我们提出一个具有校正隔离率的易感者-感染者-隔离者模型, 该模型用常微分方程描述如下
其中, $S(t)$ 为易感者在 $t$ 时刻的密度, $I(t)$ 为没有接受隔离的感染者的密度, $Q(t)$ 为 $t$ 时刻已接受隔离的隔离者的密度.参数 $A, d_1, d_2, d_3$ 为正数, 且 $\delta, \rho, \gamma$ , $\alpha_i$ 是非负常数.常数 $A$ 是易感者的出生及移民的输入率; $\beta$ 是易感者与感染者(即, 与非隔离者)之间的平均接触率; $d_{1}$ 为易感者的自然死亡率; $d_{2}$ 为感染者由疾病引起的死亡率; $d_{3}$ 为隔离者由疾病诱发的死亡率; $\delta$ 是被隔离的感染者的比率; $\gamma$ 和 $\rho$ 分别是经过治疗、隔离后, 感染者与隔离者重新回到易感者的比率; $\frac{\beta SI}{1+\alpha_{1}S+\alpha_{2}I}$ 刻画了不含隔离者, 且依赖易感者和感染者的校正隔离率(见图 1).
为了研究流行病, Kermack与McKendrick从简单的SIR模型开始, 于1927年首次提出了双线性传染率[1].借鉴Kermack与McKendrick的双线性传染率 $\beta SI$ , 改进后的转移率更接近种群自身的实际情况, 且其有利于描述该种群的动力学性质[1-15].当 $\alpha_{1}=\alpha_{2}=0$ 时, 模型(1.1)的校正隔离率 $\frac{\beta SI}{1+\alpha_{1}S+\alpha_{2}I}$ 退化为双线性传染率 $\beta SI$ , 相关的流行病最新研究结果见文献[7-9]及其引文.当 $\alpha_{1}=0$ 时, 模型(1.1)的校正隔离率转化为饱和传染率 $\frac{\beta SI}{1+\alpha I}$ (见文献[10-12]).具有一般传染率(即, 非线性传染率)的模型 $\frac{\beta SI}{\varphi(I)}$ , 其相关结果请参考[13-15]及其引文.
对于一般的随机流行病模型, 例如:易感者-感染者-隔离者模型, 其疾病的持久性与绝灭性等更多细节见文献[2].最近, 蒋达清等[7]提出了DI SIR模型, 通过对双线性传染率 $\beta $ 进行随机干扰, 利用构造的合适的Lyapunov函数, 他们分别考查了无病平衡点及地方并平衡点附近解的渐近行为.进而, 刘红等[12]在随机DI SIR流行病模型中引入饱和传染率 $\frac{\beta_j S I_j}{1+\alpha_j I_j}$ , 他们的结果表明:若干扰较大, 感染者指数衰减到零, 而易感者弱收敛到平稳分布, 且不依赖于 $R_0$ .若干扰较小且 $R_0\leq1$ , 则有相同的指数稳定性及弱收敛发生.若干扰较小且 $R_0>1$ , 通过构造一系列Lyapunov函数, 则得到解的遍历性及正常返性.同时, 对于一类具有接种的随机SIS模型, 赵亚男等[8]发现, 该模型的感染者指数减少到零, 且存在一个均值意义下的持久解.类似地, 林玉国等[9]考查了SIR模型, 并得到种群的密度收敛到一个不变密度, 或者收敛到一个类似的测度, 更多的细节请见引文.
学者May[4]曾指出:当考虑到环境的噪音时, 模型的参数将会展现出随机扰动.现在, 我们对确定的易感者-感染者-隔离者模型中的参数引入随机干扰
其中 $B_{i}(t)\ (i=1, 2, 3, 4)$ 为相互独立的一维布朗运动, $\sigma_{i}\ (i=1, 2, 3, 4)$ 表示白噪声的强度.于是, 我们得到一个具有校正隔离率的随机易感者-感染者-隔离者模型
我们将在第二节证明随机模型(1.3)解的存在唯一性.在第三节讨论解沿无病平衡点绝灭的充分性条件, 并证明当时间 $t$ 充分大时, 感染者的密度指数衰减这一结论.结合Lyapunov函数、伊藤公式及数值模拟, 正解的平稳分布及正态分布将在第四节探讨.
由于模型(1.2)的系数满足局部Lipschitz条件, 不满足线性增长条件, 本节我们将利用文献[5]中的研究方法, 证明模型(1.2)存在唯一的全局正解.
定理2.1 对任意初值 $(S(0), I(0), Q(0))\in {\cal R}_{+}^{3}$ 及 $t\geq0$ , 模型 $(1.2)$ 存在唯一一个解 $(S(t), I(t), Q(t))$ , 且该解以概率1位于区域 ${\cal R}_{+}^{3}$ 内.
证 反证法.若结论不成立, 假设模型(1.2)在区间 $[0, \tau_{e})$ 上, 存在一个局部解 $(S(t), I(t), $ $ Q(t))$ , 其中 $\tau_{e}$ 为爆破时间, $(S(0), I(0), Q(0))\in {\cal R}_{+}^{3}$ 为任意的初值.为了证明模型(1.2)的解是全局正解, 我们需要证明 $\tau_{e}=\infty$ 几乎处处成立.定义停时
贯穿全文, 令 $\inf\emptyset=\infty$ .下面, 我们将证明 $\tau_{+}=\infty$ 几乎处处成立.若不成立, 即 $\tau_{+}<\infty$ , 于是, 存在时间 $T$ 及任意小的正数 $\varepsilon$ 使得 $\mathit{\boldsymbol{P}}\{\tau_{+}<T\}>\varepsilon$ .定义一个 $C^{2}$ -函数
根据伊藤公式, 得到
其中
(2.1)式两侧由 $0$ 到 $t$ 积分, 于是
根据 $V(S(t), I(t), Q(t))$ 的定义, 我们注意到
于是, (2.2)式两端令 $t \to\tau_{+}$ , 得到
这与假设矛盾.于是, $\tau_{+}=\infty$ .证毕.
显然, $E_{0}=(\frac{A}{d_{1}}, 0, 0)$ 为模型(1.2)的解, 称为无病平衡点.本节我们将研究 $E_0$ 附近解的渐近性质, 即, 定理3.1-3.2将给出模型(1.2)的解在无病平衡点附近, 疾病消失、感染者密度趋于零的充分性条件.
定理3.1 对任意初值 $(S(0), I(0), Q(0))\in {\cal R}_{+}^{3}$ , 令 $(S(t), I(t), Q(t))$ 为模型 $(1.2)$ 的解, 若白噪声的强度满足
则该解有如下性质
证 令 $u=S-\frac{A}{d_{1}}$ , $v=I$ , $w=Q$ , 则模型(1.2)改写为
定义由 ${\cal R}_+^3$ 映射到 ${\cal R}_+^3$ 的三个 $C^{2}$ -函数
根据高维伊藤公式, 有
构造
则有
(3.2)式的两端由0到 $t$ 积分并取期望, 得到
选择正常数 $\xi=\min\{\xi_{1}, \xi_{2}, \xi_{3}\}$ , 因此, 不等式
成立.证毕.
定理3.2 若充分接触率 $\beta$ 满足如下性质
则感染者的密度将几乎处处指数趋于零, 即
证 利用伊藤公式, 我们得到
(3.4)式两侧由 $0$ 到 $t$ 积分, 得到
其中局部鞅为
其二次变分为
我们选择 $\delta=2, \nu_{k}=\nu>0$ 和 $\tau_{k}=k$ (见文献[5, 定理7.4]), 对几乎所有的 $\omega\in\Omega$ , 存在一个随机整数 $k_{0}(\omega)$ 使得对 $k>k_{0}(w)$ 及 $t\in[0, k]$ , 我们有
另外, 由基本不等式 $(a+b)^2\leq2a^2+2b^2$ , 有
对 $k-1\leq t\leq k$ , 由表达式( $3.5$ )和( $3.6$ ), 得到
令 $t\rightarrow\infty$ , 根据文献[5, 引理2.6]知,
当 $\nu$ 趋于0时, 定理结论成立.证毕.
例3.3 考虑模型
根据Milstein高阶方法[6], 我们选择初值 $(S(0), I(0), Q(0))=(2.4, 2.4, 1.2)$ , 定理3.1-3.2的条件均满足, 且无病平衡点为 $(\frac{A}{d_1}, 0, 0)=(1, 0, 0)$ , 模型(1.2)的解的绝灭性如图 2-3所示.
对于易感者-感染者-隔离者模型(1.2), 其地方病平衡点为 $E^{\ast}=(S^{\ast}, I^{\ast}, Q^{\ast})$ , 对应的分量分别为
在适当的充分条件下, 本节将讨论模型(1.2)解的平稳分布的存在性, 及该解的遍历性(见定理4.1).若地方病平衡点 $E^{\ast}$ 是稳定的, 则进一步研究解的正态分布(见定理4.2).
定理4.1 若白噪声的强度满足
且
则模型 $(1.2)$ 存在一个平稳分布, 且该解是遍历的, 其中
证 地方病平衡点 $(S^{\ast}, I^{\ast}, Q^{\ast})$ 满足等式
定义由 ${\cal R}_{+}^{3}$ 映射到 ${\cal R}_{+}$ 的 $C^{2}$ -函数
根据高维伊藤公式, 得到
于是, 由表达式(4.2)-(4.5), 得到
选择
使得
由文献[15, 引理3.1.2], 结合定理4.1的条件, 椭球
位于区域 ${\cal R}_{+}^{3}$ 内, 且
成立, 其中 $U$ 为椭球的某邻域, $\bar{U}\subseteq {\cal R}_{+}^{3}$ , $c$ 是一个正常数且 $(S, I, Q)\in {\cal R}_{+}^{3}\setminus U$ .
模型(1.2)在地方病平衡点 $(S^{\ast}, I^{\ast}, Q^{\ast})$ 的扩散矩阵为
于是
对固定的常数 $M=\min\{\sigma_{1}^{2}S^{\ast2}, \sigma_{2}^{2}I^{\ast2}, \sigma_{3}^{2}Q^{\ast2}\}>0$ 及任意的 $U\subset{\cal R}_{+}^{3}$ , $\lambda\in{\cal R}_{+}^{3}$ .证毕.
定理4.2 对任意初值 $(S(0)$ , $I(0)$ , $Q(0))\in {\cal R}_{+}^{3}$ , 若地方病平衡点 $(S^{\ast}, I^{\ast}, Q^{\ast})$ 是稳定的, 则模型 $(1.2)$ 的解渐近服从一个三维正态分布, 其均值为 $(S^{\ast}, I^{\ast}, Q^{\ast})$ , 方差为
其中 $\mu'(X^{\ast})$ 和 $\sigma'(X^{\ast})$ 见(4.7)和(4.8)式在 $X^{\ast}$ 点的值.
证 令 $X(t)=(S(t), I(t), Q(t))^{\mbox{ T}}$ 和 $\mbox{d}B(t)=(\mbox{d}B_1(t), \mbox{d}B_2(t), \mbox{d}B_3(t), \mbox{d}B_4(t))^{\mbox{ T}}$ , 模型(1.2)可改写为
令 $u(t)=X(t)-X^{\ast}$ , 沿地方病平衡点 $X^{\ast}$ 作泰勒展开, (4.7)式成为
由于 $X^{\ast}$ 是稳定的, $\mu(X^{\ast})=0$ , $\mu'(X^{\ast})<0$ .当 $X$ 沿着 $X^{\ast}$ 扰动, 且白噪声的强度 $\sigma_{i}$ $(i=1, 2, 3, 4)$ 充分小时, $\sigma'(X^{\ast})\mbox{diag}(u)$ 可以忽略不计.因此, (4.8)式的估计式
为一个三维的O-U过程(细节见文献[3]的第6章和第11章), 方程(4.9)的解 $u(t)$ 服从正态分布 ${\cal N}(0, C_{u}(0))$ , 其中 $C_{u}(0)$ 为方差矩阵.根据自协方差 $C_{u, u}(\tau)$ 的如下性质
方程(4.9)的两端同时取自协方差运算, 得到
其中 $C'_{u, u}(\tau)$ 和 $C''_{u, u}(\tau)$ 分别表示自协方差关于 $\tau$ 的一阶、二阶导数; $\delta$ 是一个Dirac-Delta函数, $I$ 是三阶单位阵, $\sigma(X^{\ast})\sigma^{\mbox{ T}}(X^{\ast})$ 是扩散矩阵.
方程(4.10)的两端取傅里叶变换, 向量 $u$ 的谱密度矩阵 $S_{u}(w)$ 满足方程
由于 $\mu'(X^{\ast})\pm {\rm i}wI$ 是可逆矩阵, 则有
经过傅里叶逆变换, 令 $\tau=0$ , 我们有
事实上, $C_{X^{\ast}}(0)=0$ 推出 $C_{(S, I, Q)}(0)=C_{u}(0)$ .定理的结论成立.证毕.
例4.3 考虑模型
在模型(4.11)中取初值 $(S(0), I(0), Q(0))=(1, 0.02, 0.03)$ , 易于验证定理4.1的条件成立, 于是, 地方病平衡点为 $(S^{\ast}, I^{\ast}, Q^{\ast})=(16.7, 318, 13.8)$ . 图 4说明正解在地方病平衡点 $E^{\ast}$ 附近存在一个平稳分布; 图 5-7分别显示了易感者、感染者、隔离者的频率直方图.而且, 在一些充分的条件下, 我们得到了模型解的正态分布.
本文中, 我们研究了一类具有饱和传染率的随机流行病模型, 通过构建 $C^2$ -函数及应用伊藤公式, 得到了模型(1.2)存在唯一全局解这一结论.同时, 研究表明:当白噪声的强度 $\sigma_i$ $ (i=1, 2, 3, 4)$ 充分大的时候, 疾病在模型(1.2)的无病平衡点 $E_0$ 附近趋于绝灭, 且感染者的密度将指数趋于零(见图 2-3).当白噪声的强度 $\sigma_i$ 足够小的时候, 模型(1.2)的正解沿地方病平衡点 $E^{\ast}$ 服从唯一的平稳分布, 相关的模拟图如图 4-7所示.若模型(1.2)的地方病平衡点 $E^{\ast}$ 是稳定的, 在一定的充分条件下, 模型(1.2)的解将渐近服从一个三维正态分布, 且得到了均值与方差的表达式.数值模拟的结果支持了定理的主要结论, 并对模型给出了较好的解释, 即, 在长期动力学行为中, 图 2-3意味着疾病将沿无病平衡点 $E_0$ 附近绝灭, 图 4-7展示了疾病将沿地方病平衡点附近传播.