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微积分方法建模12传染病模型—数学建模案例分析
§12 传染病模型
建立传染病模型的目的是描述传染过程、分析受感染人数的变化规律、预报高潮期到来的时间等等。
为简单起见假定,传播期间内所观察地区人数不变,不计生死迁移,时间以天为计量单位。
模型(一)(SI模型)
模型假设
1、人群分为健康者和病人,在时刻这两类人中所占比例分别为和,即。
2、平均每个病人每天有效接触人数是常数,即每个病人平均每天使个健康者受感染变为病人,称为日接触率。
模型建立与求解
据假设,在时刻,每个病人每天可使个健康者变成病人,病人数为,故每天共有个健康者被感染,即
又由假设1和设时的比例,则得到模型
(1)
(1)的解为
(2)
0 0 1
模型解释1、当时,达最大值,这个时刻为,即高潮到来时刻,越大,则越小。
2、当时,这即所有的人都被感染,主要是由于没有考虑病人可以治愈,只有健康者变成病人,病人不会再变成健康者的缘故。
模型(二)(SIS模型)
在模型(一)中补充假设
3、病人每天被治愈的占病人总数的比例为,称为日治愈率。
模型修正为
(时刻每天有病人转变成健康者) (3)
(3)的解为
(4)
可以由(3)计算出使达最大的高潮期。(最大值在时达到)。
记,可知
0 0
模型解释 可知(刻画出该地区医疗条件的卫生水平)为一个阈值,当时,,当时,增减性取决于的大小,但其极限,且愈大,它也愈大。
模型(三)(SIR模型)
模型假设
1、人群分为健康者,病人和移出者(病愈免疫者),三类人在时刻在总人数中占比例分别为,,即
2、病人日接触率为,日治愈率,传染期间接触数
模型建立与求解
随变化规律仍同模型(二),对应有
,且
于是得到模型
(5)
从(5)中消去,并注意到的意义,可得
(6)
求出(6)的解为 (7)
从(5)中无法得到和的解析解,转到相平面上讨论解的性质。
可根据(5),(7)及上图分析的变化情况:
1、无论如何,,即病人终将消失。
2、最终未被感染的健康者比例是方程
(8)
在内的单根。
3、若,则当时,达到最大值,先增后减至0。
4、若,则。
模型解释
1、是一个阈值,当时传染病会蔓延,时就不会蔓延。
2、表明愈小,愈大,也愈小,从而愈有利。
注:重要参数可由(8)中令(通常开始时很小)得到估计值
(其中可由实验得出估计)
模型应用
1、被传染比例的估计
由 由(8),
当该地区的卫生和医疗水平不变时,就不变,这个比例也不变。
2、群体免疫和预防
由于当时不会蔓延,故降低也是种手段。由,于是可表示为,即通过群体免疫
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