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埃博拉病毒的根除数学建模论文

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出任意时刻所需要的药物总量。在满足各需求地需求量的前提下,本文再利用线性规划模型得到最优调运方案,即时间优化模型。

模型三在模型一、二、的基础上,分析其他可以消灭埃博拉病毒的决定性因素。首先,本文使用最优隔离控制法,把易感染者、染病者、治愈者、隔离者以及总人口数作为初始值代入目标函数,则会存在一个最优控制因素,再将其对应的状态解代入协态方程,得到最优控制因素,即隔离的确切最优解。然后,本文分别考虑了气候、运输工具、地形三个因素对埃博拉病毒传播的影响,并得出了相应的结果。

三、基本假设与符号说明

2.1基本假设

(1)埃博拉病毒能够被生物传播,并且当易感者接触患者时,他们被传染; (2)我们知道的埃博拉病毒有5种,假定每一种埃博拉病毒的传播能力是相同的;

(3)每一个人被治愈的可能性是相同的,并且有相同的免疫力;

(4)被治愈的人不会再次被传染,当患者被治愈后,他们将对于埃博拉病毒有免疫力;

(5)埃博拉病毒的传播遵循所建立的模型一; (6)当实施药物治疗的时候,不计损失; (7)药物的运输对药物的需求有影响;

(8)每位感染者的用药量均为一剂量,虽然目前已经研制出应对埃博拉病毒的疫苗或药物,但是不同感染程度的患者所需实际的药剂量数据不易获得; (9)疫苗与药物的生产地,开始培育的时间以及生产速度均相同,且培养药物和疫苗的周期均为?t,但两者的作用对象不同,疫苗作用于健康人群,而药物作用于感染者;

(10)各地生产药物的速度相同,每批生产的药量满足前三个国家的需求量; (11)运输问题中各个产地的产量相同,用来运送药物的飞机类型相同,且保持相同速度行进;

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(12)收集到的数据都是真实可靠的; 2.2 符号说明

I:患者的数量比例;

S:健康人的数量比例;

R:康复者和死亡者的数量比例;

?:死亡率;

?:感染率;

?:康复率(被隔离的病人治愈率);

N:药物运达需求地点时的感染者人数; ?t:培育一批药物或疫苗的时间;

cij:从Ai到Bj运输药物的成本;

xij:从Ai到Bj的运量; W:环境中的总人口数; J:被隔离患者人数;

u:对染病者实施隔离控制的比例;

?:出生率=死亡率;

?:未被隔离染病者死亡率;

s:易感者人数;

i:染病者人数;

r:病愈者人数;

q:不易感病者输入比率;

?:没有被隔离治疗者治愈率。

四、模型一的建立及求解

4.1 模型一的建立

埃博拉病毒的传播速度非常快,如果想要克服这个难题,并且使用有效的医疗方法根除埃博拉病毒,必须寻找一种科学且有效的方法来掌握埃博拉病毒的传

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播规律。所以,我们建立了SIR模型来解决这个问题。

根据符号定义,能够得到等式:

I?t??S?t??R?t??1 ⑴

设每个发病者平均每天有效接触的易感者数为?S?t?,NI?t?个发病者平均每天能使?S?t?NI?t?个易感者成为病毒潜伏者。所以有:

dS?t????S?t?I?t? ⑵ dt单位时间内康复者和死亡者的变化等于发病人群的减少,即

dR?t???????I?t? ⑶ dt发病人群的变化等于易感人群转入的数量,即

dI?t???S?t?I?t???????I?t? ⑷ dt记初始时刻的健康者和患者的比例分别为S0、R0(不妨设R0?0)。根据SIR模型的准则,得到下列方程组:

?dI?dt??S(t)I(t)??????I?t???dS???S(t)I(t) ? ⑸

dt??I?0??I0?S0?S0???结合⑴式和⑸式,得到

S?t??S0e?R?t??? ⑹

通过微积分,结合⑵式、⑹式和⑺式,求解方程组,得到

I?S???S0?I0??S??SIn ⑺ ?S0⑺式阐述了健康人和患者随时间变化的数量关系。 4.2 模型一的求解

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根据以上分析,得到了分析患者和健康人比例趋势的方法,接下来,求解模型如下:

4.2.1没有药物治疗时确诊病例及死亡人数的变化趋势

除了预防措施,没有药物治疗。换句话说,健康人的数量比例是很小的,从网站http://.who.int/en/收集得到几内亚的有关数据,数据从2014年11月到2015年5月,每半个月统计一次,。用Excel做线性拟合,得到下图:

图1:确证病例的数量趋势

图2:死亡人数趋势

图1表明确诊病例数量在没有药物治疗的情况下急剧增长,因此,我们得出

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