人口总数变化的比例进入潜伏或染病群体的年龄结构传染病模型及稳定性
Stability of Age-Structured with Proportion of Infected Groups or Enter the Latent Epidemiological Model with Varying Population Size
收稿日期: 2017-06-9
基金资助: |
|
Received: 2017-06-9
Fund supported: |
|
作者简介 About authors
王改霞,E-mail:
刘纪轩,E-mail:
由于受到年龄或体质的影响,导致有些易感者被感染后进入潜伏期,有些直接变成患者,因而需要对比例进入潜伏或染病群体的传染病模型进行研究,但是这类数学模型很少考虑到年龄的影响,该文对人口总数变化的比例进入潜伏或染病群体的年龄结构传染病模型进行研究,得出了与人口增长指数有关的阈值参数的表达式,并根据此参数讨论了无病平衡态和地方病平衡态的存在性及局部渐近稳定性,这些条件对于控制疾病的传播具有重要的理论及实际意义.
关键词:
Due to the influence of age or physical fitness, resulting in a number of susceptible to infection into the latent, some directly into patients, study of epidemic model so it is necessary to enter a latent or infected population proportion, but this kind of model is rarely taken into account the influence of age, study on the age structure of the infectious disease model of this change on the proportion of the total population in infected groups or latent, the expressions of the threshold parameters related to the population growth index are obtained, the existence and the local asymptotic stability conditions of the disease-free equilibrium and endemic equilibrium are discussed, then, the use of these conditions to control the spread of disease has important theoretical and practical significance.
Keywords:
本文引用格式
王改霞, 刘纪轩, 李学志.
Wang Gaixia, Liu Jixuan, Li Xuezhi.
1 引言
利用数学模型研究传染病传播规律已有几十年的历史,模型及方法也多种多样.而年龄对某些传染病传播的影响不可忽略,因为不同年龄的人对同一种传染病的感染能力及传播能力不同,因而研究年龄结构传染病模型具有重要的实际意义.
已经有一些数学家注意到这类问题并进行了研究,如在文献[10]中Iannelli和Martcheva建立了非线性发展方程的齐次动力系统理论,且研究了总人口规模变化的年龄结构SIR模型.李学志等在文献[11]中运用这一理论研究了总人口规模变化的年龄结构SEIR模型,可以利用其中的条件对一些病程较长、传染过程又可分为潜伏期和染病期两个阶段的传染病(如肝炎、艾滋病等)进行控制.对于不同年龄阶段的人,由于受到年龄或体质的影响,导致有些易感者被感染后进入潜伏期,另外一些直接变成患者,因此对这种SEIR模型进行改进,引入比例进入潜伏或染病群体这一因素进行研究更加符合艾滋病的实际情况,具有重要的理论及实际意义.
2 模型
把总人口分为易感类、潜伏类、染病类、康复类,分别用
其中
其中
可见人口总数随时间而变化,令感染力函数[10]为
其中
把系统(2.1)中的四个方程相加得标准的Lotka-McKendrick人口动力学模型
因系统(2.1)除第四个方程外,其余都不含
及条件
假设所有的参数都非负,且
令
3 无病平衡态及地方病平衡态的存在条件
令
在
则得到此范数
在
则得在此范数
令锥
令线性算子
故算子
令非线性算子
且
因
令
若系统(2.6)存在持续解:
与
显然系统(3.3)解的存在性和系统(3.2)的持续解的存在性等价.而系统(3.3)最后一个方程与其余方程相独立,其非零解为
则
的唯一实根,因解必须在超平面上,故
则
解(3.3)式其余方程得:
(1)无病平衡态(
(2)地方病平衡态(
将
由(3.8)式得地方病平衡态存在的充要条件是方程(3.9)有一正解
于是若
定理3.1 (1)若
(2)若
4 平衡态处线性化算子的谱分析
令系统(2.6)在无病平衡态
的非平凡解.也即
其边界条件为
记方程(3.6)的实解为
(1)若
(2)若
显然若
则此方程的解为
而算子
定理4.1
(1)若
(2)若
下面在
及边界条件(4.3)的非平凡解.对于以下两种情形:
(1)若
(2)若
将
其中
为求
事实上,条件(4.10)可变形为
由(4.10)式第一个不等式得
则
于是(4.9)式第一个中括号内非负.同理由(4.10)式第二个不等式得到(4.9)式第二个中括号内非负.因而若(4.10)式两个条件同时成立,那么
这里用到(3.9)式,则(4.8)式有唯一的实解
显然算子
定理4.2 算子
5 无病平衡态和地方病平衡态的局部稳定性
探讨无病平衡态及地方病平衡态的局部稳定性.定理4.1和定理4.2得出算子
由文献[11]中的(2.12)及(2.14)式,得
与
这里
及条件
记
则[11]
这里
及
这里
由Gronwall引理, (5.1)式转化为
由Gronwall不等式得
其中
故若
这里
再证若
若
同样可估算第二、第三、第四个分量,由Fre
定理5.1 (1)若
(2)若
参考文献
Disease with chronic stage in a population with varying size
,DOI:10.1016/S0025-5564(02)00184-0
Existence and uniqueness of endemic states for the age-structured SIR epidemic model
,
Global stability of an age-structure model for TB and its application to optimal vaccination strategies
,
Global stability of an age-structure SIRS epidemic model with vaccination
,
Threshold and stability results for an age-structured SEIR epidemic model
,DOI:10.1016/S0898-1221(01)00206-1
Stability of an age-structured epidemiological model for hepatitis C
,
An age-structured two-strain epidemic model with super-infection
,
/
〈 | 〉 |