lesson8动态微分方程模型

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1、微微 分分 方方 程程 模模 型型动态微分方程模型一、传染病模型：四个模型二、战争模型问题提出 本世纪初，瘟疫常在世界上某地流行，随着人类文明的不断进步，很多疾病，诸如天花、霍乱已经得到有效的控制然而，即使在今天，一些贫穷的发展中国家，仍出现传染病流行的现象，医疗卫生部门的官员与专家所关注的问题是：（1）感染上疾病的人数与哪些因素有关（2）如何预报传染病高潮的到来问题分析 不同类型传染病的传播过程有不同的特点。故不从医学的角度对各种传染病的传播过程一一进行分析，而是按一般的传播机理建立模型 由于传染病在传播的过程涉及因素较多，在分析问题的过程中，不可能通过一次假设建立完善的数学模型 思路是：先

2、做出最简单的假设，对得出的结果进行分析，针对结果中的不合理之处，逐步修改假设，最终得出较好的模型。模型一模型假设：（1）一人得病后，久治不愈，人在传染 期内不会死亡。（2）单位时间内每个病人传染人数为常 数k。为什么假设不会死亡？为什么假设不会死亡？（因为死亡后便不会再传播疾病，因而可认为此时已退出系统）模型建立：I（t）表示t时刻病人的数量，时间：天则：I（t+t）I（t）k0I（t）t于是模型如下：00)0()(IItIkdtdI模型的解：tkeItI00)(举个实例最初只有1个病人，1个病人一天可传染1个人模型的缺点问题：随着时间的推移，病人的数目将无限增加，这一点与实际情况不符原因：当

3、不考虑传染病期间的出生、死亡和迁移 时，一个地区的总人数可视为常数。因此 k0应为时间t的函数。在传染病流行初期，k0较大，随着病人的增多，健康人数减少，被传染的机会也减少，于是k0将变小。模型修改的关键：k0的变化规律模型二设t时刻健康人数为S(t)模型假设：（1）总人数为n，I(t)十S(t)n（2）一人得病后，久治不愈，且在传染期内不 会死亡。（3）一个病人在单位时间内传染的人数与当时 健康的人数成正比，比例系数为k（称之为 传染系数）模型改进0)0()(.)(IItItkSdtdI方程的解：knteInntI11)(0对模型作进一步分析传染病人数与时间t关系传染病人数的变化率与时间t的

4、关系 染病人数由开始到高峰并逐渐达到稳定 增长速度由低增至最高后降落下来疾病的传染高峰期022dtId此时计算高峰期得：knInt)1ln(00意义：1、当传染系数k或n增大时，t0随之减少，表示传 染高峰随着传染系数与总人数的增加而更快 的来临，这与实际情况比较符合。2、令=kn，表示每个病人每天有效接触的平均 人数，称日接触率。t0与 成反比。表示该 地区的卫生水平，越小卫生水平越高。故 改善卫生水平可推迟传染病高潮的来临。模型的缺点缺点：当t时，I(t)n，这表示所有的人最 终都将成为病人，这一点与实际情况不 符合原因：这是由假设1)所导致，没有考虑病人可 以治愈及病人病发身亡的情况。思

5、考题：考虑有病人病发身亡的情况，再对模型 进行修改。模型三 有些传染病（如痢疾)愈后免疫力很低，还有可能再次被传染而成为病人。模型假设：（1）健康者和病人在总人数中所占的比例分别为s(t)、i(t)，则：s(t)+i(t)1（2）一个病人在单位时间内传染的人数与当时健康人数成 正比，比例系数为k（3）病人每天治愈的人数与病人总数成正比，比例系数为 (称日治愈率)，病人治愈后成为仍可被感染的健康者，称1/为传染病的平均传染期(如病人数保持10人，每 天治愈2人，1/5，则每位病人平均生病时间为 1/5天)。模型的建立假设2、3得：0)0()()()(iitNititkNsNdtdi将假设1代入，

6、可得模型：0)0()1(iiiikidtdi模型的解：kiktkkkkkietitk1010)()1()1()(阈值=k/的意义 一个病人在平均传染期内传染的人数与当时健康的人数成正比，比例系数为10111)(limtii模型的意义（t,i(t)）图（1）当1时，指传染期内被传染的人数不超过当时健康的 人数。病人在总人数中所占的比例i(t)越来越小，最终 趋于零。（2）当 l时，i(t)最终以1-1/为极限；（3）当增大时，i()也增大，是因为随着传染期内被传染 人数占当时健康人数的比例的增加，当时的病人数所占 比例也随之上升模型四 某些传染病如麻疹等，治愈后均有很强的免疫力，所以病愈的人既非

7、健康人，也非病人。模型假设：（1）人群分为健康者、病人、病愈免疫者三类，这三类人在总人数中所占的比例分别为s(t)，i(t)，r(t)，则有s(t)+i(t)+r(t)1。（2）单位时间内，一个病人传染的人数与当时 健康者人数成正比，比例系数为k（3）在单位时间内，病愈免疫的人数与当时病 人人数成正比，比例系数为模型的建立00)0()0(ssiiksidtdsiksidtdii(t)与s(t)无解释解。从相轨线定性分析相轨线相轨线（s，i）000ln1)(sssisi图中箭头表示了随着时间t的增加s(t)和i(t)的变化趋向相轨线分析结果1、不论初始条件s0、i0如何病人终将消失。2、最终未被

8、感染的健康者的比例是s，图中 可看出是在(0，1/)内的单根。3、若s0 1/，则i(t)先增加，当s1/时，i(t)达到 最大。4、若s0 1/，则i(t)单调减小至零阈值1/的意义1、减小传染期接触数，即提高阈值l/，使得 s0 1/(即 1/s0)，传染病就不会蔓延。2、医疗水平3、交换数的意义4、的估计ssss00lnln模型验证印度孟买的一个例子)2(22202tchsdtdr 图中，实际数据用圆点表示可以看出，理论曲线与实际数据吻合得相当不错。动态微分方程模型一、传染病模型：四个模型二、战争模型1、问题来源2、Lanchester的工作缺陷：3、一般战争x(t)与 y(t)表示t时

9、刻甲乙双方交战人数一、假设：二、模型4、战争类型讨论（1）正规战争（2）游击战争（3）混合战争（1）正规战争模型分析甲方战斗减员率f(x,y)：模型简化（3）原模型：简化后模型求解认为：兵力先减至零的一方为负方。解分析乙方取胜的条件平方率模型条件：（2）游击战争模型模型方程的解乙方获胜的条件（3）混合战争甲方为游击队，乙方为正规部队相轨线乙方获胜的条件结果分析则乙获胜的条件：模型应用越战思考：如何分析美国-伊拉克现代战争的结局？5、模型的另一个应用（1）基本模型建立（2）增援率u(t)（3）每天的实际兵力A(t)（4）计算（21）式的a（5）计算兵力A(t)与实际兵力的比较思考题1 设某城市共有n+1人，其中一人出于某种目的编造了一个谣言。该城市具有初中以上文化程度的人占总人数的一半，这些人只有1/4相信这一谣言，而其他人约有1/3会相信。又设凡相信此谣言的人每人在单位时间内传播的平均人数正比于当时尚未听说此谣言的人数，而不相信此谣言的人不传播谣言。试建立一个反映谣传情况的微分方程模型。思考题2 本世纪初，在伦敦曾观察到一种现象，大约每两年发生次麻疹传染病。生物数学家HE索珀试图解释这种现象，他认为易受传染者的人数因人口中新添新的成员而不断得到补充。试建立数学模型。