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流感传播数学模型的基本再生数
第35卷第5期 西 南 大 学 学 报 (自然科学版) 2013年5月
Vol.35 No.5 JournalofSouthwestUniversity(NaturalScienceEdition) May 2013
文章编号:1673 9868(2013)05 0084 05
流感传播数学模型的基本再生数①
王宝童, 王稳地
西南大学 数学与统计学院,重庆400715
摘要:研究了流感病毒在城市之间的传播,得到了基本再生数R0,证明了R0 1时疾病将会消除,R0 1时疾病
才可能会爆发.讨论了人口在3个城市之间移动对R0 的影响,最后研究了在一种重要城市连接模式下人口移动对
疾病传播的影响.
关 键 词:甲型流感;城市结构;人口流动;基本再生数
中图分类号:O175.1 文献标志码:A
人类社会一直受到传染病的严重威胁,近些年来发生的传染病如非典型肺炎(SARS),高致病性禽流
感(H5N1),甲型H1N1流感等均对人类的健康和生活产生了巨大影响.如何遏制传染病暴发,缓解传染病
流行并控制传染病是当前社会面临的迫切问题.目前已经有很多关于流感病毒传播的研究[1-4].这些研究
从不同的方面对流感病毒进行了研究,但是对于3个城市之间的研究并未给出具体的说明.本文主要是从
疾病在3个城市之间的传播方面研究了人口移动对疾病传播的影响.
1 仓室模型
我们采用仓室模型,将人口分为:易感染者、感染者、治疗者、康复者4个仓室,并且假设矩阵
(aij)3×3,(bij)3×3,(dij)3×3分别为易感染者、感染者、康复者的人口移动矩阵,并且为不可约矩阵,同时还满
足∑3
j=1
aij=0,∑3
j=1
bij=0,∑3
j=1
dij=0.其他参数的具体意义参考文献[4-5].治疗者只停留在本地,传染病
在城市之间的传播模型可以用下面的方程来描述
dSi
dt=Λi-uiSi-βiSiIi+∑
3
j=1
aijSj
dIi
dt=βiSiIi-(ui+γi+pi)Ii+∑
3
j=1
bijIj
dTi
dt =piIi-(ui+θi)Ti
dRi
dt =γiIi+θiTi-uiRi+∑
3
j=1
dijRj i=1,2,
ì
?
í
?
?
?
?
??
?
?
?
?
? 3
(1)
令Ni(t)=Si(t)+Ii(t)+Ti(t)+Ri(t)是第i个城市在t时刻的总人口.首先很容易知道系统(1)的解具
有非负性.令N(t)=N1(t)+N2(t)+N3(t)为总的人口,再取Λ=∑3
i=1
Λi,u=max1≤i≤3{ui}.则可以得到
① 收稿日期:2012 06 14
基金项目:国家自然科学基金资助项目.
作者简介:王宝童(1986 ),男,河南新蔡人,硕士研究生,主要从生物数学研究.
dN(t)
dt =∑
3
i=1
(Λi-uiNi)≤Λ-uN
根据比较定理可以得到lim
t→∞N(t)≤Λu,从而可以知道
G= (S,I,T,R):Si≥0,Ii≥0,Ti≥0,Ri≥0,∑3
i=1
(Si+Ii+Ti+Ri)≤Λ{ }u
为正不变集.
2 基本再生数
先考虑下面的系统
dSi
dt=Λi-uiSi+∑
3
j=1
aijSj i=1,2,3 (2)
令M 为下面的矩阵
M=
-(u1-a11) a12 a13
a21 -(u2-a22) a23
a31 a32 -(u3-a33
?
è
?
?
?
?
?
÷
÷
÷)
再令s(M)=max{Re(λ):λ为M 的特征值},由矩阵M 的定义以及根据∑3
j=1
aij=0可以知道矩阵M 所有特
征值实部小于0,即有s(M)0,从而可以知道系统(2)存在唯一的正平衡点(S01,S02,S03),且是全局渐近
稳定的.基本再生数就是一个感染者在整个疾病感染期间内感染的人数.可以通过文献[6]中提到的下一
代矩阵方法来计算基本再生数.令
F=(βiS0iδij)3×3 V=((ui+γi+pi)δij-bij))3×3
其中:δij=0(i≠j),δi =1.基本再生数为R0=ρ(FV-1),其中ρ为谱半径.
若令
Ri= βiS
0
i
ui+γi+pi R
i~0= βiS0iui+γi+pi-bi
则根据文献[4],我们可以得到下面的关系式
max{max1≤i≤3Ri~0,min1≤i≤3Ri0}≤R0 ≤ max1≤i≤3Ri0
由于bi ≤0,从而有Ri~0≤Ri0.与单个城市或其他类型的传染病模型类似,我们可以得到系统(1)的无病平
衡点的局部稳定性,由此可以得到如下定理1.
定理1 当R0≤1时,系统(1)的无病平衡点E0=(S01,S02,S03,0,0,0,0,0,0)是全局
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