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菲茨休-南云方程
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[[File:Fitzhugh Nagumo Model Time Domain Graph.png|thumb|right|当刺激电流强度I=0.5时,膜电位对于时间的函数。]] [[File:Fitzhugh Nagumo Phase Space Graph.png|thumb|right|蓝线为菲茨休-南云模型在相空间中的轨迹,粉线为三次{{le|零斜率線|nullcline}},黄线为线性零斜率線。这里的刺激电流强度被设为0.5。]] '''菲茨休-南云方程'''(Fitzhugh-Nagumo equation)是一个[[非线性偏微分方程]],最早由[[理查德·菲茨休]](Richard FitzHugh)于1961年提出<ref>{{cite journal |last1=FitzHugh |first1=Richard |title=Impulses and Physiological States in Theoretical Models of Nerve Membrane |journal=Biophysical Journal |date=1961-07 |volume=1 |issue=6 |pages=445–466 |doi=10.1016/S0006-3495(61)86902-6 |url=https://doi.org/10.1016/S0006-3495(61)86902-6}}</ref>,描述了在高于阈值的常电流刺激下神经元动作电位的周期性振荡<ref>{{cite book |last1=Griffiths |first1=Graham |title=Traveling Wave Analysis of Partial Differential Equations : Numerical and Analytical Methods with Matlab and Maple. |publisher=Elsevier Science |location=Burlington |isbn=9780123846532 |page=147-172}}</ref>。当时菲茨休将其称为“朋霍费尔-[[范德波尔振荡器|范德波尔模型]](Bonhoeffer-van der Pol model)”。次年,南云仁一等人也提出了一个与该方程等效的电路<ref>{{cite journal |last1=Nagumo |first1=J. |last2=Arimoto |first2=S. |last3=Yoshizawa |first3=S. |title=An Active Pulse Transmission Line Simulating Nerve Axon |journal=Proceedings of the IRE |date=1962-10 |volume=50 |issue=10 |pages=2061–2070 |doi=10.1109/JRPROC.1962.288235}}</ref>。该方程为{{le|霍奇金-赫胥黎模型|Hodgkin-Huxley model}}的二维情形<ref name="scholarpedia">{{cite journal |last1=Izhikevich |first1=Eugene |last2=FitzHugh |first2=Richard |title=FitzHugh-Nagumo model |journal=Scholarpedia |date=2006 |volume=1 |issue=9 |pages=1349 |doi=10.4249/scholarpedia.1349}}</ref>;后者因揭示了[[枪乌贼巨大轴突]]中[[动作电位]]的产生和传导机制而分享了1963年的[[诺贝尔生理学或医学奖]]。 ==方程== 用于描述枪乌贼巨大轴突中动作电位的菲茨休-南云方程如下<ref name="scholarpedia"/>: :<math>\dot{V} = V-V^3/3 - W + I</math> :<math>\dot{W} = 0.08(V+0.7 - 0.8W)</math> 其中,<math>V</math>为[[膜电位]],<math>W</math>为回复变量,<math>I</math>为[[刺激 (生理学)|刺激]]电流的强度。该方程的一般形式可写作: :<math>\dot{V} = f(V) - W + I</math> :<math>\dot{W} = a(bV - cW)</math> 其中<math>f(V)</math>为三次多项式;a,b,c为常数。 ==行波解== [[File:Fitzhugh-Nagumo pde Maple animation.gif|thumb|250px|菲茨休-南云方程行波解的动画]] 菲茨休 - 南云方程的解析解如下: <math>\frac{\partial u}{\partial t}=D\frac{\partial^2 u}{\partial^2 x^2}-u(1-u)(a-u)</math><ref>{{cite book |last1=Griffiths |first1=Graham |title=Traveling Wave Analysis of Partial Differential Equations : Numerical and Analytical Methods with Matlab and Maple. |publisher=Elsevier Science |location=Burlington |isbn=9780123846532 |page=166}}</ref> 利用[[Maple]]软件包TWSolution可得以下行波解<ref>{{cite book |last1=Griffiths |first1=Graham |title=Traveling Wave Analysis of Partial Differential Equations : Numerical and Analytical Methods with Matlab and Maple. |publisher=Elsevier Science |location=Burlington |isbn=9780123846532 |page=436}}</ref>{{#tag:ref|行波解可通过使用[[Tanh函数展开法]]得到的方程组来实现<ref>{{cite journal |last1=Wazwaz |first1=Abdul-Majid |title=The tanh method for traveling wave solutions of nonlinear equations |journal=Applied Mathematics and Computation |date=2004-07 |volume=154 |issue=3 |pages=713–723 |doi=10.1016/S0096-3003(03)00745-8}}</ref>: <br/> u(x, t) = 1/2+(1/2)*tanh(_C1+(1/4)*sqrt(2)*x-(1/4)*t) <br/> u(x, t) = 1/2+(1/2)*tanh(_C1-(1/4)*sqrt(2)*x-(1/4)*t) <br/> u(x, t) = 1/2-(1/2)*tanh(_C1-(1/4)*sqrt(2)*x+(1/4)*t) <br/> u(x, t) = 1/2-(1/2)*tanh(_C1+(1/4)*sqrt(2)*x+(1/4)*t)|group="注"}}: {{Gallery |width=250 |height=200 |align=center |File:1-Fitzhugh Nagumo plot 3.jpg| |File:1-Fitzhugh Nagumo plot 4.jpg| |File:1-Fitzhugh Nagumo plot 5.jpg| |File:1-Fitzhugh Nagumo plot 6.jpg| |File:1-Fitzhugh Nagumo plot 7.jpg| |File:1-Fitzhugh Nagumo plot 8.jpg| |File:1-Fitzhugh Nagumo plot 10.jpg| |File:1-Fitzhugh Nagumo plot 11.jpg| |File:1-Fitzhugh Nagumo plot 9.jpg| | }} == 相关条目 == * {{le|霍奇金-赫胥黎模型|Hodgkin-Huxley model}} * {{le|生物神经元模型|Biological neuron model}} * [[计算神经科学]] * [[反应-扩散系统]] == 注释 == {{Reflist|group="注"}} ==参考文献== {{reflist|2}} == 拓展阅读 == * 谷超豪 《[[孤立子]]理论中的[[达布变换]]及其几何应用》 上海科学技术出版社 * 阎振亚著 《复杂非线性波的构造性理论及其应用》 科学出版社 2007年 * 李志斌编著 《非线性数学物理方程的行波解》 科学出版社 * 王东明著 《消去法及其应用》 科学出版社 2002 * 何青 王丽芬编著 《[[Maple]] 教程》 科学出版社 2010 ISBN 9787030177445 * Graham W. Griffiths William E.Shiesser Traveling Wave Analysis of Partial Differential p135 Equations Academy Press * Richard H. Enns George C. McCGuire, Nonlinear Physics Birkhauser,1997 * Inna Shingareva, Carlos Lizárraga-Celaya,Solving Nonlinear Partial Differential Equations with Maple Springer. * Eryk Infeld and George Rowlands,Nonlinear Waves,Solitons and Chaos,Cambridge 2000 * Saber Elaydi,An Introduction to Difference Equationns, Springer 2000 * Dongming Wang, Elimination Practice,Imperial College Press 2004 * David Betounes, Partial Differential Equations for Computational Science: With Maple and Vector Analysis Springer, 1998 ISBN 9780387983004 * George Articolo Partial Differential Equations & Boundary Value Problems with Maple V Academic Press 1998 ISBN 9780120644759 {{非线性偏微分方程}} [[category:非线性偏微分方程]] [[category:孤立子]]
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