Stochastic reaction networks are a fundamental model to describe interactions between species where random fluctuations are relevant. The master equation provides the evolution of the probability distribution across the discrete state space consisting of vectors of population counts for each species. However, since its exact solution is often elusive, several analytical approximations have been proposed. The deterministic rate equation (DRE) gives a macroscopic approximation as a compact system of differential equations that estimate the average populations for each species, but it may be inaccurate in the case of nonlinear interaction dynamics. Here we propose finite state expansion (FSE), an analytical method mediating between the microscopic and the macroscopic interpretations of a stochastic reaction network by coupling the master equation dynamics of a chosen subset of the discrete state space with the mean population dynamics of the DRE. An algorithm translates a network into an expanded one where each discrete state is represented as a further distinct species. This translation exactly preserves the stochastic dynamics, but the DRE of the expanded network can be interpreted as a correction to the original one. The effectiveness of FSE is demonstrated in models that challenge state-of-the-art techniques due to intrinsic noise, multi-scale populations, and multi-stability.


翻译:软体反应网络是描述随机波动相关物种之间相互作用的基本模型。 主方程提供了由每种物种的矢量计量组成的离散状态空间的概率分布演变情况。 但是,由于精确的解决方案往往难以找到,因此提出了若干分析近似值。 确定率方程(DRE)给出了宏观的近似值,作为不同方程的紧凑系统,用以估计每种物种的平均数量,但在非线性互动动态中可能不准确。 我们在这里提议了有限的状态扩展,这是一种分析方法,通过将所选择的离散状态空间的一组主方程动态与DRE的平均人口动态相混合,在微科量和宏观对随机反应网络的解释之间进行介介。 算法将一个网络转换成一个扩大的网络,其中每个离散状态代表着另一个不同的物种。 这种翻译准确地保存了非线性互动动态,但扩大后的网络的DRE可以被解释为对原始的校正。 FSE的效能表现在模型中, 向恒度、 多级的多级的动态显示, 和多级的复合性。

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