常微分方程在数学建模中的应用之传染病模型常微分方程在数学建模中的应用之传染病模型

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摘 要:本文介绍了患有传染病的病人随机走动,在流行病传播中的影响,并且讨论了不可治愈的传染病和可治愈的传染病两种情况,为控制流行病区域性暴发提供理论依据。

关键词:数学建模; 微分方程; 传染病模型;治愈

1 引言

数学建模( Mathmatical Modeling) 是通过数学方法解决实际问题的重要途径。随着计算机技术的发展和各种软件的开发,数学建模在各个领域中的重要性更加明显。根据运用的数学方法不同,有微分方程模型,概率模型,统计回归模型等。微分方程经过三百多年的发展,在其求解方法和理论分析方面都得到突飞猛进,使得微分方程的应用更加普遍。对于生活中变化速度、加速度以及所处位置随时间的发展规律的许多复杂的实际问题,微分方程模型是一种极有效的数学手段。

2 常微分方程在传染病模型中的应用

微分方程建模是数学建模的重要方法,因为许多实际问题的数学描述将导致求解微分方程的定解问题。常见的列微分方程的方法有按规律直接列方程,微元分析法与任意区域上取积分的方法,模拟近似法。在实际的微分方程建模过程中,也往往是上述方法的综合应用。无论应用哪种方法,通常要根据实际情况,做出一定的假设与简化,并要把模型的理论或计算结果与实际情况进行对照验证,以修改模型使之更准确地描述实际问题进而达到预测预报的目的。

2.1不可治愈的传染病模型

近年来,虽然卫生设施得到了改善、医疗水平也提高了,但是一些新的、不断变异着的传染病毒却悄悄向人类袭来。1982年十分险恶的艾滋病毒爆发, 至今仍在蔓延; 2005年禽流感病毒爆发, 给人民的生命财产造成极大的危害;2018年的猪瘟的爆发,再次威胁人民生命财产安全。长久以来, 人们致力于建立传染病的数学模型来描述传染病的传播过程, 分析受感染人数变化规律, 探索制止传染病蔓延的手段等。

2.1.1模型的建立

假設条件为

(2)每个病人每天有效接触的平均人数是常熟α,α称为日接触率。当病人和健康者有效接触时,使健康者受感染而变成病人。

为了修正上述的结果必须重新考虑模型的假设,下面我们讨论病人可以治愈的情况。

2.2 可治愈的传染病模型

模型中,人们的卫生水平越高,日接触率α越小;医疗水平越高,日治愈率μ越大,于是σ越小,所以提高卫生水平和医疗水平有助于控制传染病的蔓延。

因此,该传染病模型描述了传播的过程,分析感染人数的变化规律,预测传染病高潮到来时刻并探索制止蔓延的手段。

参考文献:

[1]王高雄.常微分方程[M].北京: 高等教育出版社, 1998.

[2]姜启源,谢金星,叶俊.数学建模[M].北京: 高等教育出版社, 2003.

[3]东北师大微分方程教研室.常微分方程[M].北京:高等教育出版社,2005.

[4]高瑜、高艺、王伟. 常微分方程在数学建模中的应用之战争模型[J].知识文库,2019,09(17):84-86

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