dynamics driven by waves of virus chasing the tumor lead to three distinct outcomes&#x02014;hollow rings (successful clearance), concentric rings (tumor regrowth), and fragmented aggregates.</p>
<p>The previous model by Baabdulla et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] consisted of three components - uninfected cancer, infected cancer and free virus (C, I, and V respectively) where virus diffuses more than the tumor due to its smaller size [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. By simulating this Reaction-Diffusion system, the patterns observed before by [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>] could be reproduced. In this work, we aim to demonstrate that these patterns are robust and not merely artifacts of some specific parameter choices. Our approach is to use mathematical reductions to make clear the basic mechanism underlying these patterns. We present a flow chart for our reduction steps in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>.</p>
<fig position="float" id="F1">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>Flow of analytical reductions from center-manifold dynamics to amplitude equations, parameter estimation, and pattern formation. The steps related to the well mixed ODE system are highlighted in yellow, while the results for the spatial PDE are shown with blue background.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-12-1774485-g0001.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Flowchart illustrating mathematical modeling steps: starting from C&#x02013;I&#x02013;V Model, progressing through Center Manifold, Amplitude Equation, Estimation of beta, and Normal Form Reduction to the Stuart&#x02013;Landau Equation, then Inclusion of Diffusion via the Ginzburg Landau Equation, resulting in plane waves, spiral waves, and turbulence.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>In this approach, we first reduce the temporal dynamics of the full model to its center manifold [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>] just above the Hopf bifurcation threshold. This reduction leads to a two-dimensional system, which can be related back to the original model and whose linear dynamics are directly given by the complex pair of eigenvalues. Further, to capture the resultant limit cycle in this reduced system, we determine the necessary nonlinear terms for the center manifold dynamics, which turn out to be quadratic since the original model&#x00027;s nonlinearities are also purely quadratic. However, since these nonlinear terms are coordinate dependent, we perform a normal form transformation through a lemma by Kuznetzsov [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>] which allows us to interpret the reduced system in terms of the Stuart-Landau Equation (SLE) [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>]. A similar framework involving normal form reductions has been recently applied to determine the stability of periodic solutions in delayed lytic cycle models [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>]. This reduction constitutes the first analytical part of the paper, reiterating the well-known result that systems near a supercritical Hopf bifurcation can be universally represented by the SLE via normal form theory [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>]. Upon non-dimensionalization, this results in a single asynchrony parameter &#x003B2; [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>], which is a measure of frequency shifts between oscillations of varying amplitudes, and which we estimate numerically for our system.</p>
<p>After completely understanding the kinetic behavior in its normal form (the SLE), we proceed to the second part of this work, where the role of diffusion is concerned. This spatiotemporal extension gives the well-known Complex Ginzburg-Landau Equation (CGLE) [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>] as normal form. The CGLE is known to generate a spectacular range of dynamic patterns, including plane waves, spiral waves, and spatiotemporal turbulence [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>]. Spiral waves, for instance, are among the most striking patterns observed across diverse systems, from the Belousov-Zhabotinsky reaction [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>] to electrical activity in cardiac tissue [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]. However, our numerical estimate of the parameter &#x003B2; suggests that the C&#x02013;I&#x02013;V system operates well beyond the regime that can support stable spiral waves. Consequently, turbulent patterns appear to be the norm rather than the exception for a large range of biological parameters in our system.</p>
<p>This work proceeds as follows: Section 2 introduces the C&#x02013;I&#x02013;V model and recalls the bifurcation structure as derived in the literature [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>]. In Section 3 we focus on the ODEs of the well mixed version (no diffusion) and reduce the system near the Hopf bifurcation on the 2-dimensional center manifold to a complex Stuart-Landau equation. In Section 4 we add back diffusion and explain how the diffusion terms are carried through the reduction steps, leading to the complex Ginzburg-Landau equation (CGLE) as normal form. We show some numerical simulations for the full (<italic>C, I, V</italic>) model, followed by some simulations for spiral waves and their transition to turbulence for the CGLE. Finally, in Section 5, we conclude by discussing the biological implications of the turbulent behavior, the role for other factors such as immune system and resistance, and offer a heuristic explanation for periodic spot splitting phenomenon observed in an earlier work [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s2">
<label>2</label>
<title>Model description and oscillations via Hopf bifurcation</title>
<p>Oncolytic viruses are engineered to exploit the differential susceptibility of tumor and normal cells. To capture the essential feedback between viral replication and tumor regrowth, we employ the nondimensionalized C&#x02013;I&#x02013;V model of [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>], which extends the framework of [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>]. The model describes three interacting densities: <italic>C</italic>(<italic>t</italic>, <bold>x</bold>): uninfected tumor cells, <italic>I</italic>(<italic>t</italic>, <bold>x</bold>): infected tumor cells and <italic>V</italic>(<italic>t</italic>, <bold>x</bold>): free virus particles. Their dynamics follow a system of reaction&#x02013;diffusion equations:</p>
<disp-formula id="EQ1"><mml:math id="M1"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(1a)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ80"><mml:math id="M2"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(1b)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ81"><mml:math id="M3"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(1c)</label></disp-formula>
<p>where &#x00394; denotes the Laplace operator, and <italic>D</italic><sub><italic>c</italic></sub>, <italic>D</italic><sub><italic>i</italic></sub> are the diffusion coefficients for cancer cells and infected cancer cells, respectively. Tumor proliferation is described through a logistic term <italic>C</italic>(1 &#x02212; <italic>C</italic> &#x02212; <italic>I</italic>) limited by space and resources. Viral infection is described by a mass-action term &#x02212;<italic>CV</italic>, infected cells lyse at rate <italic>a</italic>, and produce new virions with rate &#x003B8;. Viral particles are cleared with rate &#x003B3;. Most parameters are normalized to equal 1, except the death rate of infected cells <italic>a</italic>, the removal rate of free virus particles &#x003B3;, and the burst size &#x003B8;. The dimensional version of the model, together with realistic parameter estimates and sensitivity analysis can be found in the cited literature [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>]. Together, these terms form a minimal yet complete model of virus infection-mediated tumor control, balancing growth, lysis, and diffusion.</p>
<p>It should be noted that we exclude two more terms, which are often included in these oncolytic virus models, see for example [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>]. We ignore a viral loss term of the form &#x02212;&#x003B2;<sub>2</sub><italic>CV</italic> in the last equation, since we assume, as in [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref>], that the loss of virus particles due to an infection of a cell is minimal. Moreover, we do not include a natural death term for cancer cells. A death term in the <italic>C</italic> equation will shift the value of the Hopf bifurcation point, but it will not change the dynamics near that Hopf point.</p>
<p>We study <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ1">Equation 1</xref> on a two&#x02014;dimensional domain &#x003A9; &#x02282; &#x0211D;<sup>2</sup> with zero&#x02014;flux boundaries,</p>
<disp-formula id="E4"><mml:math id="M4"><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>n</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>n</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>n</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x02003;on&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>so that both cells and virions remain confined within &#x003A9;. This closed-domain setting mirrors <italic>in-vitro</italic> tumor spheroid experiments and petri-dish experiments [<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>], where viral spread occurs within a constrained microenvironment.</p>
<p>We follow [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] in adopting the values listed in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>. Among these, the viral production rate &#x003B8; acts as the primary bifurcation parameter controlling infection strength and oscillatory onset.</p>
<table-wrap position="float" id="T1">
<label>Table 1</label>
<caption><p>Non-dimensional parameter set used in [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>].</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left"><bold>Parameter</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>Description</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>Value</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>D</italic><sub><italic>c</italic></sub></td>
<td valign="top" align="left">Diffusion of uninfected cells</td>
<td valign="top" align="center">0.025</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>D</italic><sub><italic>i</italic></sub></td>
<td valign="top" align="left">Diffusion of infected cells</td>
<td valign="top" align="center">0.025</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>a</italic></td>
<td valign="top" align="left">Death rate of infected cells</td>
<td valign="top" align="center">3.33</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">&#x003B3;</td>
<td valign="top" align="left">Viral clearance rate</td>
<td valign="top" align="center">13.33</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">&#x003B8;</td>
<td valign="top" align="left">Effective viral production rate</td>
<td valign="top" align="center">[0, 500]</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<sec>
<label>2.1</label>
<title>Kinetic behavior</title>
<p>To understand the mechanisms driving oscillations, we first suppress spatial dependence and analyze the corresponding well-mixed system:</p>
<disp-formula id="EQ2"><mml:math id="M5"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x0010A;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(2a)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ82"><mml:math id="M6"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x00130;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(2b)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ83"><mml:math id="M7"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(2c)</label></disp-formula>
<p>This reduction highlights the feedback loop between viral amplification and tumor recovery. System (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ2">Equation 2</xref>) has been analyzed previously, see for example in [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>] and we summarize the main properties here. The system admits three equilibria:</p>
<disp-formula id="E8"><mml:math id="M8"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></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>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><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:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></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="EQ3"><mml:math id="M9"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">&#x02003;where&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle class="math"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(3)</label></disp-formula>
<p>The condition for existence of the mixed equilibrium <italic>E</italic><sub>&#x0002B;</sub> is <italic>C</italic><sup>&#x0002A;</sup> &#x0003C; 1 or &#x003B8; &#x0003E; <italic>a&#x003B3;</italic>, and <italic>E</italic><sub>&#x0002B;</sub> state is born through a transcritical bifurcation at &#x003B8;<sub><italic>T</italic></sub> &#x0003D; <italic>a&#x003B3;</italic>, as demonstrated in [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. Biologically, this threshold marks the point where viral replication compensates for clearance, allowing infection to persist. As &#x003B8; increases, <italic>E</italic><sub>&#x0002B;</sub> eventually loses stability through a Hopf bifurcation at &#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>, producing sustained oscillations in tumor and viral populations. We show the bifurcation diagram in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>, where &#x003B8; is the bifurcation parameter and all other parameters are fixed as in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>. For three values of &#x003B8; we show the time dynamics of <italic>C</italic>(<italic>t</italic>) in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>.</p>
<fig position="float" id="F2">
<label>Figure 2</label>
<caption><p>Bifurcation diagram vs. &#x003B8; for <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ2">Equation 2</xref>: creation of the coexistence state at the transcritical threshold &#x003B8;<sub><italic>T</italic></sub> &#x0003D; 44.39 and loss of equilibrium stability at the Hopf threshold &#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub> &#x0003D; 338.45.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-12-1774485-g0002.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Graph depicting the relationship between virus production rate (&#x003B8;) and uninfected tumor-cell density (C). It shows stable and unstable equilibrium lines. Key points marked are &#x003B8;&#x0209C; = 44.39 and &#x003B8;&#x02095; = 338.45. Yellow and purple lines indicate maximum and minimum oscillations, respectively.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<fig position="float" id="F3">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>Temporal dynamics of <italic>C</italic>(<italic>t</italic>) across parameter regimes of <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ2">Equation 2</xref>. <bold>(a)</bold> tumor persistence (&#x003B8; &#x0003D; 40); <bold>(b)</bold> stable coexistence (&#x003B8; &#x0003D; 100); <bold>(c)</bold> settles down to periodic oscillations (&#x003B8; &#x0003D; 360).</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-12-1774485-g0003.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Three line graphs display the dynamics of C(t) over time. The first graph shows a rapid increase to stability for \( \theta = 40.0 \), labeled \( \theta &#x0003C; \theta_T \). The second graph demonstrates damped oscillations stabilizing for \( \theta = 100.0 \), labeled \( \theta_T &#x0003C; \theta &#x0003C; \theta_H \). The third graph illustrates sustained oscillations for \( \theta = 360.0 \), labeled \( \theta &#x0003E; \theta_H \). All graphs have time on the x-axis and C(t) on the y-axis.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>The oscillations observed in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> originate from a loss of stability of the coexistence equilibrium <italic>E</italic><sub>&#x0002B;</sub>. To determine the mechanism, we linearize the kinetic system (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ2">Equation 2</xref>) about <italic>E</italic><sub>&#x0002B;</sub> and examine the eigenvalues of its Jacobian matrix:</p>
<disp-formula id="EQ4"><mml:math id="M10"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>J</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</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:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(4)</label></disp-formula>
<p>The characteristic polynomial of <bold>J</bold>(<italic>E</italic><sub>&#x0002B;</sub>) depends smoothly on the viral production rate &#x003B8;. At a critical value &#x003B8; &#x0003D; &#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>, one pair of complex conjugate eigenvalues &#x003BB;<sub>2,3</sub> &#x0003D; &#x000B1;<italic>i&#x003C9;</italic><sub>0<italic>H</italic></sub> crosses the imaginary axis, while the remaining real eigenvalue &#x003BB;<sub>1</sub> stays strictly negative. [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] proved that this crossing satisfies the standard conditions of a forward Hopf bifurcation.</p>
<p>Moreover, near &#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>, the system&#x00027;s behavior is governed by the two-dimensional eigenspace associated with the critical pair &#x003BB;<sub>2,3</sub>, while the remaining direction is rapidly damped (&#x003BB;<sub>1</sub> &#x0003C; 0.). This separation of timescales allows reduction to a planar oscillatory subsystem on the corresponding center manifold.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<label>3</label>
<title>Analysis and model reductions</title>
<p>We perform a systematic model reduction to obtain a Stuart-Landau normal form. We proceed as follows:</p>
<sec>
<label>3.1</label>
<title>Reduction to the center manifold</title>
<p>At the Hopf threshold, the Jacobian <bold>J</bold>(<italic>E</italic><sub>&#x0002B;</sub>(&#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>)) possesses a purely imaginary eigenpair &#x000B1;<italic>i&#x003C9;</italic><sub>0</sub> and a single stable eigenvalue &#x003BB;<sub>1</sub>(&#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>) &#x0003C; 0. Let <bold>e</bold><sub>3</sub> denote the stable eigenvector and <inline-formula><mml:math id="M11"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" class="text"><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:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" class="text"><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:msub><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" class="text"><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> the conjugate pair spanning the oscillatory subspace. The dynamics decompose accordingly: fast decay along <bold>e</bold><sub>3</sub> and sustained oscillations within span{<bold>e</bold><sub>1</sub>, <bold>e</bold><sub>2</sub>}. To make this decomposition explicit, we first shift the equilibrium to the origin:</p>
<disp-formula id="EQ5"><mml:math id="M12"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x00128;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x01E7C;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(5)</label></disp-formula>
<p>Perturbations <inline-formula><mml:math id="M13"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x00128;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x01E7C;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are then expressed in the eigenspace basis as span{<bold>e</bold><sub>1</sub>, <bold>e</bold><sub>2</sub>} to leading order as</p>
<disp-formula id="EQ6"><mml:math id="M14"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x00128;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x01E7C;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><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: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>&#x0002B;</mml:mo><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</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:msub><mml:mrow><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>e</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mtext>Re</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><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: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:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(6)</label></disp-formula>
<p>introducing the complex amplitude <italic>z</italic>(<italic>t</italic>) &#x0003D; <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) &#x0002B; <italic>iv</italic>(<italic>t</italic>). The real variables (<italic>u, v</italic>) represent the reduced coordinates on the center manifold and form the foundation of the Stuart&#x02013;Landau reduction carried out later.</p>
<p>We make this transformation explicit, by computing the eigenvectors <bold>e</bold><sub>1</sub> and <bold>e</bold><sub>2</sub>. We normalize the eigenvector <bold>e</bold><sub>1</sub> so that its third component is real and equal to 1. Then it has the general form</p>
<disp-formula id="EQ7"><mml:math id="M15"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><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:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(7)</label></disp-formula>
<p>where the coefficients <italic>c</italic><sub>1</sub>, <italic>c</italic><sub>2</sub>, <italic>c</italic><sub>3</sub>, <italic>c</italic><sub>4</sub> will be found later. Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ7">Equation 7</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ6">Equation 6</xref> gives</p>
<disp-formula id="EQ8"><mml:math id="M16"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></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>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</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:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></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>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</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:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(8)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ9"><mml:math id="M17"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x00128;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></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>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></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>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(9)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ10"><mml:math id="M18"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x01E7C;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(10)</label></disp-formula>
<p>which defines the forward mapping <inline-formula><mml:math id="M19"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x021A6;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x00128;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x01E7C;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with</p>
<disp-formula id="EQ11"><mml:math id="M20"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(11a)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ84"><mml:math id="M21"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x00128;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(11b)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ85"><mml:math id="M22"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x01E7C;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(11c)</label></disp-formula>
<p>Solving for (<italic>u, v</italic>) yields</p>
<disp-formula id="EQ12"><mml:math id="M23"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x01E7C;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x00128;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(12)</label></disp-formula>
<p>Biologically, <italic>u</italic> corresponds to the viral component, while <italic>v</italic> represents a weighted average of the tumor components.</p>
<p>To determine <bold>e</bold><sub>1</sub> explicitly, we solve</p>
<disp-formula id="EQ13"><mml:math id="M24"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>I</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>J</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><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:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(13)</label></disp-formula>
<p>with <bold>J</bold>(<italic>E</italic><sub>&#x0002B;</sub>) given in <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ4">Equation 4</xref>. Setting <inline-formula><mml:math id="M25"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" class="text"><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:msub><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> gives the linear system</p>
<disp-formula id="EQ14"><mml:math id="M26"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</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>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</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>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><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><label>(14)</label></disp-formula>
<p>From the third row we obtain</p>
<disp-formula id="EQ15"><mml:math id="M27"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(15)</label></disp-formula>
<p>and substituting into the first row gives</p>
<disp-formula id="EQ16"><mml:math id="M28"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(16)</label></disp-formula>
<p>Thus,</p>
<disp-formula id="EQ17"><mml:math id="M29"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><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:mrow><mml:mo stretchy="true">(</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:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(17)</label></disp-formula>
<p>Writing <italic>l</italic><sub>1</sub> &#x0003D; <italic>c</italic><sub>1</sub> &#x0002B; <italic>ic</italic><sub>2</sub> and <italic>l</italic><sub>2</sub> &#x0003D; <italic>c</italic><sub>3</sub> &#x0002B; <italic>ic</italic><sub>4</sub> yields the real coefficients</p>
<disp-formula id="EQ18"><mml:math id="M30"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</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:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</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:mtd><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</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><label>(18a)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ90"><mml:math id="M31"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(18b)</label></disp-formula>
<p>Substituting into <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ12">Equation 12</xref> provides the full coordinate transformation between the physical variables (<italic>C, I, V</italic>) and the reduced oscillatory variables (<italic>u, v</italic>). In particular, the denominator in the expression for <italic>v</italic> is</p>
<disp-formula id="EQ19"><mml:math id="M32"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(19)</label></disp-formula>
<p>which is negative at the Hopf bifurcation. Since the quantity described in <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ19">Equation 19</xref> is the denominator involved in transformation given by <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ12">Equation 12</xref>, it being non-zero confirms that the transformation is well defined in a neighborhood around &#x003B8; &#x0003D; &#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>. We also note that <italic>c</italic><sub>1</sub> &#x0003C; 0 and <italic>c</italic><sub>2</sub>, <italic>c</italic><sub>3</sub>, <italic>c</italic><sub>4</sub> &#x0003E; 0.</p>
</sec>
<sec>
<label>3.2</label>
<title>Nonlinear dynamics on the center manifold</title>
<p>For &#x003B8; near the Hopf threshold &#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub> we write the eigenvalue associated with <bold>e</bold><sub>1</sub> in the general form</p>
<disp-formula id="EQ20"><mml:math id="M33"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</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>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</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>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</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:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</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:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</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>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(20)</label></disp-formula>
<p>The real part &#x003BB;<sub>0</sub>(&#x003B8;) governs the growth or decay of oscillations, while &#x003C9;<sub>0</sub>(&#x003B8;) sets their frequency. On the center manifold, using the complex coordinate <italic>z</italic> &#x0003D; <italic>u</italic> &#x0002B; <italic>iv</italic> from <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ6">Equation 6</xref>, the leading-order linear dynamics take the form</p>
<disp-formula id="EQ21"><mml:math id="M34"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x0017C;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</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>z</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(21)</label></disp-formula>
<p>We show that the nonlinear terms are purely quadratic by a standard application of center manifold theory [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>].</p>
<p><bold>Lemma 1</bold>. <italic>The dynamics on the center manifold at the Hopf point are given by the nonlinear complex amplitude equation</italic></p>
<disp-formula id="EQ22"><mml:math id="M35"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x0017C;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</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>z</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(22)</label></disp-formula>
<p><italic>with coefficients as defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ26">Equations 26</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ27">27</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ31">31</xref></italic>.</p>
<p><italic>Proof</italic>. The original C&#x02013;I&#x02013;V model (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ2">Equation 2</xref>) contains only quadratic nonlinearities (terms such as <italic>C</italic><sup>2</sup>, <italic>CI</italic>, <italic>CV</italic>). After translation to <italic>E</italic><sub>&#x0002B;</sub>, the constant terms vanish, leaving a purely quadratic remainder. Since the change of variables to (<italic>u, v</italic>) in <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ12">Equation 12</xref> is linear, this degree is preserved.</p>
<p>Hence, the reduced vector field on the center manifold is quadratic:</p>
<disp-formula id="EQ23"><mml:math id="M36"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x0017C;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</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>z</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></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>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow></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>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</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:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(23)</label></disp-formula>
<p>with</p>
<disp-formula id="EQ24"><mml:math id="M37"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">P</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</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>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(24)</label></disp-formula>
<p>for some coefficients <italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub>, <italic>q</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x02208; &#x0211D;.</p>
<p>Expanding <italic>u</italic><sup>2</sup>, <italic>v</italic><sup>2</sup>, and <italic>uv</italic> in powers of <italic>z</italic> &#x0003D; <italic>u</italic> &#x0002B; <italic>iv</italic> and <inline-formula><mml:math id="M38"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula> gives</p>
<disp-formula id="EQ25"><mml:math id="M39"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><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:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>z</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(25a)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ91"><mml:math id="M40"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>z</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(25b)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ92"><mml:math id="M41"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(25c)</label></disp-formula>
<p>which leads to the compact complex form (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ22">Equation 22</xref>). with coefficients</p>
<disp-formula id="EQ26"><mml:math id="M42"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">[</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</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>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(26a)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ93"><mml:math id="M43"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">[</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(26b)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ94"><mml:math id="M44"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">[</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(26c)</label></disp-formula>
<p>It remains to determine the coefficients <italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub> and <italic>q</italic><sub><italic>i</italic></sub> at the Hopf point. By construction, <inline-formula><mml:math id="M45"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>&#x01E7C;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and from <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ2">Equation 2</xref> the <inline-formula><mml:math id="M46"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>-equation is purely linear,</p>
<disp-formula id="E40"><mml:math id="M47"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Using &#x01E7C; &#x0003D; 2<italic>u</italic> and &#x00128; &#x0003D; 2(<italic>c</italic><sub>3</sub><italic>u</italic> &#x02212; <italic>c</italic><sub>4</sub><italic>v</italic>) from <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ11">Equation 11</xref> gives</p>
<disp-formula id="E41"><mml:math id="M48"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>&#x00128;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>&#x01E7C;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Substituting <italic>c</italic><sub>3</sub> &#x0003D; &#x003B3;/&#x003B8; and <italic>c</italic><sub>4</sub> &#x0003D; &#x003C9;<sub>0<italic>H</italic></sub>/&#x003B8; yields <inline-formula><mml:math id="M49"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi></mml:math></inline-formula>, confirming that</p>
<disp-formula id="EQ27"><mml:math id="M50"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></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><label>(27)</label></disp-formula>
<p>To find the coefficients <italic>q</italic><sub>1</sub>, <italic>q</italic><sub>2</sub>, <italic>q</italic><sub>3</sub>, we consider the parametrization of <inline-formula><mml:math id="M51"><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant="bold" class="text"><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:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022A4;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. Recall from <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ11">Equation 11</xref> that</p>
<disp-formula id="E43"><mml:math id="M52"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x00128;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x01E7C;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and from <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ12">Equation 12</xref>,</p>
<disp-formula id="E44"><mml:math id="M53"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x00128;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The quadratic parts of the ODE system <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ2">Equation 2</xref> in shifted variables are</p>
<disp-formula id="EQ28"><mml:math id="M54"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>quad</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>&#x00128;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>&#x01E7C;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x00128;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>quad</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>&#x01E7C;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x01E7C;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>quad</mml:mtext></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><label>(28)</label></disp-formula>
<p>Because <italic>c</italic><sub>1</sub>, <italic>c</italic><sub>3</sub>, &#x003B4; are constants,</p>
<disp-formula id="EQ29"><mml:math id="M55"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>quad</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>quad</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x00128;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>quad</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(29)</label></disp-formula>
<p>Expressing <inline-formula><mml:math id="M56"><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M57"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>&#x00128;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M58"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mi>&#x01E7C;</mml:mi></mml:math></inline-formula> in terms of (<italic>u, v</italic>) and simplifying yields</p>
<disp-formula id="EQ30"><mml:math id="M59"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>quad</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">[</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><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:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</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:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></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;&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><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>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(30a)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ95"><mml:math id="M61"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x00128;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>quad</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>4</mml:mn><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><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:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(30b)</label></disp-formula>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ30">Equation 30</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ29">Equation 29</xref> and matching terms with <inline-formula><mml:math id="M62"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>quad</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> yields</p>
<disp-formula id="EQ31"><mml:math id="M63"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</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:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></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>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</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>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(31)</label></disp-formula>
<p><bold>Remark 1</bold>. <italic>The lemma stated above holds for all values of &#x003B8;, since it follows from the quadratic nonlinearity of the original system. However we note that p<sub>i</sub> and q<sub>i</sub> depend on the parameter &#x003B8;, and to find them for &#x003B8; &#x02260; &#x003B8;<sub>H</sub> would be more involved</italic>.</p>
</sec>
<sec>
<label>3.3</label>
<title>Normal form reduction</title>
<p>To pass from the quadratic center-manifold system (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ22">Equation 22</xref>) to a universal amplitude description, we remove quadratic terms in <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ22">Equation 22</xref> by a parameter-dependent near-identity change of variables, following the Hopf normal-form construction (cf. [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>], Lemma 3.4) with bifurcation parameter &#x003B8; (throughout, the coefficients <italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub>(&#x003B8;), <italic>q</italic><sub><italic>i</italic></sub>(&#x003B8;) and hence <italic>g</italic><sub><italic>ij</italic></sub>(&#x003B8;) depend smoothly on &#x003B8;).</p>
<p><bold>Lemma 2</bold> (Transformation to the Hopf normal form). <italic>Consider the complex amplitude equation on the center manifold</italic></p>
<disp-formula id="EQ32"><mml:math id="M64"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x0017C;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></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><label>(32)</label></disp-formula>
<p><italic>where &#x003BC;(&#x003B8;) &#x0003D; &#x003BB;<sub>0</sub>(&#x003B8;)&#x0002B;<italic>i&#x003C9;</italic><sub>0</sub>(&#x003B8;) with &#x003BB;<sub>0</sub>(&#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>) &#x0003D; 0 and &#x003C9;<sub>0</sub>(&#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>) &#x0003D; &#x003C9;<sub>0<italic>H</italic></sub> &#x0003E; 0. There exists an invertible, &#x003B8;-dependent near-identity change of complex coordinate</italic></p>
<disp-formula id="EQ33"><mml:math id="M65"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>&#x00233;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</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><label>(33)</label></disp-formula>
<p>valid for sufficiently small |<italic>y</italic>| and |&#x003B8;&#x02212;&#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>|, which transforms <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ32">Equation 32</xref> into an equation without quadratic terms:</p>
<disp-formula id="EQ34"><mml:math id="M66"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x01E8F;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(34)</label></disp-formula>
<p><italic>Proof</italic>. To obtain a normal form of a Hopf bifurcation we remove the quadratic terms in <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ32">Equation 32</xref> by a near-identity change of variables (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ33">Equation 33</xref>), where the constants <italic>h</italic><sub>20</sub>, <italic>h</italic><sub>11</sub>, <italic>h</italic><sub>02</sub> will be determined at a later stage of the proof.</p>
<p>We begin from the near-identity change of variables defined in <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ33">Equation 33</xref>, which upon inverting formally gives</p>
<disp-formula id="EQ35"><mml:math id="M67"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>&#x00233;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</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><label>(35)</label></disp-formula>
<p>Since <italic>z</italic> &#x0003D; <italic>y</italic> &#x0002B; <italic>O</italic>(|<italic>y</italic>|<sup>2</sup>), we may replace each quadratic monomial in <italic>y</italic> by its <italic>z</italic>&#x02013;counterpart up to cubic error:</p>
<disp-formula id="EQ36"><mml:math id="M68"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(36)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ37"><mml:math id="M69"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>&#x00233;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(37)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ38"><mml:math id="M70"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(38)</label></disp-formula>
<p>Substituting <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ36">Equations 36</xref>&#x02013;<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ38">38</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ35">Equation 35</xref> yields</p>
<disp-formula id="EQ39"><mml:math id="M71"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(39)</label></disp-formula>
<p>Next, we want to use <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ32">Equation 32</xref> to write dynamical equation for &#x01E8F;. We start by differentiating <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ39">Equation 39</xref>:</p>
<disp-formula id="EQ40"><mml:math id="M72"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x01E8F;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x0017C;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>&#x0017C;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0017C;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(40)</label></disp-formula>
<p>And next we substitute &#x0017C; from <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ32">Equation 32</xref>, keeping only terms up to quadratic order. Since</p>
<disp-formula id="E60"><mml:math id="M73"><mml:mrow><mml:mi>&#x0017C;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p><xref ref-type="disp-formula" rid="EQ40">Equation 40</xref> becomes</p>
<disp-formula id="EQ41"><mml:math id="M74"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x01E8F;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>z</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(41)</label></disp-formula>
<p>Finally, using <italic>z</italic> &#x0003D; <italic>y</italic> &#x0002B; <italic>O</italic>(|<italic>y</italic>|<sup>2</sup>) and collecting quadratic terms in <italic>y</italic>, we obtain</p>
<disp-formula id="EQ42"><mml:math id="M76"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x01E8F;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(42)</label></disp-formula>
<p>Thus, by choosing</p>
<disp-formula id="EQ43"><mml:math id="M78"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></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>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></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>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></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>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(43)</label></disp-formula>
<p>we cancel all quadratic terms and obtain the cubic normal form (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ34">Equation 34</xref>). At &#x003B8; &#x0003D; &#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub> we have &#x003BC;(&#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>) &#x0003D; <italic>i&#x003C9;</italic><sub>0<italic>H</italic></sub> &#x02260; 0 and <inline-formula><mml:math id="M79"><mml:mn>2</mml:mn><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02260;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, so the denominators remain nonzero for |&#x003B8;&#x02212;&#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>| sufficiently small.</p>
<p>Consequently, applying Lemma 2&#x02013;22 removes the quadratic terms and generates cubic terms resulting from the nonlinear transformation. Denoting the transformed coordinate by <italic>y</italic>, we get the following equation:</p>
<disp-formula id="EQ44"><mml:math id="M80"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x01E8F;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>30</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x00233;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>03</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(44)</label></disp-formula>
<p>To move from this equation to the normal form description, we use another standard transformation method (c.f [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>], Lemma 3.5) to derive the <bold>Stuart&#x02013;Landau normal form</bold> as the correct approximation to center manifold. This is presented in Lemma 3, where we also proceed to analytically determine the Lyapunov coefficient, which demonstrates the supercritical nature of Hopf Bifurcation.</p>
<p><bold>Lemma 3</bold> (Normal form derivation). <italic>The cubic equation for <italic>y</italic> generated by Lemma 2</italic>,</p>
<disp-formula id="EQ45"><mml:math id="M81"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x01E8F;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>!</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>!</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(45)</label></disp-formula>
<p><italic>can be transformed by an invertible, parameter-dependent change of complex coordinate</italic></p>
<disp-formula id="EQ46"><mml:math id="M82"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>30</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>w</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>03</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(46)</label></disp-formula>
<p><italic>for all sufficiently small |&#x003B8;&#x02212;&#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>|, into an equation with only one cubic term:</italic></p>
<disp-formula id="EQ47"><mml:math id="M83"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x01E87;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</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>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</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>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(47)</label></disp-formula>
<p><italic>Proof</italic>. The inverse transformation from <italic>y</italic> to <italic>w</italic> can be written by substituting <italic>w</italic> &#x0003D; <italic>y</italic> &#x0002B; <italic>O</italic>(|<italic>w</italic>|<sup>3</sup>) in <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ46">Equation 46</xref>:</p>
<disp-formula id="EQ48"><mml:math id="M84"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>30</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x00233;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>03</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(48)</label></disp-formula>
<p>Differentiating with respect to time and substituting &#x01E8F; from <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ45">Equation 45</xref>:</p>
<disp-formula id="EQ49"><mml:math id="M85"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x01E87;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x01E8F;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>30</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x01E8F;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>&#x00233;</mml:mi><mml:mi>&#x01E8F;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x01E8F;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>&#x00233;</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>03</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>30</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>30</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>03</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>03</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x00233;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(49)</label></disp-formula>
<p>Substituting <italic>y</italic> in terms of <italic>w</italic> (from <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ46">Equation 46</xref>) and collecting powers yields:</p>
<disp-formula id="EQ50"><mml:math id="M87"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x01E87;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><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>30</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>30</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><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>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><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>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><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>03</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>03</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(50)</label></disp-formula>
<p>By setting <italic>H</italic><sub>30</sub> &#x0003D; <italic>G</italic><sub>30</sub>/2&#x003BC;, <inline-formula><mml:math id="M89"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M90"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>03</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>03</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, we eliminate all cubic terms except <inline-formula><mml:math id="M91"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula>. The coefficient of the <inline-formula><mml:math id="M92"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> term is <inline-formula><mml:math id="M93"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><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>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This term could be removed if <inline-formula><mml:math id="M94"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, but since <inline-formula><mml:math id="M95"><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> at the bifurcation point, the divisor vanishes. For this reason, <inline-formula><mml:math id="M96"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> term is called resonant term and to ensure a smooth transformation with respect to &#x003B8;, we set <italic>H</italic><sub>21</sub> &#x0003D; 0. So after all these substitutions in <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ50">Equation 50</xref>, we obtain:</p>
<disp-formula id="E75"><mml:math id="M97"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x01E87;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></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>which is the Stuart&#x02013;Landau form with Lyapunov coefficient &#x003BA;(&#x003B8;) &#x0003D; <italic>G</italic><sub>21</sub>/2.</p>
<p>We already know that this Hopf bifurcation is supercritical from the stable limit cycle observed numerically (<xref ref-type="fig" rid="F2">Figures 2</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F3">3</xref>) but can demonstrate this also by checking the sign of &#x003BA;(&#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>). From another result from [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>]:</p>
<disp-formula id="E76"><mml:math id="M98"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</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>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><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>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>02</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">Re</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</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:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">Im</mml:mtext><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>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></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>Recall <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ26">Equation 26</xref> by noting that <italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0003D; 0 (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ27">Equation 27</xref>), so we can write:</p>
<disp-formula id="E77"><mml:math id="M99"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>20</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></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:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>which gives:</p>
<disp-formula id="EQ51"><mml:math id="M100"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">Re</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003BA;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</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:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</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:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</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:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></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><label>(51)</label></disp-formula>
<p>Since we already know <italic>q</italic><sub><italic>i</italic></sub> in terms of eigenvector components <italic>c</italic><sub><italic>i</italic></sub> (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ31">Equation 31</xref>), this can be computed and we obtain <italic>q</italic><sub>2</sub> &#x0003C; 0, <italic>q</italic><sub>1</sub> &#x0002B; <italic>q</italic><sub>3</sub> &#x0003C; 0 which gives negative value of &#x003BA; confirming that the bifurcation is supercritical and a stable limit cycle emerges from it. We note that this normal form approach to determine bifurcation elements is quite general and specifically for a class of delayed oncolytic model, formalized in [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>].</p>
</sec>
<sec>
<label>3.4</label>
<title>Phase and amplitude equations</title>
<p>We now reinterpret the Stuart&#x02013;Landau normal form</p>
<disp-formula id="EQ52"><mml:math id="M101"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x01E87;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</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>w</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</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 stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>w</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(52)</label></disp-formula>
<p>where &#x003BB;<sub>0</sub>(&#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>) &#x0003D; 0 and &#x003C9;<sub>0</sub>(&#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>) &#x0003D; &#x003C9;<sub>0<italic>H</italic></sub> &#x0003E; 0, and where <italic>c</italic><sub>1</sub>(&#x003B8;) &#x0003D; &#x02212;<italic>a</italic><sub>1</sub> &#x02212; <italic>ib</italic><sub>1</sub> is the cubic normal form coefficient.</p>
<p>Writing the complex amplitude as <italic>w</italic> &#x0003D; <italic>re</italic><sup><italic>i&#x003D5;</italic></sup> with <italic>r</italic> &#x02265; 0 and separating real and imaginary parts yields</p>
<disp-formula id="EQ53"><mml:math id="M102"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x01E59;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></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:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(53a)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ98"><mml:math id="M103"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003D5;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x002D9;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(53b)</label></disp-formula>
<p>which, to leading order, are the classical &#x0039B;&#x02013;&#x003A9; <italic>equations</italic> [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>] with</p>
<disp-formula id="E82"><mml:math id="M104"><mml:mrow><mml:mo>&#x0039B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>For a supercritical Hopf bifurcation (<italic>a</italic><sub>1</sub> &#x0003E; 0), the amplitude equation admits a stable limit cycle of radius <inline-formula><mml:math id="M105"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, oscillating at frequency <inline-formula><mml:math id="M106"><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>As &#x003B8; crosses &#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>, &#x003BB;<sub>0</sub> changes sign and <italic>r</italic><sup>&#x0002A;</sup> grows from 0 for <inline-formula><mml:math id="M107"><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> which agrees with the original ODE description, where Hopf Bifurcation creates a stable limit cycle with increasing amplitude as we move a bit further from the bifurcation point. We consider only the supercritical case because for the subcritical case <italic>a</italic><sub>1</sub> &#x0003C; 0 there should be unstable cycles, which are not observed in simulations.</p>
<p>To reformulate (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ53">Equation 53</xref>) in a simpler form, we first remove the trivial rotation at frequency &#x003C9;<sub>0</sub>, we introduce the co-rotating variable <italic>W</italic>(<italic>t</italic>):</p>
<disp-formula id="EQ54"><mml:math id="M108"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>w</mml:mi><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>W</mml:mi><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:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mi>W</mml:mi><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>w</mml:mi><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:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(54)</label></disp-formula>
<p>so that |<italic>w</italic>| &#x0003D; |<italic>W</italic>|. Differentiation and substitution into <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ52">Equation 52</xref> give</p>
<disp-formula id="EQ55"><mml:math id="M109"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x01E86;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</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>W</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</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 stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>W</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x01E86;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</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 stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>W</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>W</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(55)</label></disp-formula>
<p>Assuming <italic>a</italic><sub>1</sub> &#x0003E; 0, we scale variables to normalize the linear and cubic terms by defining</p>
<disp-formula id="EQ56"><mml:math id="M111"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>W</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(56a)</label></disp-formula>
<disp-formula id="EQ99"><mml:math id="M112"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x021D2;</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><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:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(56b)</label></disp-formula>
<p>Using <inline-formula><mml:math id="M113"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and substituting into <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ55">Equation 55</xref> yields the normal form</p>
<disp-formula id="EQ57"><mml:math id="M114"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>O</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(57)</label></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="EQ58"><mml:math id="M115"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(58)</label></disp-formula>
<p>captures the strength of amplitude&#x02013;frequency coupling.</p>
<p>In this nondimensional form, the amplitude saturates at |&#x003C1;| &#x0003D; 1 while the imaginary coefficient &#x003B2;|&#x003C1;|<sup>2</sup> generates the amplitude-dependent frequency shift in periodic orbits near unstable point. &#x003B2; in particular serves as an asynchrony parameter in the reduced normal form, since a higher &#x003B2; implies that even slight variations in amplitude can change the frequency by a large amount. Effects of this will become apparent in the spatial context, where such sensitive oscillators when coupled by diffusion would fail to synchronize and &#x003B2; would emerge as the determining factor in stability of different possible patterns.</p>
</sec>
<sec>
<label>3.5</label>
<title>Evaluating the normal-form parameter &#x003B2;</title>
<p>The parameter &#x003B2; in <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ57">Equation 57</xref> quantifies the nonlinear frequency shift per unit amplitude growth and links the reduced dynamics to the underlying C&#x02013;I&#x02013;V kinetics. To express it in measurable terms, note that for &#x003B8; &#x0003E; &#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub> the stable limit cycle with radius <italic>r</italic><sub>&#x0002A;</sub> satisfies</p>
<disp-formula id="EQ59"><mml:math id="M116"><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:msub><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x021D2;</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></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><label>(59)</label></disp-formula>
<p>Its oscillation frequency,</p>
<disp-formula id="EQ60"><mml:math id="M117"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>osc</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>osc</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></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><label>(60)</label></disp-formula>
<p>then gives</p>
<disp-formula id="EQ61"><mml:math id="M118"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</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>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>osc</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</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>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</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>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>osc</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</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>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(61)</label></disp-formula>
<p>Thus &#x003B2; can be obtained directly by combining the linear eigenvalues (&#x003BB;<sub>0</sub>, &#x003C9;<sub>0</sub>) of the coexistence state with the nonlinear oscillation period <italic>T</italic><sub>osc</sub>(&#x003B8;) of the full system.</p>
<p>This observation leads to the following workflow: For each &#x003B8; near the Hopf threshold:</p>
<list list-type="order">
<list-item><p>Compute the leading complex eigenvalue &#x003BC;(&#x003B8;) &#x0003D; &#x003BB;<sub>0</sub>(&#x003B8;)&#x0002B;<italic>i&#x003C9;</italic><sub>0</sub>(&#x003B8;) of the Jacobian (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ4">Equation 4</xref>).</p></list-item>
<list-item><p>Integrate the ODE (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ2">Equation 2</xref>) until transients decay and measure the oscillation period <italic>T</italic><sub>osc</sub>(&#x003B8;) from successive peaks of <italic>C</italic>(<italic>t</italic>).</p></list-item>
<list-item><p>Evaluate &#x003B2;(&#x003B8;) via <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ61">Equation 61</xref>.</p></list-item>
</list>
<p><bold>Example:</bold> For our base parameter set from <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref> we show in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> the eigenvalue pair of <italic>E</italic><sub>&#x0002B;</sub> as &#x003B8; increases: &#x003BB;<sub>0</sub>(&#x003B8;) crosses zero at &#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>, while &#x003C9;<sub>0</sub>(&#x003B8;) varies slowly. <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> illustrates the resulting oscillations of <italic>C</italic>(<italic>t</italic>) for representative values of &#x003B8; above the threshold. Combining linear and nonlinear data gives the nearly constant &#x003B2;(&#x003B8;) values in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>. The ratio &#x003C9;<sub>0</sub> &#x02212; &#x003A9;<sub>osc</sub> grows roughly proportionally to &#x003BB;<sub>0</sub>, keeping &#x003B2; of order 40 with only weak dependence on &#x003B8;. This suggests that the frequency-amplitude coupling is an intrinsic property of the underlying C&#x02013;I&#x02013;V kinetics rather than a parameter-specific artifact.</p>
<fig position="float" id="F4">
<label>Figure 4</label>
<caption><p>Leading eigenvalue components of the coexistence equilibrium <italic>E</italic><sub>&#x0002B;</sub> as functions of viral production rate &#x003B8;. The real part &#x003BB;<sub>0</sub>(&#x003B8;) crosses zero at &#x003B8; &#x0003D; &#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>, marking the Hopf bifurcation, while the imaginary part &#x003C9;<sub>0</sub>(&#x003B8;) varies only weakly.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-12-1774485-g0004.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Two line graphs are displayed. The left graph shows the real part \(\lambda_0(\theta)\) in red, with an upward trend from about -0.004 to 0.008 as \(\theta\) ranges from 320 to 380. The right graph depicts the imaginary part \(\omega_0(\theta)\) in blue, also with an upward trend from approximately 1.510 to 1.528 over the same \(\theta\) range. Both graphs have labels and grid lines.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<fig position="float" id="F5">
<label>Figure 5</label>
<caption><p>Limit cycle oscillations of tumor cell density <italic>C</italic>(<italic>t</italic>) above the Hopf bifurcation. Each panel shows the last 100 time units of a simulation with total duration <italic>T</italic> &#x0003D; 5, 000. Red markers indicate peaks used to compute <italic>T</italic><sub>osc</sub> and &#x003A9;<sub>osc</sub>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-12-1774485-g0005.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Two graphs show limit cycle oscillations for \(\theta = 340\) and \(\theta = 360\). Both display a blue oscillating line with red markers indicating detected peaks. The x-axis is labeled &#x0201C;Time&#x0201D; and the y-axis &#x0201C;C(t)&#x0201D;.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<table-wrap position="float" id="T2">
<label>Table 2</label>
<caption><p>Comparison of Jacobian eigenvalues and measured oscillation properties for &#x003B8; &#x0003D; 340&#x02013;360.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left"><bold>&#x003B8;</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>&#x003BB;<sub>0</sub></bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>&#x003C9;<sub>0</sub></bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold><italic>T</italic><sub>osc</sub></bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>&#x003A9;<sub>osc</sub></bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>&#x003B2;</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">340</td>
<td valign="top" align="center">0.0004</td>
<td valign="top" align="center">1.5161</td>
<td valign="top" align="center">4.191</td>
<td valign="top" align="center">1.499</td>
<td valign="top" align="center">43.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">341</td>
<td valign="top" align="center">0.0006</td>
<td valign="top" align="center">1.5164</td>
<td valign="top" align="center">4.217</td>
<td valign="top" align="center">1.490</td>
<td valign="top" align="center">44.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">342</td>
<td valign="top" align="center">0.0009</td>
<td valign="top" align="center">1.5167</td>
<td valign="top" align="center">4.235</td>
<td valign="top" align="center">1.484</td>
<td valign="top" align="center">37.6</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">343</td>
<td valign="top" align="center">0.0011</td>
<td valign="top" align="center">1.5170</td>
<td valign="top" align="center">4.259</td>
<td valign="top" align="center">1.475</td>
<td valign="top" align="center">38.2</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">344</td>
<td valign="top" align="center">0.0013</td>
<td valign="top" align="center">1.5174</td>
<td valign="top" align="center">4.286</td>
<td valign="top" align="center">1.466</td>
<td valign="top" align="center">39.1</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">345</td>
<td valign="top" align="center">0.0015</td>
<td valign="top" align="center">1.5177</td>
<td valign="top" align="center">4.309</td>
<td valign="top" align="center">1.458</td>
<td valign="top" align="center">39.5</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">346</td>
<td valign="top" align="center">0.0018</td>
<td valign="top" align="center">1.5180</td>
<td valign="top" align="center">4.332</td>
<td valign="top" align="center">1.450</td>
<td valign="top" align="center">38.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">347</td>
<td valign="top" align="center">0.0020</td>
<td valign="top" align="center">1.5183</td>
<td valign="top" align="center">4.359</td>
<td valign="top" align="center">1.441</td>
<td valign="top" align="center">38.6</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">348</td>
<td valign="top" align="center">0.0022</td>
<td valign="top" align="center">1.5186</td>
<td valign="top" align="center">4.382</td>
<td valign="top" align="center">1.434</td>
<td valign="top" align="center">39.3</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">349</td>
<td valign="top" align="center">0.0024</td>
<td valign="top" align="center">1.5190</td>
<td valign="top" align="center">4.409</td>
<td valign="top" align="center">1.425</td>
<td valign="top" align="center">39.2</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">350</td>
<td valign="top" align="center">0.0026</td>
<td valign="top" align="center">1.5193</td>
<td valign="top" align="center">4.432</td>
<td valign="top" align="center">1.418</td>
<td valign="top" align="center">39.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">351</td>
<td valign="top" align="center">0.0029</td>
<td valign="top" align="center">1.5196</td>
<td valign="top" align="center">4.455</td>
<td valign="top" align="center">1.410</td>
<td valign="top" align="center">38.3</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">352</td>
<td valign="top" align="center">0.0031</td>
<td valign="top" align="center">1.5199</td>
<td valign="top" align="center">4.481</td>
<td valign="top" align="center">1.402</td>
<td valign="top" align="center">38.1</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">353</td>
<td valign="top" align="center">0.0033</td>
<td valign="top" align="center">1.5202</td>
<td valign="top" align="center">4.505</td>
<td valign="top" align="center">1.395</td>
<td valign="top" align="center">37.7</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">354</td>
<td valign="top" align="center">0.0035</td>
<td valign="top" align="center">1.5205</td>
<td valign="top" align="center">4.529</td>
<td valign="top" align="center">1.387</td>
<td valign="top" align="center">37.5</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">355</td>
<td valign="top" align="center">0.0037</td>
<td valign="top" align="center">1.5208</td>
<td valign="top" align="center">4.557</td>
<td valign="top" align="center">1.379</td>
<td valign="top" align="center">37.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">356</td>
<td valign="top" align="center">0.0039</td>
<td valign="top" align="center">1.5211</td>
<td valign="top" align="center">4.580</td>
<td valign="top" align="center">1.372</td>
<td valign="top" align="center">36.9</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">357</td>
<td valign="top" align="center">0.0041</td>
<td valign="top" align="center">1.5214</td>
<td valign="top" align="center">4.605</td>
<td valign="top" align="center">1.364</td>
<td valign="top" align="center">36.6</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">358</td>
<td valign="top" align="center">0.0043</td>
<td valign="top" align="center">1.5217</td>
<td valign="top" align="center">4.629</td>
<td valign="top" align="center">1.357</td>
<td valign="top" align="center">36.4</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">359</td>
<td valign="top" align="center">0.0045</td>
<td valign="top" align="center">1.5220</td>
<td valign="top" align="center">4.655</td>
<td valign="top" align="center">1.350</td>
<td valign="top" align="center">36.0</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left">360</td>
<td valign="top" align="center">0.0047</td>
<td valign="top" align="center">1.5223</td>
<td valign="top" align="center">4.680</td>
<td valign="top" align="center">1.343</td>
<td valign="top" align="center">36.2</td>
</tr></tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<p>The synchrony parameter &#x003B2;(&#x003B8;) is computed from <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ61">Equation 61</xref>. Note the near constancy of &#x003B2; across the range.</p>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<label>4</label>
<title>Inclusion of diffusion</title>
<p>To add diffusion back into the above transformation and scaling arguments we recall the linear change of variables from <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ12">Equation 12</xref>:</p>
<disp-formula id="EQ62"><mml:math id="M119"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x01E7C;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x00128;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(62)</label></disp-formula>
<p>where the coefficients <italic>c</italic><sub>1</sub>, <italic>c</italic><sub>2</sub>, <italic>c</italic><sub>3</sub>, <italic>c</italic><sub>4</sub> are given in <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ18">Equation 18</xref>. Thus, <italic>u</italic> depends primarily on the viral perturbation &#x01E7C;, while <italic>v</italic> is a fixed linear combination of the cellular perturbations <inline-formula><mml:math id="M120"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> and &#x00128;.</p>
<p>Since the viral diffusivity was normalized to unity (<italic>D</italic><sub><italic>V</italic></sub> &#x0003D; 1), <italic>u</italic> inherits diffusion coefficient 1. Similarly, <italic>v</italic> is a linear combination of the two cancer populations, which have a common diffusion coefficient <italic>D</italic><sub><italic>c</italic></sub> &#x0003D; <italic>D</italic><sub><italic>i</italic></sub>. Hence <italic>v</italic> inherits the same effective diffusivity <italic>D</italic><sub><italic>c</italic></sub>. In the (<italic>u, v</italic>) coordinates the diffusion matrix is diagonal:</p>
<disp-formula id="EQ63"><mml:math id="M121"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</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>1</mml:mn></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:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(63)</label></disp-formula>
<p>Combining spatial coupling with the linear kinetics, we obtain on the Center Manifold that</p>
<disp-formula id="EQ64"><mml:math id="M122"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</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>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</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>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</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>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</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>u</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>v</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">nonlinear terms</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(64a)</label></disp-formula>
<p>This reduced reaction-diffusion system captures the linear oscillatory modes and their spatial coupling. The next step is to include the weak nonlinearities that saturate these oscillations and ultimately give rise to pattern formation.</p>
<sec>
<label>4.1</label>
<title>Observed patterns and explanation</title>
<p>In the previous section we reduced the oncolytic virotherapy model to an oscillatory form, highlighting its proximity to a Hopf bifurcation. Once such a reduction is available, the system can be interpreted within the general theory of coupled oscillators, where diffusion and nonlinear interactions organize local oscillations into coherent spatial structures such as plane waves, spiral waves, and turbulent patterns [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>].</p>
<p>Here, we illustrate the behavior of the original <italic>C</italic> &#x02212; &#x02212;<italic>I</italic> &#x02212; &#x02212;<italic>V</italic> model (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ1">Equation 1</xref>) using VisualPDE [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>] simulations. We encourage readers to explore the interactive models via the links included in the figure captions. We explore the dynamics for various values of &#x003B8; and describe the main phenomena that emerge. Throughout these experiments, we impose Neumann boundary conditions. Initial conditions consist of a homogeneous tumor mass (<italic>C, I, V</italic>) &#x0003D; (1, 0, 0) with localized viral inoculation spots, where the concentration is set to (<italic>C, I, V</italic>) &#x0003D; (1, 0, 10). Depending on the experiment, the computational 2-dimensional domain is chosen to be either square or circular with Neumann boundary conditions, as indicated in the figures. These numerical experiments serve as a reference point for the more systematic analysis to follow, where we return to the analytically reduced system to isolate and interpret specific features.</p>
<p><bold>Initial Ring Formation and Wave Propagation</bold>. To observe the initial behavior upon inoculation, we take circular domain with radius 250 units, and &#x003B8; &#x0003D; 350, with two spots of virus injected. Upon inoculation, the infection spreads in waves of virus chasing the tumor to form expanding circular rings that radiate outward from the source. As shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>, these waves originate at the inoculation site, which for &#x003B8; &#x0003E; &#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>, act as a pacemaker sustaining periodic emission of fronts. But over time, we see that these fronts collide, merge, and distort&#x02013;marking the transition from ordered wave propagation to the irregular patterns to come in later stages. We observe some symmetry in the patterns of <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>, the cause of which seems that since we have inoculated the spots at the same time, they have same initial behavior and the disturbances created by them add up linearly so that patterns are expected to be symmetric for initial times along the line which goes between them.</p>
<fig position="float" id="F6">
<label>Figure 6</label>
<caption><p>Early dynamics of system (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ1">Equation 1</xref>) following localized viral inoculation (VisualPDE Simulation [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>]). Domain radius = 250, &#x003B8; &#x0003D; 350, other parameters from <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>. We have plotted the tumor concentration, where gray regions are close to zero value while the red regions cover high tumor densities. <bold>(a)</bold> Viral introduction at a point source. <bold>(b)</bold> Expanding circular fronts form around the core. <bold>(c)</bold> As fronts widen and interact, curvature decreases and the system progresses toward complex, disordered motion. The simulation can be accessed here: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://visualpde.com/sim/?mini=lfAVqB3Z">https://visualpde.com/sim/?mini=lfAVqB3Z</ext-link>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-12-1774485-g0006.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Three circular diagrams illustrate changes over time. Diagram (a) at time zero shows two small gray circles within a red background. Diagram (b) at time fifteen shows an expansion of gray areas surrounding the small circles, creating a pattern with red borders. Diagram (c) at time forty displays more complex gray and red swirling patterns with concentric rings around the initial circles.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p><bold>Spatiotemporal patterns beyond Hopf bifurcation</bold> To see the long term behavior of the system (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ1">Equation 1</xref>), we take a square domain of size 500 units and simulate with viral production rate &#x003B8; &#x0003D; 500, which is well above the Hopf threshold (recall that &#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub> &#x02248; 338). A different color scheme is adopted to make the contrast in tumor density more apparent, where blue region is the lowest, red is intermediate, orange is high and yellow is the highest. Representative snapshots in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> show that the domain is tiled by fragmented tumor aggregates whose collisions and mergers sustain long-term turbulent activity rather than relaxing to a simple fixed pattern.</p>
<fig position="float" id="F7">
<label>Figure 7</label>
<caption><p>Persistent spatiotemporal activity beyond Hopf bifurcation (&#x003B8; &#x0003D; 500). Snapshots of the field show turbulent organization of tumor mass on a square domain with side 500 units (VisualPDE; [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>]). The simulation can be accessed here: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://visualpde.com/sim/?mini=LjbG7NBb">https://visualpde.com/sim/?mini=LjbG7NBb</ext-link>. <bold>(a)</bold> <italic>t</italic> &#x0003D; 500, <bold>(b)</bold> <italic>t</italic> &#x0003D; 750, <bold>(c)</bold> <italic>t</italic> &#x0003D; 1, 000.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-12-1774485-g0007.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Three panels labeled (a) t = 500, (b) t = 750, and (c) t = 1000 show abstract patterns of red, yellow, and blue swirls. The formations become more spread and intricate from panel (a) to (c).</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p><bold>Spiral fragments</bold> To identify some organizing structure within this turbulent behavior, we consider a close-up sequence in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>, again for circular domain of radius 250 units and &#x003B8; &#x0003D; 350. In this zoomed in snapshot at the boundary of the circular domain, we observe a single spiraling disturbance, which seems to rotate and also drift a little, with possibly a length scale for its wavelength and curvature. This serves as a visual clue to look for spiral wave solutions for our original system (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ1">Equation 1</xref>), which we will discuss in more detail in the upcoming sections.</p>
<fig position="float" id="F8">
<label>Figure 8</label>
<caption><p>Plot of tumor mass density showing closeup on spiral disturbance for &#x003B8; &#x0003D; 350, with color intensity proportional to tumor concentration. Consecutive frames show a single rotating wave segment where the tip precesses slowly while the arm maintains a rough structure and length scale, characteristic of spiral-wave dynamics (adapted from VisualPDE [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>]). The simulation can be accessed here: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://visualpde.com/sim/?mini=oXulWk5A">https://visualpde.com/sim/?mini=oXulWk5A</ext-link>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-12-1774485-g0008.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Four panels display abstract blue and white blurry patterns. Each has a similar wavy texture with vertical jagged edges on the left side, creating a gradient effect that transitions between light and dark blue shades.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p><bold>Amplitude modulations at fixed spatial points</bold> To further probe the spatiotemporal behavior, for our choice of parameter &#x003B8; &#x0003D; 350, we restrict attention to the temporal evolution at a fixed spatial point in the domain. We would like to choose a point not too close to the boundary, nor at the center, nor at a symmetrical point so we choose <italic>x</italic><sub>0</sub> &#x0003D; (10, 20) for our purpose here and record the time series of <italic>V</italic> at <italic>x</italic><sub>0</sub> for a simulation in square domain of side <italic>L</italic> &#x0003D; 100. The resulting dynamics, shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref>, reveal a slow envelope riding on top of the fast oscillations near the natural frequency. To better visualize the amplitude modulations, we need to tune out the fast oscillations for which we construct a Poincar&#x000E9; sampling at fixed intervals &#x00394;<italic>t</italic> close to one oscillation period (here for &#x00394;<italic>t</italic> &#x0003D; 4.2<italic>s</italic>). The resulting trajectory (<xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9b</xref>) shows roughly how much the amplitude varies over successive return to the same phase of oscillation.</p>
<fig position="float" id="F9">
<label>Figure 9</label>
<caption><p>Local temporal structure at a fixed spatial point <italic>x</italic><sub>0</sub> &#x0003D; (10, 20) for &#x003B8; &#x0003D; 350 and domain size 100 &#x000D7; 100. On the x-axis, we have time and y-axis is <italic>V</italic> &#x0003D; <italic>V</italic>(10, 20, <italic>t</italic>). <bold>(a)</bold> A slow envelope modulates the fast oscillation near the natural frequency. <bold>(b)</bold> Sampled once per oscillation, points follow a thin curve clearly showing the amplitude modulations.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-12-1774485-g0009.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Panel (a) shows a graph of amplitude modulation of \( V(t) \) at \( x_0 = (10, 20) \) with a narrowing and widening pattern. Panel (b) displays a Poincar&#x000E9; sampling every \( \Delta t = 4.2 \) seconds with oscillating waveforms. Both graphs have a consistent blue line representing \( V \).</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p><bold>Phase portraits across</bold> <italic><bold>&#x003B8;</bold></italic> Finally, instead of monitoring the temporal evolution at a single component, we consider the three-dimensional trajectory (<italic>C</italic>(<italic>x</italic><sub>0</sub>, <italic>t</italic>), <italic>I</italic>(<italic>x</italic><sub>0</sub>, <italic>t</italic>), <italic>V</italic>(<italic>x</italic><sub>0</sub>, <italic>t</italic>)) again with fixed <italic>x</italic><sub>0</sub> &#x0003D; (10, 20). To get a clean picture which highlights amplitude modulation, we sample again near the natural frequency, as done for previous <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref> with &#x00394;<italic>t</italic> &#x0003D; 4.2<italic>s</italic>, to obtain the phase portraits shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref>. Note that here the axes are normalized so that the unstable fixed point <italic>E</italic><sub>&#x0002B;</sub> sits at (1, 1, 1). Closer to the onset of Hopf bifurcation (&#x003B8; &#x0003D; 344), the trajectory forms a relatively thin closed loop in (<italic>C, I, V</italic>); by &#x003B8; &#x0003D; 350, the loop thickens into a torus-like annulus and the instantaneous amplitudes vary more widely.</p>
<fig position="float" id="F10">
<label>Figure 10</label>
<caption><p>Poincar&#x000E9; phase portraits in (<italic>C, I, V</italic>) obtained by sampling near the natural frequency at &#x00394;<italic>t</italic> &#x0003D; 4.2<italic>s</italic>. The <italic>x, y, z</italic> axes are respectively <inline-formula><mml:math id="M123"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>10</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>20</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, where we normalize the coordinates so that the unstable point <italic>E</italic><sub>&#x0002B;</sub> sits at (1, 1, 1). Just beyond onset (&#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub> &#x02248; 338), trajectories lie on a thin closed loop (approximate limit cycle). At higher value (&#x003B8; &#x0003D; 350), the system shows signs of period doubling where the original limit cycle can shrink to smaller amplitude cycles and then make a return back to the limit cycle. <bold>(a)</bold> &#x003B8; &#x0003D; 344 &#x02273; &#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>. <bold>(b)</bold> &#x003B8; &#x0003D; 350 &#x0226B; &#x003B8;<sub><italic>H</italic></sub>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-12-1774485-g0010.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Three-dimensional plots depict relationships between variables C, I, and V. Plot (a) with \( \theta = 344 \) shows an elliptical loop, while plot (b) with \( \theta = 350 \) illustrates layered concentric ovals.</alt-text>
</graphic>
</fig>
</sec>
<sec>
<label>4.2</label>
<title>Explanation</title>
<p>The natural starting point for analysis is therefore to find a family of plane-wave solutions of the cubic complex Ginzburg&#x02013;Landau equation (CGLE) [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>] with real diffusion in two spatial dimensions:</p>
<disp-formula id="EQ65"><mml:math id="M124"><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>&#x003C1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>&#x0211D;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(65)</label></disp-formula>
<p>where &#x003C1;(<italic>x, t</italic>) is the complex amplitude field over the spatial domain and &#x00394; &#x0003D; &#x02202;<sub><italic>xx</italic></sub> &#x0002B; &#x02202;<sub><italic>yy</italic></sub> is the Laplacian.</p>
<p>However, we note that in matrix notation we had <italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub>, <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub> for diffusion coefficients but for the amplitude equation, we have a single <italic>D</italic>. Here we take <italic>D</italic> &#x0003D; (<italic>D</italic><sub><italic>u</italic></sub> &#x0002B; <italic>D</italic><sub><italic>v</italic></sub>)/2 &#x02248; 0.5 which is supported by the work of [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>], who showed that amplitude equations for plane waves and spiral waves are governed by an effective diffusion rate, which is the average of the two interacting components. But since our goal here is to just explain the patterns and not to make exact predictions, we will be more relaxed with the exact value of <italic>D</italic> such as in spiral wave simulations for next section, where we take <italic>D</italic> &#x0003D; 1.</p>
<p>The complex Ginzburg Landau equation shows a number of spatial patterns, which we consider in sequence.</p>
<sec>
<label>4.2.1</label>
<title>Spatially uniform oscillations</title>
<p>The spatially uniform oscillation is represented as &#x003C1;(<italic>x, t</italic>) &#x0003D; <italic>e</italic><sup>&#x02212;<italic>i&#x003B2;t</italic></sup>, which is synchronized oscillation of the whole domain with unit amplitude and frequency &#x003B2;.</p>
</sec>
<sec>
<label>4.2.2</label>
<title>Plane waves</title>
<p>Take the plane-wave ansatz with amplitude &#x003B1; &#x02208; (0, 1] and wavevector <bold>k</bold> &#x02208; &#x0211D;<sup>2</sup>,</p>
<disp-formula id="EQ66"><mml:math id="M125"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003C1;</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:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(66)</label></disp-formula>
<p>Then |&#x003C1;|<sup>2</sup> &#x0003D; &#x003B1;<sup>2</sup>, &#x02202;<sub><italic>t</italic></sub>&#x003C1; &#x0003D; &#x02212;<italic>i&#x003A9;&#x003C1;</italic>, and &#x00394;&#x003C1; &#x0003D; &#x02212;|<bold>k</bold>|<sup>2</sup>&#x003C1;. Substituting into <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ65">Equation 65</xref> and dividing by &#x003C1; gives</p>
<disp-formula id="EQ67"><mml:math id="M126"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</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><label>(67)</label></disp-formula>
<p>Equating real and imaginary parts, we find</p>
<disp-formula id="EQ68"><mml:math id="M127"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></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><label>(68)</label></disp-formula>
<p>Thus the admissible plane-wave family is</p>
<disp-formula id="EQ69"><mml:math id="M128"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003C1;</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:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>x</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(69)</label></disp-formula>
<p>for any wave vector <bold>k</bold> with</p>
<disp-formula id="E101"><mml:math id="M129"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The homogeneous oscillation without spatial propagation corresponds to &#x003B1; &#x0003D; 1, for which <bold>k</bold> &#x0003D; 0 and we obtain &#x003C1;(<bold>x</bold>, <italic>t</italic>) &#x0003D; <italic>e</italic><sup>&#x02212;<italic>i&#x003B2;t</italic></sup>.</p>
<p>Eliminating &#x003B1; from <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ68">Equation 68</xref> gives the <bold>dispersion relation</bold> between frequency &#x003A9; and wave mode <bold>k</bold></p>
<disp-formula id="EQ70"><mml:math id="M130"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(70)</label></disp-formula>
<p>Phase and group velocities are colinear with <bold>k</bold>:</p>
<disp-formula id="EQ71"><mml:math id="M131"><mml:mtable class="eqnarray" 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>p</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>v</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>D</mml:mi><mml:mstyle mathvariant='bold'><mml:mtext>k</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(71)</label></disp-formula>
<p>so <bold>v</bold><sub><italic>p</italic></sub> and <bold>v</bold><sub><italic>g</italic></sub> always point in opposite directions when <bold>k</bold> &#x02260; 0. We see that the magnitudes of the phase velocity <italic>v</italic><sub><italic>p</italic></sub> and the group velocity <italic>v</italic><sub><italic>g</italic></sub> increase linearly in the coefficient &#x003B2; of the cubic term. An increase in the diffusion coefficient <italic>D</italic> reduces the phase speed and increases the group velocity and as <italic>D</italic> &#x02192; |<italic>k</italic>|<sup>&#x02212;2</sup> the phase becomes stationary.</p>
<p>The plane waves can be seen in the circular spread patterns in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>, where for larger radius, the waves moves in normal direction as a plane wave.</p>
</sec>
<sec>
<label>4.2.3</label>
<title>Spiral waves and turbulence</title>
<p>Spiral waves present analytic challenges that their plane wave counterparts do not. As noted earlier, spiral dynamics originate at a central core, corresponding to the limit <italic>r</italic> &#x02192; 0 in polar coordinates centered on the core. This introduces singular terms that must be handled carefully to avoid divergences at the origin, while at the same time ensuring smooth continuity with the far&#x02013;field plane&#x02013;wave behavior. [<xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>] developed techniques to bridge this core&#x02013;to&#x02013;tail connection, providing the first demonstration that reaction&#x02013;diffusion dynamics alone can sustain spiral waves without the need for additional terms. Building on this, [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>] formulated a general theory of oscillatory media near Hopf bifurcation, reducing such systems to the &#x003BB;&#x02013;&#x003C9; class. As Murray&#x00027;s classic text explains in detail [<xref ref-type="bibr" rid="B38">38</xref>], this reduction ultimately leads to the complex Ginzburg&#x02013;Landau equation (CGLE) (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ65">Equation 65</xref>), which admits both plane&#x02013;wave and spiral solutions [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>].</p>
<p>Comprehensive reviews, most notably the survey by [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>], have since documented the full breadth of spiral-wave phenomena, including their stability, the mechanisms of spiral breakup, and transitions to turbulence governed by the cubic CGLE. Returning to <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ65">Equation 65</xref>, the single control parameter &#x003B2; quantifies the strength of amplitude&#x02014;frequency coupling. The types of spirals that can arise is huge, including linear and logarithmic spirals as well as one-armed, two- armed or <italic>m</italic>-armed spirals, and meandering sprials. All these are well documented in the cited literature [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B37">37</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>] and we will not recall the underlying scaling arguments here. Instead, we reproduce the main spiral regimes through direct numerical simulations and compare them with the theoretical expectations.</p>
</sec>
</sec>
<sec>
<label>4.3</label>
<title>Numerical simulation of spiral waves</title>
<p>To illustrate the spiraling solutions of <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ65">Equation 65</xref>, we perform direct numerical simulations on a two&#x02013;dimensional square domain, with Neumann boundary conditions. The domain size is <italic>L</italic> &#x0003D; 100 with <italic>N</italic> &#x0003D; 256 grid points in each direction, giving a spatial resolution &#x00394;<italic>x</italic> &#x0003D; <italic>L</italic>/<italic>N</italic> &#x02248; 0.39. The Laplacian is discretized using second&#x02013;order central differences, and time integration is carried out with an explicit Euler scheme with timestep &#x00394;<italic>t</italic> &#x0003D; 10<sup>&#x02212;3</sup>. To visualize the spiral waves we have chosen an explicit solver instead of VisualPDE, since an explicit solver allows us full control on the discretization, time stepping, and initial condition. Our choices above are sufficient to resolve the spiral dynamics without visible numerical artifacts.</p>
<p>To seed a spiral, we prescribe</p>
<disp-formula id="EQ72"><mml:math id="M132"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo class="qopname">tanh</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math><label>(72)</label></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M133"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</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>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>L</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>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> is the distance from the domain center and &#x003B8; &#x0003D; arctan2(<italic>y</italic> &#x02212; <italic>L</italic>/2, <italic>x</italic> &#x02212; <italic>L</italic>/2) the polar angle. The prefactor tanh(2<italic>r</italic>) creates a smooth core, while the phase factor <italic>e</italic><sup><italic>i&#x003B8;</italic></sup> winds the oscillation once around the center, imposing a single spiral seed. A small random perturbation <inline-formula><mml:math id="M134"><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is added to break perfect rotational symmetry and prevent numerical artifacts.</p>
<p>To interpret the spiral dynamics of <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ65">Equation 65</xref>, we monitor both the amplitude |&#x003C1;(<italic>x, y, t</italic>)| and the phase arg(&#x003C1;(<italic>x, y, t</italic>)). In practice, we display the amplitude defect 1 &#x02212; |&#x003C1;|<sup>2</sup> as a color map, which highlights spiral cores as bright spots, and overlay contours of constant phase to reveal the rotating arms and their interactions. This joint representation makes it possible to simultaneously follow the wavefront geometry and the location of topological defects. An example is shown in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>.</p>
<fig position="float" id="F11">
<label>Figure 11</label>
<caption><p>Spiral wave dynamics for CGLE (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ65">Equation 65</xref>) for &#x003B2; &#x0003D; 1.5 and <italic>D</italic> &#x0003D; 1 at <italic>t</italic> &#x0003D; 80<italic>s</italic> in square domain of size 100 obtained from the seeded initial condition (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ72">Equation 72</xref>). Color shading shows the amplitude defect (1 &#x02212; |&#x003C1;|<sup>2</sup>), making spiral cores visible as bright spots, while overlaid contours trace equal phase lines of the oscillation, revealing the structure of the rotating arms. The initial seed had one spiral at the center, but many more spiral centers arise over time.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-12-1774485-g0011.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Contour plot showing swirling patterns with gradient colors from dark purple to light orange, indicating varying intensity levels on a scale from 0.0 to 1.0. Axis labels are x and y.</alt-text>
</graphic>
</fig>
</sec>
<sec>
<label>4.4</label>
<title>Onset of turbulence</title>
<p>The dynamics of <xref ref-type="disp-formula" rid="EQ65">Equation 65</xref> depend strongly on the amplitude&#x02013;frequency coupling parameter &#x003B2;. For small values of |&#x003B2;|, the medium supports <italic>frozen spirals</italic>: coherent, steadily rotating structures with smooth arms (<xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12a</xref>). Far from the spiral cor, the wavefronts match the plane&#x02013;wave dispersion relation (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ70">Equation 70</xref>) derived in the previous section, while the core itself serves as a continuous source of rotational disturbances.</p>
<fig position="float" id="F12">
<label>Figure 12</label>
<caption><p>Spiral wave states in the CGLE (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ65">Equation 65</xref>) with <italic>D</italic> &#x0003D; 1. <bold>(a)</bold> At small &#x003B2;, the system sustains frozen spirals: stable rotating waves with coherent arms. <bold>(b)</bold> At larger &#x003B2;, nonlinear frequency shifts destabilize the arms, leading to spiral breakup and a turbulent regime with proliferating defects.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-12-1774485-g0012.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Two side-by-side visualizations. The left image depicts a &#x0201C;frozen spiral&#x0201D; pattern at beta equals 1.2, with distinct glowing spots against a dark background. The right image shows &#x0201C;defect turbulence&#x0201D; at beta equals 3.5, featuring swirling, bright patterns resembling turbulence. Both images include a heatmap color scale from negative 0.1 to 1.0 on the side.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>As |&#x003B2;| increases, nonlinear frequency shifts destabilize the spiral arms and it becomes harder to sustain synchronous oscillations across domains of differing amplitude. The wavefronts begin to develop irregularities, tips break apart, and topological defects proliferate, ultimately leading to <italic>defect turbulence</italic> (<xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12b</xref>).</p>
<p>Here we refer to a more recent work by [<xref ref-type="bibr" rid="B39">39</xref>], which studied spiral-wave stability in spatial rock&#x02013;paper&#x02013;scissors models (which also reduce to the same CGLE we consider here). They identified three regimes: (i) the <italic>bound state (BS)</italic> phase of long-lived frozen spirals (small &#x003B2;, <xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12a</xref>); (ii) the <italic>Eckhaus instability (EI)</italic> phase, where far-field perturbations destabilize spiral arms but the core remains intact; and (iii) the <italic>absolute instability (AI)</italic> phase, where instability propagates into the core and prevents any sustained spirals. Our simulations (<xref ref-type="fig" rid="F12">Figure 12</xref>) reproduce this sequence&#x02014;from frozen spirals at low &#x003B2; to turbulence at larger &#x003B2;. However, we cannot distinguish between the EI and AI phases in our numerical experiments.</p>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusions" id="s5">
<label>5</label>
<title>Conclusion</title>
<p>To summarize, we started with a basic Reaction-Diffusion (RD) model for the replication and spread of an oncolytic virus in a tumor population, treating the viral burst size as the primary control parameter. We specifically wished to explore and explain the patterns that arise right above the Hopf bifurcation threshold, which we achieved through systematic reduction to the Complex Ginzburg-Landau Equation (CGLE) (<xref ref-type="disp-formula" rid="EQ65">Equation 65</xref>). In light of the normal form approach taken here, we identified the parameter &#x003B2;, which measures the asynchrony of oscillations (the degree to which frequency depends on amplitude), as the critical factor. It is known through previous work on amplitude-dependent frequency oscillators, and we also saw through our simulations, that this &#x003B2; term is responsible for the stability of different patterns in the medium.</p>
<p>Pattern formation in oncolytic virotherapy as we studied has been observed before in much more complicated models involving immune interactions [<xref ref-type="bibr" rid="B40">40</xref>], evolving resistance [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>], agent-based simulations [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>], detailed tumor geometries [<xref ref-type="bibr" rid="B41">41</xref>], and nuanced movement strategies (like pressure-driven flow) [<xref ref-type="bibr" rid="B42">42</xref>]. We note that if cellular movement is modeled by cross-diffusion, we can get not just spiral turbulence but also Turing instabilities [<xref ref-type="bibr" rid="B43">43</xref>] and . However, in this work we take a broader approach where for a treatment that is inherently oscillating, the implications on the spatiotemporal patterns can be identified by &#x003B2;, a parameter that is both simple to describe and easy to calculate. Specifically, if the eigenvalue at the unstable point is &#x003BB;<sub>0</sub> &#x0002B; <italic>i&#x003C9;</italic><sub>0</sub> and the frequency of the resulting limit cycle is &#x003C9;, then &#x003B2; is proportional to the difference in frequencies relative to the distance from the threshold. The parameter &#x003B2; is proportional to <inline-formula><mml:math id="M135"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. It is known that if &#x003B2; is smaller than a certain critical value (around 3, depending on the system), we can expect stable spiral patterns, while higher values of &#x003B2; lead to turbulent patterns [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>] as the general outcome. However, [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>] found a very curious result in their experiments, where the same system with the same initial conditions could lead to different treatment outcomes. They attributed this unpredictability either to intrinsic stochasticity within the model or to external anti-viral factors not included in the model [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>], and the same problem persists in our model too, but it is also the natural side effect of reducing the dynamics too much.</p>
<p>Finally we reconsider the mathematical approach taken here, which reduced the complex dynamics to the picture of coupled nonlinear oscillators. This could be used to explain the main patterns already, but we can go further. In particular, a previous study [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] found that an inoculated spot of virus can split into two at regular intervals, a phenomenon termed periodic spot-splitting. We can now offer a possible explanation for this using the idea of amplitude-dependent frequency of the oscillators. In the initial inoculation, the center of the spot has the highest viral load (amplitude), while a point near the edge has a lower value. If the oscillators were truly linear, we would expect the entire spot to recover simultaneously after one oscillation. However, because we have shown the system is governed by the nonlinear Stuart-Landau Equation, the frequency of the highly infected spot center will be different from the less infected off-center points. This leads to a growing phase gap between the center and the periphery. This phase difference could create a scenario where the center of the spot reaches its minimum biomass (near-extinction) while some off-center point is still near its maximum&#x02013;a desynchronization that would manifest visually as the splitting of the original inoculated spot. While this explanation remains heuristic, it clearly motivates a direction for further mathematical inquiry: establishing the precise conditions on the parameter &#x003B2; that determine the onset, choice of direction for symmetry breaking and the subsequent dynamics of spot splitting, thereby contributing to understanding of this new type of pattern formation for its own sake.</p>
<p>To conclude, we provide here a robust, minimal mathematical framework for understanding the failure modes of oncolytic virotherapy in spatially extended tumors. Our analysis demonstrates that, while constant efforts are made to increase viral contagiousness, high replication rates are mathematically destined to lead to fragmented patterns. This inherent instability ensures unreliable and incomplete viral coverage, confirming that maximizing viral replication still leads to therapeutic failure [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>]. This finding supports the existing consensus that oncolytic viruses due to their dynamic limitations, cannot reliably clear a tumor entirely on their own and should therefore be strategically used in combination with other therapies [<xref ref-type="bibr" rid="B44">44</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B46">46</xref>]. This necessitates a shift from monotherapy optimization to designing viruses from scratch for synergistic action within combination treatment strategies.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s6">
<title>Data availability statement</title>
<p>Publicly available datasets were analyzed in this study. This data can be found here: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://visualpde.com/">https://visualpde.com/</ext-link>.</p>
</sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s7">
<title>Author contributions</title>
<p>TB: Formal analysis, Investigation, Methodology, Software, Visualization, Writing &#x02013; original draft, Writing &#x02013; review &#x00026; editing. TH: Conceptualization, Funding acquisition, Investigation, Methodology, Project administration, Supervision, Validation, Writing &#x02013; original draft, Writing &#x02013; review &#x00026; editing.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="conf1">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The author(s) declared that this work 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="ai-statement" id="s9">
<title>Generative AI statement</title>
<p>The author(s) declared that generative AI was not used in the creation of this manuscript.</p>
<p>Any alternative text (alt text) provided alongside figures in this article has been generated by Frontiers with the support of artificial intelligence and reasonable efforts have been made to ensure accuracy, including review by the authors wherever possible. If you identify any issues, please contact us.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s10">
<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>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Sung</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Ferlay</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Siegel</surname> <given-names>RL</given-names></name> <name><surname>Laversanne</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Soerjomataram</surname> <given-names>I</given-names></name> <name><surname>Jemal</surname> <given-names>A</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Global cancer statistics 2020: GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries</article-title>. <source>CA Cancer J Clin</source>. (<year>2021</year>) <volume>71</volume>:<fpage>209</fpage>&#x02013;<lpage>49</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.3322/caac.21660</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">33538338</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>DeVita Jr</surname> <given-names>VT</given-names></name> <name><surname>Chu</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>A</surname></name></person-group>. <article-title>history of cancer chemotherapy</article-title>. <source>Cancer Res</source>. (<year>2008</year>) <volume>68</volume>:<fpage>8643</fpage>&#x02013;<lpage>53</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1158/0008-5472.CAN-07-6611</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gianfaldoni</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Gianfaldoni</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Wollina</surname> <given-names>U</given-names></name> <name><surname>Lotti</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Tchernev</surname> <given-names>G</given-names></name> <name><surname>Lotti</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>An overview on radiotherapy: from its history to its current applications in dermatology</article-title>. <source>Open Access Maced J Med Sci</source>. (<year>2017</year>) <volume>5</volume>:<fpage>521</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.3889/oamjms.2017.122</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">28785349</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mellman</surname> <given-names>I</given-names></name> <name><surname>Coukos</surname> <given-names>G</given-names></name> <name><surname>Dranoff</surname> <given-names>G</given-names></name></person-group>. <article-title>Cancer immunotherapy comes of age</article-title>. <source>Nature</source>. (<year>2011</year>) <volume>480</volume>:<fpage>480</fpage>&#x02013;<lpage>9</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nature10673</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16264884</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Russell</surname> <given-names>SJ</given-names></name> <name><surname>Peng</surname> <given-names>KW</given-names></name> <name><surname>Bell</surname> <given-names>JC</given-names></name></person-group>. <article-title>Oncolytic virotherapy</article-title>. <source>Nat Biotechnol</source>. (<year>2012</year>) <volume>30</volume>:<fpage>658</fpage>&#x02013;<lpage>70</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/nbt.2287</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22781695</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lin</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Shen</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>Liang</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>Oncolytic virotherapy: basic principles, recent advances and future directions</article-title>. <source>Signal Transd Target Therapy</source>. (<year>2023</year>) <volume>8</volume>:<fpage>156</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41392-023-01407-6</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">37041165</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Volovat</surname> <given-names>SR</given-names></name> <name><surname>Scripcariu</surname> <given-names>DV</given-names></name> <name><surname>Vasilache</surname> <given-names>IA</given-names></name> <name><surname>Stolniceanu</surname> <given-names>CR</given-names></name> <name><surname>Volovat</surname> <given-names>C</given-names></name> <name><surname>Augustin</surname> <given-names>IG</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Oncolytic virotherapy: a new paradigm in cancer immunotherapy</article-title>. <source>Int J Mol Sci</source>. (<year>2024</year>) <volume>25</volume>:<fpage>1180</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/ijms25021180</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">38256250</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Storey</surname> <given-names>KM</given-names></name> <name><surname>Jackson</surname> <given-names>TL</given-names></name></person-group>. <article-title>An agent-based model of combination oncolytic viral therapy and anti-PD-1 immunotherapy reveals the importance of spatial location when treating glioblastoma</article-title>. <source>Cancers</source>. (<year>2021</year>) <volume>13</volume>:<fpage>5314</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/cancers13215314</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">34771476</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bhatt</surname> <given-names>DK</given-names></name> <name><surname>Chammas</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Daemen</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>Resistance mechanisms influencing oncolytic virotherapy, a systematic analysis</article-title>. <source>Vaccines</source>. (<year>2021</year>) <volume>9</volume>:<fpage>1166</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/vaccines9101166</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">34696274</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Baabdulla</surname> <given-names>AA</given-names></name> <name><surname>Hillen</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>Oscillations in a spatial oncolytic virus model</article-title>. <source>Bull Math Biol</source>. (<year>2024</year>) <volume>86</volume>:<fpage>93</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11538-024-01322-z</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">38896363</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Schoeps</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Lauer</surname> <given-names>UM</given-names></name> <name><surname>Elbers</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Deciphering permissivity of human tumor ecosystems to oncolytic viruses</article-title>. <source>Oncogene</source>. (<year>2025</year>) <volume>44</volume>:<fpage>1069</fpage>&#x02013;<lpage>77</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41388-025-03357-5</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">40148688</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ezanno</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Vergu</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Langlais</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Gilot-Fromont</surname> <given-names>E</given-names></name></person-group>. <article-title>Modelling the dynamics of host-parasite interactions: basic principles</article-title>. In: <source>New Frontiers of Molecular Epidemiology of Infectious Diseases</source>. <publisher-loc>Cham</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2011</year>). p. <fpage>79</fpage>&#x02013;<lpage>101</lpage>.</mixed-citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Delamater</surname> <given-names>PL</given-names></name> <name><surname>Street</surname> <given-names>EJ</given-names></name> <name><surname>Leslie</surname> <given-names>TF</given-names></name> <name><surname>Yang</surname> <given-names>YT</given-names></name> <name><surname>Jacobsen</surname> <given-names>KH</given-names></name></person-group>. <article-title>Complexity of the basic reproduction number (R0)</article-title>. <source>Emerg Infect Dis</source>. (<year>2019</year>) <volume>25</volume>:<fpage>1</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.3201/eid2501.171901</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">30560777</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bajzer</surname> <given-names>&#x0017D;</given-names></name> <name><surname>Carr</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Josi&#x00107;</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Russell</surname> <given-names>SJ</given-names></name> <name><surname>Dingli</surname> <given-names>D</given-names></name></person-group>. <article-title>Modeling of cancer virotherapy with recombinant measles viruses</article-title>. <source>J Theoret Biol</source>. (<year>2008</year>) <volume>252</volume>:<fpage>109</fpage>&#x02013;<lpage>22</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jtbi.2008.01.016</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">18316099</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Tian</surname> <given-names>JP</given-names></name></person-group>. <article-title>The replicability of oncolytic virus: defining conditions in tumor virotherapy</article-title>. <source>Mathem Biosci Eng</source>. (<year>2011</year>) <volume>8</volume>:<fpage>841</fpage>&#x02013;<lpage>60</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.3934/mbe.2011.8.841</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21675814</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Najm</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Yafia</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Aziz-Alaoui</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Hopf bifurcation in oncolytic therapeutic modeling: Viruses as anti-tumor means with viral lytic cycle</article-title>. <source>Int J Bifurcat Chaos</source>. (<year>2022</year>) <volume>32</volume>:<fpage>2250171</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0218127422501711</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kayan</surname> <given-names>&#x0015E;</given-names></name> <name><surname>Merdan</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Yafia</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Goktepe</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>Bifurcation analysis of a modified tumor-immune system interaction model involving time delay</article-title>. <source>Mathem Model Nat Phenomena</source>. (<year>2017</year>) <volume>12</volume>:<fpage>120</fpage>&#x02013;<lpage>45</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1051/mmnp/201712508</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Pooladvand</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Yun</surname> <given-names>CO</given-names></name> <name><surname>Yoon</surname> <given-names>AR</given-names></name> <name><surname>Kim</surname> <given-names>PS</given-names></name> <name><surname>Frascoli</surname> <given-names>F</given-names></name></person-group>. <article-title>The role of viral infectivity in oncolytic virotherapy outcomes: a mathematical study</article-title>. <source>Math Biosci</source>. (<year>2021</year>) <volume>334</volume>:<fpage>108520</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mbs.2020.108520</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">33290764</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wodarz</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Hofacre</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Lau</surname> <given-names>JW</given-names></name> <name><surname>Sun</surname> <given-names>Z</given-names></name> <name><surname>Fan</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Komarova</surname> <given-names>NL</given-names></name></person-group>. <article-title>Complex spatial dynamics of oncolytic viruses in vitro: mathematical and experimental approaches</article-title>. <source>PLoS Comput Biol</source>. (<year>2012</year>) <volume>8</volume>:<fpage>e1002547</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pcbi.1002547</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22719239</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Carr</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <source>Applications of Centre Manifold Theory</source>, vol 35. Cham: Springer Science &#x00026; Business Media. (<year>2012</year>).</mixed-citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kuznetsov</surname> <given-names>YA</given-names></name></person-group>. <source>Elements of Applied Bifurcation Theory</source>. <publisher-loc>Cham</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>1998</year>).</mixed-citation>
</ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Landau</surname> <given-names>LD</given-names></name></person-group>. <article-title>On the problem of turbulence</article-title>. <source>Dokl. Akad. Nauk USSR.</source> (<year>1944</year>) <volume>44</volume>:<fpage>311</fpage>.</mixed-citation>
</ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Najm</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Ahmed</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Yafia</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Aziz Alaoui</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Boukrim</surname> <given-names>L</given-names></name></person-group>. <article-title>Hopf bifurcation and normal form in a delayed oncolytic model</article-title>. <source>Int J Biomathem</source>. (<year>2025</year>) <volume>18</volume>:<fpage>2350111</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S1793524523501115</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Guckenheimer</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Holmes</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <source>Nonlinear Oscillations, Dynamical Systems, and Bifurcations of Vector Fields</source>, vol 42. Cham: Springer Science &#x00026; Business Media. (<year>2013</year>).</mixed-citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kuramoto</surname> <given-names>Y</given-names></name></person-group>. <source>Chemical Oscillations, Waves, and Turbulence</source>. <publisher-loc>Cham</publisher-loc>: <publisher-name>Springer Series in Synergetics.</publisher-name> (<year>1984</year>). doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-642-69689-3</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Aranson</surname> <given-names>IS</given-names></name> <name><surname>Kramer</surname> <given-names>L</given-names></name></person-group>. <article-title>The world of the complex Ginzburg-Landau equation</article-title>. <source>Rev Mod Phys</source>. (<year>2002</year>) <volume>74</volume>:<fpage>99</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/RevModPhys.74.99</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zaikin</surname> <given-names>AN</given-names></name> <name><surname>Zhabotinsky</surname> <given-names>AM</given-names></name></person-group>. <article-title>Concentration wave propagation in two-dimensional liquid-phase self-oscillating system</article-title>. <source>Nature</source>. (<year>1970</year>) <volume>225</volume>:<fpage>535</fpage>&#x02013;<lpage>7</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/225535b0</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16056595</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Winfree</surname> <given-names>AT</given-names></name></person-group>. <article-title>Spiral waves of chemical activity</article-title>. <source>Science</source>. (<year>1972</year>) <volume>175</volume>:<fpage>634</fpage>&#x02013;<lpage>6</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.175.4022.634</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17808803</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Al-Tuwairqi</surname> <given-names>SM</given-names></name> <name><surname>Al-Johani</surname> <given-names>NO</given-names></name> <name><surname>Simbawa</surname> <given-names>EA</given-names></name></person-group>. <article-title>Modeling dynamics of cancer virotherapy with immune response</article-title>. <source>Adv Differ Equ</source>. (<year>2020</year>) <volume>2020</volume>:<fpage>438</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1186/s13662-020-02893-6</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wodarz</surname> <given-names>D</given-names></name></person-group>. <article-title>Viruses as antitumor weapons: defining conditions for tumor remission</article-title>. <source>Cancer Res</source>. (<year>2001</year>) <volume>61</volume>:<fpage>3501</fpage>&#x02013;<lpage>7</lpage>. <pub-id pub-id-type="pmid">11309314</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Eftimie</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Dushoff</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Bridle</surname> <given-names>BW</given-names></name> <name><surname>Bramson</surname> <given-names>JL</given-names></name> <name><surname>Earn</surname> <given-names>DJD</given-names></name></person-group>. <article-title>Multi-stability and multi-instability phenomena in a mathematical model of tumor-immune-virus interactions</article-title>. <source>Bull Math Biol</source>. (<year>2011</year>) <volume>73</volume>:<fpage>2932</fpage>&#x02013;<lpage>61</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11538-011-9653-5</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">21476110</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wu</surname> <given-names>JT</given-names></name> <name><surname>Byrne</surname> <given-names>HM</given-names></name> <name><surname>Kirn</surname> <given-names>DH</given-names></name> <name><surname>Wein</surname> <given-names>LM</given-names></name></person-group>. <article-title>Modeling and analysis of a virus that replicates selectively in tumor cells</article-title>. <source>Bull Math Biol</source>. (<year>2001</year>) <volume>63</volume>:<fpage>731</fpage>&#x02013;<lpage>68</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1006/bulm.2001.0245</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">11497166</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Baabdulla</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Cristi</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Shmulevitz</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Hillen</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>Mathematical modelling of reoviruses in cancer cell cultures</article-title>. <source>PLoS ONE</source>. (<year>2025</year>) <volume>13</volume>:<fpage>e0190892</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pone.0318078</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">40294035</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kopell</surname> <given-names>N</given-names></name> <name><surname>Howard</surname> <given-names>L</given-names></name></person-group>. <article-title>Plane wave solutions to reaction-diffusion equations</article-title>. <source>Stud Appl Mathem</source>. (<year>1973</year>) <volume>52</volume>:<fpage>291</fpage>&#x02013;<lpage>328</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/sapm1973524291</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Duffy</surname> <given-names>MR</given-names></name> <name><surname>Britton</surname> <given-names>NF</given-names></name> <name><surname>Murray</surname> <given-names>JD</given-names></name></person-group>. <article-title>Spiral wave solutions of practical reaction-diffusion systems</article-title>. <source>SIAM J Appl Math</source>. (<year>1980</year>) <volume>39</volume>:<fpage>8</fpage>&#x02013;<lpage>13</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/0139002</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Walker</surname> <given-names>BJ</given-names></name> <name><surname>Townsend</surname> <given-names>AK</given-names></name> <name><surname>Chudasama</surname> <given-names>AK</given-names></name> <name><surname>Krause</surname> <given-names>AL</given-names></name></person-group>. <article-title>VisualPDE: rapid interactive simulations of partial differential equations</article-title>. <source>Bull Math Biol</source>. (<year>2023</year>) <volume>85</volume>:<fpage>113</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11538-023-01218-4</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">37823924</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B37">
<label>37.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Cohen</surname> <given-names>DS</given-names></name> <name><surname>Neu</surname> <given-names>JC</given-names></name> <name><surname>Rosenblat</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>Rotating spiral wave solutions of reaction-diffusion equations</article-title>. <source>SIAM J Appl Math</source>. (<year>1978</year>) <volume>35</volume>:<fpage>536</fpage>&#x02013;<lpage>47</lpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/0135045</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B38">
<label>38.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Murray</surname> <given-names>JD</given-names></name></person-group>. <source>Mathematical Biology: I. An Introduction</source>, vol 17. Cham: Springer Science &#x00026; Business Media (<year>2007</year>).</mixed-citation>
</ref>
<ref id="B39">
<label>39.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Szczesny</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Mobilia</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Rucklidge</surname> <given-names>AM</given-names></name></person-group>. <article-title>Characterization of spiraling patterns in spatial rock-paper-scissors games</article-title>. <source>Physical Review E</source>. (<year>2014</year>) <volume>90</volume>:<fpage>032704</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevE.90.032704</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">25314470</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B40">
<label>40.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Storey</surname> <given-names>KM</given-names></name> <name><surname>Lawler</surname> <given-names>SE</given-names></name> <name><surname>Jackson</surname> <given-names>TL</given-names></name></person-group>. <article-title>Modeling oncolytic viral therapy, immune checkpoint inhibition, and the complex dynamics of innate and adaptive immunity in glioblastoma treatment</article-title>. <source>Front Physiol</source>. (<year>2020</year>) <volume>11</volume>:<fpage>151</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fphys.2020.00151</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">32194436</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B41">
<label>41.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bhatt</surname> <given-names>DK</given-names></name> <name><surname>Janzen</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Daemen</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Weissing</surname> <given-names>FJ</given-names></name></person-group>. <article-title>Modelling the spatial dynamics of oncolytic virotherapy in the presence of virus-resistant tumour cells</article-title>. <source>PLOS Comput Biol</source>. (<year>2022</year>) <volume>18</volume>:<fpage>e1010076</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pcbi.1010076</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">36473017</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B42">
<label>42.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Morselli</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Delitala</surname> <given-names>ME</given-names></name> <name><surname>Frascoli</surname> <given-names>F</given-names></name></person-group>. <article-title>Agent-based and continuum models for spatial dynamics of infection by oncolytic viruses</article-title>. <source>Bull Math Biol</source>. (<year>2023</year>) <volume>85</volume>:<fpage>92</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11538-023-01192-x</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">37653164</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B43">
<label>43.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Najm</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Yafia</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Aziz Alaoui</surname> <given-names>MA</given-names></name></person-group>. <article-title>Turing bifurcation induced by cross-diffusion and amplitude equation in oncolytic therapeutic model: viruses as anti-tumor means</article-title>. <source>Int J Bifurcat Chaos</source>. (<year>2023</year>) <volume>33</volume>:<fpage>2350062</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S0218127423500621</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B44">
<label>44.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Wang</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>Zhu</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Chi</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Liu</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>Yu</surname> <given-names>G</given-names></name></person-group>. <article-title>The combination therapy of oncolytic virotherapy</article-title>. <source>Front Pharmacol</source>. (<year>2024</year>) <volume>15</volume>:<fpage>1380313</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fphar.2024.1380313</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B45">
<label>45.</label>
<mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fu</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Qi</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Xiong</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Lei</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Jiang</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>He</surname> <given-names>J</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>Combination therapy with oncolytic virus and T cells or mRNA vaccine amplifies antitumor effects</article-title>. <source>Signal Transd Target Therapy</source>. (<year>2024</year>) <volume>9</volume>:<fpage>118</fpage>. doi: <pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41392-024-01824-1</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">38702343</pub-id></mixed-citation>
</ref>
<ref id="B46">
<label>46.</label>
<mixed-citation publication-type="web"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mohammadnejad</surname> <given-names>N</given-names></name> <name><surname>Hillen</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>Qualitative optimization of oncolytic virotherapy and immune therapy combination treatments</article-title>. <source>bioRxiv</source>. 20250915676375. (<year>2025</year>). Available online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.biorxiv.org/content/early/2025/09/16/2025.09.15.676375">https://www.biorxiv.org/content/early/2025/09/16/2025.09.15.676375</ext-link>. <pub-id pub-id-type="pmid">41611302</pub-id></mixed-citation>
</ref>
</ref-list>
<fn-group>
<fn fn-type="custom" custom-type="edited-by" id="fn0001">
<p>Edited by: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/2212112/overview">Joseph Malinzi</ext-link>, University of Eswatini, Eswatini</p>
</fn>
<fn fn-type="custom" custom-type="reviewed-by" id="fn0002">
<p>Reviewed by: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/3328558/overview">Fatiha Najm</ext-link>, Ibn Tofail University, Morocco</p>
<p><ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/3332218/overview">David Morselli</ext-link>, University College London, United Kingdom</p>
</fn>
</fn-group>
</back>
</article>