We present a symbolic algorithmic approach that allows to compute invariant manifolds and corresponding reduced systems for differential equations modeling biological networks which comprise chemical reaction networks for cellular biochemistry, and compartmental models for pharmacology, epidemiology and ecology. Multiple time scales of a given network are obtained by scaling, based on tropical geometry. Our reduction is mathematically justified within a singular perturbation setting. The existence of invariant manifolds is subject to hyperbolicity conditions, for which we propose an algorithmic test based on Hurwitz criteria. We finally obtain a sequence of nested invariant manifolds and respective reduced systems on those manifolds. Our theoretical results are generally accompanied by rigorous algorithmic descriptions suitable for direct implementation based on existing off-the-shelf software systems, specifically symbolic computation libraries and Satisfiability Modulo Theories solvers. We present computational examples taken from the well-known BioModels database using our own prototypical implementations.


翻译:我们提出了一个象征性的算法方法,用于计算不同方程式的变数和相应的减值系统,这些模型包括细胞生物化学反应网络、细胞生物化学反应网络和药理学、流行病学和生态学的分层模型。一个特定网络的多重时间尺度是根据热带几何测量通过比例制获得的。我们的减值在奇特的扰动环境中在数学上是有道理的。不变数元的存在受到超常性条件的制约,为此我们提议根据Hurwitz标准进行算法测试。我们最终获得了一组嵌入的变数元和这些元体的各自减值系统。我们的理论结果通常伴随着严格的算法描述,这些系统基于现有的现成软件系统,特别是象征性的计算图书馆和可满足的Modulo Theories解算器直接实施。我们用我们自己的原型执行方法从著名的生物模型数据库中提取的计算示例。

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