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3:微分方程建模法 数学建模
微分建模法 1 微分方程的几个简单实例 2 放射性废料的处理问题 3 Malthus模型与Logistic模型 4 赝品的鉴定 5 新产品的推广 6 为什么要用三级火箭来发射人造卫星 7 传染病模型 8 糖尿病的诊断 9 稳定性问题 微分方程的建立 一. 运用已知物理定律 二. 利用平衡与增长式 三. 微元法 四.分析法 §3.6 糖尿病的诊断 infective recovered susceptible k l (3.18) l 称为传染病恢复系数 求解过程如下: 对(3)式求导,由(1)、(2)得: 解得: 记: 则: 将人群划分为三类(见右图):易感染者、已感染者和已恢复者(recovered)。分别记t时刻的三类人数为s(t)、i(t)和r(t),则可建立下面的三房室模型: 模型3 infective recovered susceptible k l 由(1)式可得: 从而解得: 积分得: (3.19) 不难验证,当t→+∞时,r(t)趋向于一个常数,从而可以解释医生们发现的现象。 为揭示产生上述现象的原因(3.18)中的第(1)式改写成: 其中 通常是一个与疾病种类有关的 较大的常数。 下面对 进行讨论,请参见右图 如果 ,则有 ,此疾病在该地区根本流行不起来。 如果 ,则开始时 ,i(t)单增。但在i(t)增加的同时, 伴随地有s(t)单减。当s(t)减少到小于等于 时, i(t)开始减小,直至此疾病在该地区消失。 鉴于在本模型中的作用, 被医生们称为此疾病在该地区的阀值。 的引入解释了为什么此疾病没有波及到该地区的所有人。 图3-14 综上所述,模型3指出了传染病的以下特征: (1)当人群中有人得了某种传染病时,此疾病并不一定流传,仅当易受感染的人数与超过阀值时,疾病才会流传起来。 (2)疾病并非因缺少易感染者而停止传播,相反,是因为缺少传播者才停止传播的,否则将导致所有人得病。 (3)种群不可能因为某种传染病而绝灭。 模型检验: 医疗机构一般依据r(t)来统计疾病的波及人数 ,从广义上理解,r(t)为t时刻已就医而被隔离的人数,是康复还是死亡对模型并无影响。 及: 注意到: 可得: (3.20) 通常情况下,传染病波及的人数占总人数的百分比不会太大,故 一般是小量。利用泰勒公式展开取前三项,有: 代入(3.20)得近似方程: 积分得: 其中: 这里双曲正切函数 : 而: 对r(t)求导 : (3.21) 曲线 在医学上被称为疾病传染曲线。 图3-14(a)给出了(3.21)式曲线的图形,可用医疗单位每天实际登录数进行比较拟合得最优曲线。 图3-14(a) 图3-14(b)记录了1905年下半年至1906年上半年印度孟买瘟疫大流行期间每周死亡人数,不难看出两者有较好的一致性。 糖尿病是一种新陈代谢疾病,它是由胰岛素缺乏引起的新陈代谢紊乱造成的。糖尿病的诊断是通过葡萄糖容量测试(GTT)来检查的,较严重的糖尿病医生不难发现,较为困难的是轻微糖尿病的诊断。轻微糖尿病诊断时的主要困难在于医生们对葡萄糖容许剂量的标准看法不一。例如,美国罗得岛的一位内科医生看了一份GTT测试的报告后认为病人患有糖尿病,而另一位医生则认为此人测试结果应属正常。为进一步诊断,这份检测报告被送到波士顿,当地专家看了报告后则认为此人患有垂体肿瘤。 二十世纪60年代中期,北爱尔兰马由医院的医生Rosevear和Molnar以及美国明尼苏达大学的Ackeman和Gatewood博士研究了血糖循环系统,建立了一个简单的数学模型,为轻微糖尿病的诊断提供了较为可靠的依据。 模型假设 根据生物、医学等原理,作如下假设: (1)葡萄糖是所有细胞和组织的能量来源,在新陈代谢 中起着十分重要的作用。每个人都有自己最适当的 血糖浓度,当体内的血糖浓度过渡偏离这一浓度 时,将导致疾病甚至死亡。 (2)血糖浓度是处于一个自我调节系统之中的,它受到 生理激素和其他代谢物的影响和控制,这些代谢物 包括胰岛素、高血糖素、肾上腺素、糖皮质激素、 生长激素、甲状腺素等,统称为内分泌激素。 (3)内分泌激素中对血糖起主要影响的是胰岛素,葡萄 糖只有在胰岛素的作用下才能在细胞内进行大量的 生化反应,降低血糖浓度。此外,高血糖素能将体 内过量的糖转化为糖元储存于肝脏中,从而降低血 糖的浓度。 模型用一、两个参数来区分正常人与轻微病人(测量若干次),根据上述假设,建模时将研究对象集中于两个浓度:葡萄糖浓度和激素浓度。 以G表
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