<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?><!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v3.0 20080202//EN" "http://dtd.nlm.nih.gov/publishing/3.0/journalpublishing3.dtd">
<article xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" dtd-version="3.0" xml:lang="en" article-type="research article">
 <front>
  <journal-meta>
   <journal-id journal-id-type="publisher-id">
    jamp
   </journal-id>
   <journal-title-group>
    <journal-title>
     Journal of Applied Mathematics and Physics
    </journal-title>
   </journal-title-group>
   <issn pub-type="epub">
    2327-4352
   </issn>
   <issn publication-format="print">
    2327-4379
   </issn>
   <publisher>
    <publisher-name>
     Scientific Research Publishing
    </publisher-name>
   </publisher>
  </journal-meta>
  <article-meta>
   <article-id pub-id-type="doi">
    10.4236/jamp.2025.137132
   </article-id>
   <article-id pub-id-type="publisher-id">
    jamp-144310
   </article-id>
   <article-categories>
    <subj-group subj-group-type="heading">
     <subject>
      Articles
     </subject>
    </subj-group>
    <subj-group subj-group-type="Discipline-v2">
     <subject>
      Physics 
     </subject>
     <subject>
       Mathematics
     </subject>
    </subj-group>
   </article-categories>
   <title-group>
    Development of Lanchester-Type Spatial Models with Obtaining Localized Solutions for the Interaction of Two Groups
   </title-group>
   <contrib-group>
    <contrib contrib-type="author" xlink:type="simple">
     <name name-style="western">
      <surname>
       Nikita D.
      </surname>
      <given-names>
       Borisov
      </given-names>
     </name>
    </contrib>
   </contrib-group> 
   <aff id="affnull">
    <addr-line>
     aPhystech School of Applied Mathematics and Informatics, Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University), Dolgoprudny, Russia
    </addr-line> 
   </aff> 
   <pub-date pub-type="epub">
    <day>
     04
    </day> 
    <month>
     07
    </month>
    <year>
     2025
    </year>
   </pub-date> 
   <volume>
    13
   </volume> 
   <issue>
    07
   </issue>
   <fpage>
    2332
   </fpage>
   <lpage>
    2342
   </lpage>
   <history>
    <date date-type="received">
     <day>
      29,
     </day>
     <month>
      June
     </month>
     <year>
      2025
     </year>
    </date>
    <date date-type="published">
     <day>
      22,
     </day>
     <month>
      June
     </month>
     <year>
      2025
     </year> 
    </date> 
    <date date-type="accepted">
     <day>
      22,
     </day>
     <month>
      July
     </month>
     <year>
      2025
     </year> 
    </date>
   </history>
   <permissions>
    <copyright-statement>
     © Copyright 2014 by authors and Scientific Research Publishing Inc. 
    </copyright-statement>
    <copyright-year>
     2014
    </copyright-year>
    <license>
     <license-p>
      This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
     </license-p>
    </license>
   </permissions>
   <abstract>
    This paper presents an advanced mathematical framework for modeling combat dynamics between two opposing forces using nonlinear reaction-diffusion equations. Extending classical Lanchester models, we incorporate spatially dependent diffusion coefficients to capture modern battlefield complexities. A robust numerical scheme based on the Alternating Direction Implicit (ADI) method is developed, ensuring stability and second-order accuracy in spatiotemporal discretization. The model integrates logistic growth, combat attrition, and tactical diffusion processes, validated through analytical benchmarks. Simulations reveal intricate pattern formation, transient dynamics, and boundary adherence, demonstrating applicability to military strategy optimization. The complete formulation and numerical implementation are thoroughly discussed, providing insights into nonlinear system behavior under varying tactical conditions.
   </abstract>
   <kwd-group> 
    <kwd>
     Combat Dynamics
    </kwd> 
    <kwd>
      Lanchester Models
    </kwd> 
    <kwd>
      Nonlinear Systems
    </kwd> 
    <kwd>
      Numerical Stability
    </kwd> 
    <kwd>
      Alternating Direction Implicit Method
    </kwd>
   </kwd-group>
  </article-meta>
 </front>
 <body>
  <sec id="s1">
   <title>1. Introduction</title>
   <p>This paper develops a mathematical model for combat operations between two military groups using nonlinear diffusion-reaction equations. The system extends classical Lanchester-type models <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-1">
     [1]
    </xref>-<xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-3">
     [3]
    </xref> by incorporating spatial dynamics through nonlinear diffusion terms dependent on troop concentrations:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mtext>
        Combat terms 
      </mtext> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mo>
        ⋅ 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
          <mi>
            V 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(1)</p>
   <p>where diffusion coefficients 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        k 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> depend nonlinearly on troop density 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        U 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. Key challenges include handling nonlinear diffusion and ensuring numerical stability—issues resolved through our ADI-based approach <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-4">
     [4]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-5">
     [5]
    </xref>.</p>
   <p>The model captures essential battlefield phenomena: troop movements, engagement dynamics, and force depletion <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-6">
     [6]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-7">
     [7]
    </xref>. Key challenges include handling the nonlinear diffusion coefficients and developing stable numerical solutions.</p>
   <p>We present an efficient numerical solver for reaction-diffusion systems using the Alternating Direction Implicit (ADI) method, achieving second-order accuracy in both space and time <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-8">
     [8]
    </xref>. This approach maintains computational tractability while capturing complex nonlinear interactions.</p>
  </sec><sec id="s2">
   <title>2. Mathematical Model</title>
   <p>The combat dynamics between two military groups is described by a system of nonlinear diffusion-type partial differential equations <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-9">
     [9]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-10">
     [10]
    </xref>:</p>
   <p>
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable columnalign="left"> 
         <mtr columnalign="left"> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                U 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mi>
              α 
            </mi> 
            <mi>
              U 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 a 
               </mi> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 b 
               </mi> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </msub> 
              <mi>
                U 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 c 
               </mi> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </msub> 
              <mi>
                V 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
            <mi>
              U 
            </mi> 
            <mi>
              V 
            </mi> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </msub> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 k 
               </mi> 
               <mn>
                 1 
               </mn> 
              </msub> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  U 
                </mi> 
                <mo>
                  , 
                </mo> 
                <mi>
                  V 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mi>
                U 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr columnalign="left"> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mfrac> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                V 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mrow> 
              <mo>
                ∂ 
              </mo> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
             </mrow> 
            </mfrac> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mi>
              β 
            </mi> 
            <mi>
              V 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 a 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msub> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 b 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msub> 
              <mi>
                V 
              </mi> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <msub> 
               <mi>
                 c 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msub> 
              <mi>
                U 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               d 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
            <mi>
              V 
            </mi> 
            <mi>
              U 
            </mi> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               μ 
             </mi> 
             <mn>
               2 
             </mn> 
            </msub> 
            <mo>
              ∇ 
            </mo> 
            <mo>
              ⋅ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <msub> 
               <mi>
                 k 
               </mi> 
               <mn>
                 2 
               </mn> 
              </msub> 
              <mrow> 
               <mo>
                 ( 
               </mo> 
               <mrow> 
                <mi>
                  U 
                </mi> 
                <mo>
                  , 
                </mo> 
                <mi>
                  V 
                </mi> 
               </mrow> 
               <mo>
                 ) 
               </mo> 
              </mrow> 
              <mo>
                ∇ 
              </mo> 
              <mi>
                V 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(2)</p>
   <p>where 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        U 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        U 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> represent the troop density of the first and second groups at point 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and time 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       t 
     </mi> 
    </math>. The system is solved in the spatial-temporal domain:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        D 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         D 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mo>
          &lt; 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
        <mo>
          &lt; 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           T 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            max 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             X 
           </mi> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </msub> 
          <mo>
            &lt; 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
          <mo>
            &lt; 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             X 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          × 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             Y 
           </mi> 
           <mn>
             0 
           </mn> 
          </msub> 
          <mo>
            &lt; 
          </mo> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
          <mo>
            &lt; 
          </mo> 
          <msub> 
           <mi>
             Y 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         } 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mo>
          &lt; 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
        <mo>
          &lt; 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           T 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            max 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(3)</p>
   <p>which can be simplified to a unit square without loss of generality.</p>
   <p>The diffusion operator has the standard divergence form:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mo>
        ⋅ 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
        </msub> 
        <mo>
          ∇ 
        </mo> 
        <mi>
          F 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
        </msub> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mi>
            F 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mi>
           s 
         </mi> 
        </msub> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mi>
            F 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mi>
        s 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mn>
        2. 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>(4)</p>
   <p>The nonlinearity of the system arises from the dependence of diffusion coefficients 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> on the unknown functions, which may be specified by power-law relations <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-11">
     [11]
    </xref>:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
      <msup> 
       <mi>
         U 
       </mi> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           σ 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <msup> 
       <mi>
         V 
       </mi> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          V 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
      <msup> 
       <mi>
         U 
       </mi> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           σ 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <msup> 
       <mi>
         V 
       </mi> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           δ 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msub> 
       </mrow> 
      </msup> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(5)</p>
   <p>where 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msubsup> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msubsup> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mn>
           0 
         </mn> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
      </msubsup> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         σ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> are appropriately chosen constants.</p>
   <p>The system is complemented by initial conditions:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable columnalign="left"> 
         <mtr columnalign="left"> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mi>
              U 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               U 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr columnalign="left"> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mi>
              V 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <msub> 
             <mi>
               V 
             </mi> 
             <mn>
               0 
             </mn> 
            </msub> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mtext>
          
      </mtext> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ∈ 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
     </mrow> 
    </math>(6)</p>
   <p>We consider a reaction-diffusion system of equations in a square domain 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mtext>
        Ω 
      </mtext> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         [ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          L 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ] 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        × 
      </mo> 
      <mrow> 
       <mo>
         [ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          L 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ] 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> with boundary 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∂ 
      </mo> 
      <mi>
        Ω 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>. For the components 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        U 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, homogeneous Dirichlet boundary conditions are imposed, where zero values are maintained on all domain boundaries <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-12">
     [12]
    </xref>:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         { 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mtable columnalign="left"> 
         <mtr columnalign="left"> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mi>
              U 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mi>
              U 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                L 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
            <mo>
              ∈ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               [ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                L 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ] 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
            <mo>
              ≥ 
            </mo> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr columnalign="left"> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mi>
              U 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mi>
              U 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                L 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ∈ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               [ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                L 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ] 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
            <mo>
              ≥ 
            </mo> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr columnalign="left"> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mi>
              V 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mi>
              V 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                L 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
            <mo>
              ∈ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               [ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                L 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ] 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
            <mo>
              ≥ 
            </mo> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
         <mtr columnalign="left"> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mi>
              V 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mi>
              V 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mo>
               ( 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                L 
              </mi> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                t 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ) 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              = 
            </mo> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mtd> 
          <mtd columnalign="left"> 
           <mrow> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
            <mo>
              ∈ 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               [ 
             </mo> 
             <mrow> 
              <mn>
                0 
              </mn> 
              <mo>
                , 
              </mo> 
              <mi>
                L 
              </mi> 
             </mrow> 
             <mo>
               ] 
             </mo> 
            </mrow> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mtext>
                
            </mtext> 
            <mi>
              t 
            </mi> 
            <mo>
              ≥ 
            </mo> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </mrow> 
          </mtd> 
         </mtr> 
        </mtable> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(7)</p>
  </sec><sec id="s3">
   <title>3. Numerical Methodology</title>
   <p>The ADI method decomposes the spatial operator into directional components <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-5">
     [5]
    </xref>:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        ℒ 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         ℒ 
       </mi> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        + 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         ℒ 
       </mi> 
       <mi>
         y 
       </mi> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math>(8)</p>
   <p>where the directional operators for group U are defined as:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ℒ 
       </mi> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
      </msub> 
      <mi>
        U 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
          <mi>
            V 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             / 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
          <mi>
            j 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             U 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              j 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </msubsup> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <msubsup> 
           <mi>
             U 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              j 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             / 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mrow> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
          <mi>
            j 
          </mi> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             U 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              j 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </msubsup> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <msubsup> 
           <mi>
             U 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              j 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           h 
         </mi> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(9)</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         ℒ 
       </mi> 
       <mi>
         y 
       </mi> 
      </msub> 
      <mi>
        U 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mo>
         ∂ 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ∂ 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
          <mi>
            V 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ∂ 
          </mo> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
         </mrow> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
          <mi>
            j 
          </mi> 
          <mo>
            + 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             / 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             U 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              j 
            </mi> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </msubsup> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <msubsup> 
           <mi>
             U 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              j 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mrow> 
          <mi>
            i 
          </mi> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
          <mi>
            j 
          </mi> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             / 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </mrow> 
         </mrow> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             U 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              j 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </msubsup> 
          <mo>
            − 
          </mo> 
          <msubsup> 
           <mi>
             U 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              j 
            </mi> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mrow> 
        <msubsup> 
         <mi>
           h 
         </mi> 
         <mi>
           y 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msubsup> 
       </mrow> 
      </mfrac> 
     </mrow> 
    </math>(10)</p>
   <p>The diffusion coefficients at half-points are averaged using:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mi>
          i 
        </mi> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          j 
        </mi> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mfrac> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mfrac> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             U 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              j 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </msubsup> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
          <msubsup> 
           <mi>
             V 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              + 
            </mo> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              j 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <msub> 
         <mi>
           k 
         </mi> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </msub> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msubsup> 
           <mi>
             U 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              j 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </msubsup> 
          <mo>
            , 
          </mo> 
          <msubsup> 
           <mi>
             V 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              i 
            </mi> 
            <mo>
              , 
            </mo> 
            <mi>
              j 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
          </msubsup> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>(11)</p>
   <sec id="s3_1">
    <title>3.1. Temporal Discretization</title>
    <p>The ADI scheme employs the following fractional steps <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-8">
      [8]
     </xref>:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
          <mi>
            n 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            τ 
          </mi> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          ℒ 
        </mi> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          ℒ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         ℛ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
          <mi>
            n 
          </mi> 
         </msup> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            V 
          </mi> 
          <mi>
            n 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(12)</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </mrow> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mi>
            τ 
          </mi> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          ℒ 
        </mi> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          ℒ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         ℛ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mi>
             n 
           </mi> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mo>
              / 
            </mo> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </msup> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            V 
          </mi> 
          <mi>
            n 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(13)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
        ℛ 
      </mi> 
     </math> contains all reaction terms. The matrix form for Step 12 becomes:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            I 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mi>
            τ 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             A 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           n 
         </mi> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
          <mi>
            I 
          </mi> 
         </mstyle> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mi>
            τ 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mfrac> 
         <msub> 
          <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
           <mi>
             A 
           </mi> 
          </mstyle> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mi>
          τ 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </mfrac> 
       <msup> 
        <mi>
          ℛ 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>(14)</p>
    <p>with 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> being tridiagonal matrices representing 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          ℒ 
        </mi> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          ℒ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> respectively.</p>
   </sec>
   <sec id="s3_2">
    <title>3.2. Nonlinear Treatment</title>
    <p>For nonlinear terms, we employ Picard iteration <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-4">
      [4]
     </xref>:</p>
    <p>1: Initialize 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mn>
            0 
          </mn> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mi>
          n 
        </mi> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>;</p>
    <p>2: for 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         k 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mo>
         ⋯ 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math> until 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          ‖ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mi>
              k 
            </mi> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </msup> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ‖ 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         &lt; 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mn>
           10 
         </mn> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           6 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> do;</p>
    <p>3: Update diffusion coefficients 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msubsup> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            k 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msubsup> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               k 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mn>
               1 
             </mn> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </msup> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            V 
          </mi> 
          <mi>
            n 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>;</p>
    <p>4: Solve tridiagonal systems for 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mi>
            k 
          </mi> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>;</p>
    <p>5: end for.</p>
   </sec>
   <sec id="s3_3">
    <title>3.3. Stability Analysis</title>
    <p>The scheme is unconditionally stable when linearized. For constant 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, the amplification factor G satisfies:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mrow> 
        <mo>
          | 
        </mo> 
        <mi>
          G 
        </mi> 
        <mo>
          | 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mi>
              τ 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </mfrac> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <msub> 
              <mi>
                λ 
              </mi> 
              <mi>
                x 
              </mi> 
             </msub> 
             <mo>
               + 
             </mo> 
             <msub> 
              <mi>
                λ 
              </mi> 
              <mi>
                y 
              </mi> 
             </msub> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <mfrac> 
            <mrow> 
             <msup> 
              <mi>
                τ 
              </mi> 
              <mn>
                2 
              </mn> 
             </msup> 
            </mrow> 
            <mn>
              4 
            </mn> 
           </mfrac> 
           <msub> 
            <mi>
              λ 
            </mi> 
            <mi>
              x 
            </mi> 
           </msub> 
           <msub> 
            <mi>
              λ 
            </mi> 
            <mi>
              y 
            </mi> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            | 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msup> 
       <mo>
         ≤ 
       </mo> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>(15)</p>
    <p>where 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          λ 
        </mi> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          λ 
        </mi> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> are eigenvalues of 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>, 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"> 
         <mi>
           A 
         </mi> 
        </mstyle> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> respectively. The stability region is shown in <xref ref-type="fig" rid="fig1">
      Figure 1
     </xref>. The local truncation error is <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-8">
      [8]
     </xref>:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          ℰ 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mi>
           l 
         </mi> 
         <mi>
           o 
         </mi> 
         <mi>
           c 
         </mi> 
         <mi>
           a 
         </mi> 
         <mi>
           l 
         </mi> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            τ 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mn>
          4 
        </mn> 
       </mfrac> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msub> 
          <mi>
            ℒ 
          </mi> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ℒ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
         </msub> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <msub> 
          <mi>
            ℒ 
          </mi> 
          <mi>
            y 
          </mi> 
         </msub> 
         <msub> 
          <mi>
            ℒ 
          </mi> 
          <mi>
            x 
          </mi> 
         </msub> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mi>
         U 
       </mi> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <munder accentunder="true"> 
        <mi>
          O 
        </mi> 
        <mo>
          _ 
        </mo> 
       </munder> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            τ 
          </mi> 
          <mn>
            3 
          </mn> 
         </msup> 
         <mo>
           + 
         </mo> 
         <msup> 
          <mi>
            h 
          </mi> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </msup> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(16)</p>
    <fig id="fig1" position="float">
     <label>Figure 1</label>
     <caption>
      <title>Figure 1. Stability region of the ADI scheme (shaded) compared to explicit Euler (dashed line).</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724251-rId107.jpeg?20250728102619" />
    </fig>
   </sec>
  </sec><sec id="s4">
   <title>4. Model Verification</title>
   <sec id="s4_1">
    <title>4.1. Analytical Benchmarks</title>
    <p>To validate our numerical implementation, we conduct verification against two classes of exact solutions:</p>
    <p>For constant diffusion 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math> and 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         V 
       </mi> 
       <mo>
         ≡ 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>, the system reduces to <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-11">
      [11]
     </xref>:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mfrac> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           U 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           ∂ 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <munder> 
        <munder> 
         <mrow> 
          <mi>
            α 
          </mi> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
          <mrow> 
           <mo>
             ( 
           </mo> 
           <mrow> 
            <mn>
              1 
            </mn> 
            <mo>
              − 
            </mo> 
            <mi>
              U 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mo>
             ) 
           </mo> 
          </mrow> 
         </mrow> 
         <mo stretchy="true">
           ︸ 
         </mo> 
        </munder> 
        <mrow> 
         <mtext>
           Logistic growth 
         </mtext> 
        </mrow> 
       </munder> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <munder> 
        <munder> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
          <msup> 
           <mo>
             ∇ 
           </mo> 
           <mn>
             2 
           </mn> 
          </msup> 
          <mi>
            U 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo stretchy="true">
           ︸ 
         </mo> 
        </munder> 
        <mrow> 
         <mtext>
           Diffusion 
         </mtext> 
        </mrow> 
       </munder> 
      </mrow> 
     </math>(17)</p>
    <p>The exact traveling wave solution 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         U 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         ϕ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           x 
         </mi> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           c 
         </mi> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math> satisfies:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          μ 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <msup> 
        <mi>
          ϕ 
        </mi> 
        <mo>
          ″ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
       <msup> 
        <mi>
          ϕ 
        </mi> 
        <mo>
          ′ 
        </mo> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mi>
         ϕ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mi>
           ϕ 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>(18)</p>
    <p>For wave speed 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mfrac> 
        <mn>
          5 
        </mn> 
        <mrow> 
         <msqrt> 
          <mn>
            6 
          </mn> 
         </msqrt> 
        </mrow> 
       </mfrac> 
      </mrow> 
     </math>, the solution has implicit form:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mstyle displaystyle="true"> 
        <mrow> 
         <msubsup> 
          <mo>
            ∫ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              ϕ 
            </mi> 
            <mn>
              0 
            </mn> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mi>
            ϕ 
          </mi> 
         </msubsup> 
         <mrow> 
          <mfrac> 
           <mrow> 
            <mtext>
              d 
            </mtext> 
            <mi>
              ψ 
            </mi> 
           </mrow> 
           <mrow> 
            <mi>
              ψ 
            </mi> 
            <msqrt> 
             <mrow> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mo>
                − 
              </mo> 
              <mi>
                ψ 
              </mi> 
              <mo>
                + 
              </mo> 
              <mfrac> 
               <mrow> 
                <mn>
                  6 
                </mn> 
                <msub> 
                 <mi>
                   μ 
                 </mi> 
                 <mn>
                   1 
                 </mn> 
                </msub> 
               </mrow> 
               <mrow> 
                <mi>
                  α 
                </mi> 
                <msup> 
                 <mi>
                   c 
                 </mi> 
                 <mn>
                   2 
                 </mn> 
                </msup> 
               </mrow> 
              </mfrac> 
              <mi>
                ln 
              </mi> 
              <mi>
                ψ 
              </mi> 
             </mrow> 
            </msqrt> 
           </mrow> 
          </mfrac> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </mstyle> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         ξ 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msub> 
        <mi>
          ξ 
        </mi> 
        <mn>
          0 
        </mn> 
       </msub> 
      </mrow> 
     </math>(19)</p>
    <p>Numerical implementation uses the asymptotic approximation:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         ϕ 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mi>
          ξ 
        </mi> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         ≈ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <msup> 
            <mtext>
              e 
            </mtext> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mi>
                ξ 
              </mi> 
              <mo>
                / 
              </mo> 
              <mrow> 
               <msqrt> 
                <mrow> 
                 <mrow> 
                  <mrow> 
                   <mn>
                     6 
                   </mn> 
                   <msub> 
                    <mi>
                      μ 
                    </mi> 
                    <mn>
                      1 
                    </mn> 
                   </msub> 
                  </mrow> 
                  <mo>
                    / 
                  </mo> 
                  <mi>
                    α 
                  </mi> 
                 </mrow> 
                </mrow> 
               </msqrt> 
              </mrow> 
             </mrow> 
            </mrow> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mn>
           1 
         </mn> 
        </mrow> 
       </msup> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mtext>
           
       </mtext> 
       <mtext>
           
       </mtext> 
       <mi>
         ξ 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mi>
         x 
       </mi> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
      </mrow> 
     </math>(20)</p>
    <p>For power-law diffusion 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mi>
          k 
        </mi> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mi>
          σ 
        </mi> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> with 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         σ 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math> and cubic reaction 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mo>
         − 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          U 
        </mi> 
        <mn>
          3 
        </mn> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>, the solution exhibits finite-time blow-up <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-9">
      [9]
     </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-13">
      [13]
     </xref>:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         U 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mo>
          ( 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mi>
           r 
         </mi> 
         <mo>
           , 
         </mo> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
        </mrow> 
        <mo>
          ) 
        </mo> 
       </mrow> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             T 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msup> 
       <mtext>
         exp 
       </mtext> 
       <mrow> 
        <mo>
          [ 
        </mo> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mfrac> 
          <mrow> 
           <msup> 
            <mi>
              r 
            </mi> 
            <mn>
              2 
            </mn> 
           </msup> 
          </mrow> 
          <mrow> 
           <mn>
             8 
           </mn> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mi>
               T 
             </mi> 
             <mo>
               − 
             </mo> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
           <mtext>
             ln 
           </mtext> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mrow> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mo>
                / 
              </mo> 
              <mrow> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <mi>
                   T 
                 </mi> 
                 <mo>
                   − 
                 </mo> 
                 <mi>
                   t 
                 </mi> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
             </mrow> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
         </mfrac> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
           <mo>
             + 
           </mo> 
           <munder accentunder="true"> 
            <mi>
              O 
            </mi> 
            <mo>
              _ 
            </mo> 
           </munder> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mfrac> 
              <mn>
                1 
              </mn> 
              <mrow> 
               <mtext>
                 ln 
               </mtext> 
               <mrow> 
                <mo>
                  ( 
                </mo> 
                <mrow> 
                 <mrow> 
                  <mn>
                    1 
                  </mn> 
                  <mo>
                    / 
                  </mo> 
                  <mrow> 
                   <mrow> 
                    <mo>
                      ( 
                    </mo> 
                    <mrow> 
                     <mi>
                       T 
                     </mi> 
                     <mo>
                       − 
                     </mo> 
                     <mi>
                       t 
                     </mi> 
                    </mrow> 
                    <mo>
                      ) 
                    </mo> 
                   </mrow> 
                  </mrow> 
                 </mrow> 
                </mrow> 
                <mo>
                  ) 
                </mo> 
               </mrow> 
              </mrow> 
             </mfrac> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          ] 
        </mo> 
       </mrow> 
      </mrow> 
     </math>(21)</p>
    <p>The scaling law for 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msup> 
        <mi>
          L 
        </mi> 
        <mi>
          ∞ 
        </mi> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math> norm is:</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             U 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mo>
              ( 
            </mo> 
            <mrow> 
             <mo>
               ⋅ 
             </mo> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               t 
             </mi> 
            </mrow> 
            <mo>
              ) 
            </mo> 
           </mrow> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <msup> 
          <mi>
            L 
          </mi> 
          <mi>
            ∞ 
          </mi> 
         </msup> 
        </mrow> 
       </msub> 
       <mo>
         ~ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ( 
          </mo> 
          <mrow> 
           <mi>
             T 
           </mi> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <mi>
             t 
           </mi> 
          </mrow> 
          <mo>
            ) 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mrow> 
         <mo>
           − 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mn>
            1 
          </mn> 
          <mo>
            / 
          </mo> 
          <mn>
            2 
          </mn> 
         </mrow> 
        </mrow> 
       </msup> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mtext>
           
       </mtext> 
       <mtext>
           
       </mtext> 
       <mi>
         t 
       </mi> 
       <mo>
         → 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          T 
        </mi> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
       </msup> 
      </mrow> 
     </math>(22)</p>
    <p>Results are shown in <xref ref-type="fig" rid="fig2">
      Figure 2
     </xref>.</p>
    <fig-group id="fig2" position="float">
     <fig id="fig2" position="float">
      <label>Figure 2</label>
      <caption>
       <title>Figure 2. Analytical benchmark verification.--Figure 2. Analytical benchmark verification.</title>
      </caption>
      <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724251-rId136.jpeg?20250728102624" />
     </fig>
     <fig id="fig2" position="float">
      <label>Figure 2</label>
      <caption>
       <title>Figure 2. Analytical benchmark verification.--Figure 2. Analytical benchmark verification.</title>
      </caption>
      <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724251-rId137.jpeg?20250728102624" />
     </fig>
    </fig-group>
   </sec>
   <sec id="s4_2">
    <title>4.2. Grid Convergence Study</title>
    <p>Temporal ( 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         h 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0.01 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mn>
         0.005 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mn>
         0.0025 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>) and spatial ( 
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <mi>
         τ 
       </mi> 
       <mo>
         = 
       </mo> 
       <mn>
         0.1 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mn>
         0.05 
       </mn> 
       <mo>
         , 
       </mo> 
       <mn>
         0.025 
       </mn> 
      </mrow> 
     </math>) refinements confirm second-order convergence <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-8">
      [8]
     </xref>. The Richardson extrapolation error estimate satisfies (<xref ref-type="fig" rid="fig3">
      Figure 3
     </xref>):</p>
    <p>
     <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
       <msub> 
        <mrow> 
         <mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
          <mrow> 
           <msub> 
            <mi>
              U 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mi>
               h 
             </mi> 
             <mo>
               , 
             </mo> 
             <mi>
               τ 
             </mi> 
            </mrow> 
           </msub> 
           <mo>
             − 
           </mo> 
           <msub> 
            <mi>
              U 
            </mi> 
            <mrow> 
             <mtext>
               exact 
             </mtext> 
            </mrow> 
           </msub> 
          </mrow> 
          <mo>
            ‖ 
          </mo> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msub> 
       <mo>
         ∝ 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          h 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         + 
       </mo> 
       <msup> 
        <mi>
          τ 
        </mi> 
        <mn>
          2 
        </mn> 
       </msup> 
       <mo>
         . 
       </mo> 
      </mrow> 
     </math>(23)</p>
    <fig-group id="fig3" position="float">
     <fig id="fig3" position="float">
      <label>Figure 3</label>
      <caption>
       <title>Figure 3. Verification results: (a) Analytical vs numerical wavefronts; (b) L2-error vs grid resolution.--Figure 3. Verification results: (a) Analytical vs numerical wavefronts; (b) L2-error vs grid resolution.</title>
      </caption>
      <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724251-rId144.jpeg?20250728102626" />
     </fig>
     <fig id="fig3" position="float">
      <label>Figure 3</label>
      <caption>
       <title>Figure 3. Verification results: (a) Analytical vs numerical wavefronts; (b) L2-error vs grid resolution.--Figure 3. Verification results: (a) Analytical vs numerical wavefronts; (b) L2-error vs grid resolution.</title>
      </caption>
      <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724251-rId145.jpeg?20250728102626" />
     </fig>
    </fig-group>
   </sec>
  </sec><sec id="s5">
   <title>5. Results of Numerical Modeling</title>
   <p>The numerical simulations of the reaction-diffusion system reveal complex spatiotemporal dynamics between the two interacting components 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        U 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>. The implemented ADI (Alternating Direction Implicit) method with 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <munder accentunder="true"> 
       <mi>
         O 
       </mi> 
       <mo>
         _ 
       </mo> 
      </munder> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           τ 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           h 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> accuracy successfully captures the evolution of the system, demonstrating stable behavior even for the strongly nonlinear case <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-5">
     [5]
    </xref> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-8">
     [8]
    </xref>.</p>
   <p>Key observations from the simulations include:</p>
   <fig-group id="fig4" position="float">
    <fig id="fig4" position="float">
     <label>Figure 4</label>
     <caption>
      <title>Figure 4. Evolution of U( x,y,t ) showing pattern formation stages.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724251-rId162.jpeg?20250728102626" />
    </fig>
    <fig id="fig4" position="float">
     <label>Figure 4</label>
     <caption>
      <title>Figure 4. Evolution of U( x,y,t ) showing pattern formation stages.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724251-rId163.jpeg?20250728102627" />
    </fig>
    <fig id="fig4" position="float">
     <label>Figure 4</label>
     <caption>
      <title>Figure 4. Evolution of U( x,y,t ) showing pattern formation stages.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724251-rId164.jpeg?20250728102627" />
    </fig>
   </fig-group>
   <p>The visualizations in <xref ref-type="fig" rid="fig4">
     Figure 4
    </xref> clearly show the competition between diffusion processes (controlled by 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0.1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0.2 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>) and nonlinear reaction terms, resulting in complex but stable pattern formation <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-9">
     [9]
    </xref>. The numerical scheme proves robust for this class of problems, handling both the stiff diffusion terms and nonlinear couplings effectively <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-8">
     [8]
    </xref>.</p>
  </sec><sec id="s6">
   <title>6. Conclusions and Suggestions</title>
   <p>The numerical implementation of the coupled reaction-diffusion system using the ADI method with temporal parameter modulation has yielded several significant computational insights. The solver effectively captures the evolving spatiotemporal patterns of the interacting components 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        U 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math>, with 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       U 
     </mi> 
    </math> showing amplified patterns (peak magnitude ≈2.0) compared to 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       V 
     </mi> 
    </math> (peak magnitude ≈1.0), consistent with the designed initial conditions and parameter choices ( 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        1.0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>, 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         β 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mo>
        − 
      </mo> 
      <mn>
        0.3 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math>) <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-12">
     [12]
    </xref>.</p>
   <p>
    <xref ref-type="fig" rid="fig5">
     Figure 5
    </xref> demonstrates the localized spatial patterns of force concentrations, where subfigure (a) shows the primary group’s density distribution with distinct peak formations, while subfigure (b) reveals the opposing group’s more dispersed configuration. These visualizations confirm the model’s capability to capture both concentrated and diffuse combat scenarios.</p>
   <p>The power-law form of diffusion coefficients in Equation (5) is justified by the following military considerations:</p>
   <p>Nonlinear Mobility Effects</p>
   <fig-group id="fig5" position="float">
    <fig id="fig5" position="float">
     <label>Figure 5</label>
     <caption>
      <title>Figure 5. Spatial force distribution showing localization effects.--Figure 5. Spatial force distribution showing localization effects.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724251-rId189.jpeg?20250728102628" />
    </fig>
    <fig id="fig5" position="float">
     <label>Figure 5</label>
     <caption>
      <title>Figure 5. Spatial force distribution showing localization effects.--Figure 5. Spatial force distribution showing localization effects.</title>
     </caption>
     <graphic mimetype="image" position="float" xlink:type="simple" xlink:href="https://html.scirp.org/file/1724251-rId190.jpeg?20250728102629" />
    </fig>
   </fig-group>
   <p>Tactical Scenarios Modeled</p>
   <p>Blitzkrieg: 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         σ 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ≫ 
      </mo> 
      <mn>
        1 
      </mn> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> (Fast advance at high concentration);</p>
   <p>Defensive: 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         σ 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
      <mo>
        , 
      </mo> 
      <msub> 
       <mi>
         δ 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        &lt; 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> (Enemy slows movement);</p>
   <p>Guerilla: 
    <math display="inline" xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         σ 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        &lt; 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> (Dispersion at high density).</p>
   <p>Mathematical Advantages</p>
   <p>This formulation provides a parsimonious yet flexible representation of modern combat dynamics where troop mobility depends nonlinearly on both friendly and enemy force distributions.</p>
   <p>The temporal modulation scheme 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mn>
          1 
        </mn> 
        <mo>
          − 
        </mo> 
        <mi>
          sin 
        </mi> 
        <mrow> 
         <mo>
           ( 
         </mo> 
         <mrow> 
          <mi>
            π 
          </mi> 
          <mi>
            t 
          </mi> 
         </mrow> 
         <mo>
           ) 
         </mo> 
        </mrow> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mrow> 
         <mi>
           t 
         </mi> 
         <mo>
           / 
         </mo> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             T 
           </mi> 
           <mrow> 
            <mi>
              max 
            </mi> 
           </mrow> 
          </msub> 
         </mrow> 
        </mrow> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <mi>
          β 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> successfully introduces controlled non-stationary behavior while preserving numerical stability, with default modulation parameters 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         α 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mtext>
          mod 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0.5 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         β 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mtext>
          mod 
        </mtext> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0.2 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-14">
     [14]
    </xref>. The method maintains strict Dirichlet boundary conditions ( 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        U 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> at boundaries) throughout simulations and handles the nonlinear coupling terms ( 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mn>
          12 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mi>
        U 
      </mi> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         a 
       </mi> 
       <mrow> 
        <mn>
          21 
        </mn> 
       </mrow> 
      </msub> 
      <mi>
        U 
      </mi> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math>) robustly, with diffusion coefficients 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0.05 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        = 
      </mo> 
      <mn>
        0.1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> producing physically meaningful gradient evolution <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-9">
     [9]
    </xref>.</p>
   <p>The implementation shows particular promise for modeling systems with:</p>
   <p>The simulated spatiotemporal dynamics of troop concentrations 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        U 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <mi>
          x 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          y 
        </mi> 
        <mo>
          , 
        </mo> 
        <mi>
          t 
        </mi> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> exhibit mathematically predictable pattern formation with direct military applications. The characteristic length scale of emerging combat patterns is determined by the critical engagement distance:</p>
   <p>
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         λ 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <msqrt> 
       <mrow> 
        <mfrac> 
         <mrow> 
          <msub> 
           <mi>
             μ 
           </mi> 
           <mn>
             1 
           </mn> 
          </msub> 
         </mrow> 
         <mi>
           α 
         </mi> 
        </mfrac> 
       </mrow> 
      </msqrt> 
     </mrow> 
    </math></p>
   <p>where 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
     </mrow> 
    </math> represents force mobility and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mi>
       α 
     </mi> 
    </math> the engagement intensity. This fundamental scale suggests that in typical combat scenarios with 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         μ 
       </mi> 
       <mn>
         1 
       </mn> 
      </msub> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <mn>
        0.1 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> km<sup>2</sup>/hr and 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mi>
        α 
      </mi> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <mn>
        0.05 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> hr<sup>−</sup><sup>1</sup>, the natural operational separation between units should not exceed 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msub> 
       <mi>
         λ 
       </mi> 
       <mi>
         c 
       </mi> 
      </msub> 
      <mo>
        ≈ 
      </mo> 
      <mn>
        1.4 
      </mn> 
     </mrow> 
    </math> km to maintain effective mutual support. Regions exhibiting high Laplacian values 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <msup> 
       <mo>
         ∇ 
       </mo> 
       <mn>
         2 
       </mn> 
      </msup> 
      <mi>
        U 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> correspond to optimal kill zones for indirect fire systems, while gradient fields 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <mo>
        ∇ 
      </mo> 
      <mi>
        V 
      </mi> 
     </mrow> 
    </math> reveal probable enemy lines of advance.</p>
   <p>Future extensions could explore adaptive time-stepping and three-dimensional implementations while maintaining the current scheme’s 
    <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mrow> 
      <munder accentunder="true"> 
       <mi>
         O 
       </mi> 
       <mo>
         _ 
       </mo> 
      </munder> 
      <mrow> 
       <mo>
         ( 
       </mo> 
       <mrow> 
        <msup> 
         <mi>
           τ 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
        <mo>
          + 
        </mo> 
        <msup> 
         <mi>
           h 
         </mi> 
         <mn>
           2 
         </mn> 
        </msup> 
       </mrow> 
       <mo>
         ) 
       </mo> 
      </mrow> 
     </mrow> 
    </math> accuracy and stability properties <xref ref-type="bibr" rid="scirp.144310-15">
     [15]
    </xref>.</p>
  </sec>
 </body><back>
  <ref-list>
   <title>References</title>
   <ref id="scirp.144310-ref1">
    <label>1</label>
    <mixed-citation publication-type="other" xlink:type="simple">
     Atkinson, M.P., Kress, M. and MacKay, N.J. (2020) Targeting, Deployment, and Loss-Tolerance in Lanchester Engagements. Operations Research, 69, 71-81. &gt;https://doi.org/10.1287/opre.2020.2022
    </mixed-citation>
   </ref>
   <ref id="scirp.144310-ref2">
    <label>2</label>
    <mixed-citation publication-type="other" xlink:type="simple">
     Kostić, M. and Jovanović, A. (2020) Lanchester’s Differential Equations as Operational Command Decision Making Tools. Military Technical Courier, 68, 523-540. 
    </mixed-citation>
   </ref>
   <ref id="scirp.144310-ref3">
    <label>3</label>
    <mixed-citation publication-type="other" xlink:type="simple">
     McCartney, M. (2023) Battling with Lanchester’s Equations in the Classroom. International Journal of Mathematical Education in Science and Technology, 54, 451-461. &gt;https://doi.org/10.1080/0020739x.2021.2022230
    </mixed-citation>
   </ref>
   <ref id="scirp.144310-ref4">
    <label>4</label>
    <mixed-citation publication-type="other" xlink:type="simple">
     Fryazinov, I.V. and Bakirova, M.I. (1972) On Economical Difference Schemes for Heat Equation in Curvilinear Coordinates. USSR Computational Mathematics and Mathematical Physics, 12, 87-100.
    </mixed-citation>
   </ref>
   <ref id="scirp.144310-ref5">
    <label>5</label>
    <mixed-citation publication-type="other" xlink:type="simple">
     Marchuk, G.I. (1988) Splitting Methods, Nauka. (In Russian)
    </mixed-citation>
   </ref>
   <ref id="scirp.144310-ref6">
    <label>6</label>
    <mixed-citation publication-type="other" xlink:type="simple">
     Korepanov, V.O., Chkhartishvili, A.G. and Shumov, V.V. (2023) Basic Models of Combat Operations. Urban and Building Science, 103, 40-77. (In Russian)
    </mixed-citation>
   </ref>
   <ref id="scirp.144310-ref7">
    <label>7</label>
    <mixed-citation publication-type="other" xlink:type="simple">
     Liu, Y., Zhang, X., Du, H., Wang, G. and Zeng, D. (2021) Construction and Simulation of Lanchester Battle Equations Based on Space-Based Information Support. Journal of Physics: Conference Series, 2384, Article 012011. &gt;https://doi.org/10.1088/1742-6596/2384/1/012011
    </mixed-citation>
   </ref>
   <ref id="scirp.144310-ref8">
    <label>8</label>
    <mixed-citation publication-type="other" xlink:type="simple">
     Samarskii, A.A. (2001) The Theory of Difference Schemes. Marcel Dekker.
    </mixed-citation>
   </ref>
   <ref id="scirp.144310-ref9">
    <label>9</label>
    <mixed-citation publication-type="other" xlink:type="simple">
     Kurdyumov, S.P., Kurkina, E.S. and Tel’kovskaya, O.V. (1989) Blow-Up Regimes in Two-Component Media. Applied Mathematical Modelling, 35, 34-50 (In Russian). 
    </mixed-citation>
   </ref>
   <ref id="scirp.144310-ref10">
    <label>10</label>
    <mixed-citation publication-type="other" xlink:type="simple">
     Zang, W.B. (1999) Synergetic Economics: Time and Change in Nonlinear Economic Theory. Springer.
    </mixed-citation>
   </ref>
   <ref id="scirp.144310-ref11">
    <label>11</label>
    <mixed-citation publication-type="other" xlink:type="simple">
     Galaktionov, V.A., Dorodnitsyn, V.A., Elenin, G.G., Kurdyumov, S.P., and Samarskii, A.A. (1986) Quasilinear Heat Equation with Source: Blow-Up, Localization and Exact Solutions. Mathematical Modeling. 
    </mixed-citation>
   </ref>
   <ref id="scirp.144310-ref12">
    <label>12</label>
    <mixed-citation publication-type="other" xlink:type="simple">
     Inovenkov, I.N., Nefedov, V.V. and Tikhomirov, V.V. (2022) Computer Modeling of Urban Population Dynamics. Modern Information Technologies and IT-Education, 18, 300-309.
    </mixed-citation>
   </ref>
   <ref id="scirp.144310-ref13">
    <label>13</label>
    <mixed-citation publication-type="other" xlink:type="simple">
     Belavin, V.A. and Kurdyumov, S.P. (2000) Blow-Up Regimes in Demographic Systems. Computational Mathematics, 40, 227-239.
    </mixed-citation>
   </ref>
   <ref id="scirp.144310-ref14">
    <label>14</label>
    <mixed-citation publication-type="other" xlink:type="simple">
     Fradkov, A. (2021) Dynamics and Stability under Iterated Sanctions and Counter-sanctions. Automation and Remote Control, 82, 401-415. 
    </mixed-citation>
   </ref>
   <ref id="scirp.144310-ref15">
    <label>15</label>
    <mixed-citation publication-type="other" xlink:type="simple">
     Yoo, B.J. (2020) Statistical Review and Explanation for Lanchester Model. International Journal of Applied Mathematics and Statistics, 59, 123-135.
    </mixed-citation>
   </ref>
  </ref-list>
 </back>
</article>