具有隔离和不完全治疗的传染病模型的全局稳定性
Global Stability of an Epidemic Model with Quarantine and Incomplete Treatment
Received: 2020-06-11
Fund supported: |
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An epidemic model with quarantine and incomplete treatment is constructed. The model allows for the susceptibles to the unconscious and conscious susceptible compartment. We establish that the global dynamics are completely detremined by the basic reproduction number $R_{0}$. If $R_{0}≤1$, then the disease free equilibrium is globally asymptotically stable. If $R_{0}>1$, the endemic equilibrium is globally asymptotically stable. Some numerical simulations are also carried out to confirm the analytical results.
Keywords:
本文引用格式
丰利香, 王德芬.
Feng Lixiang, Wang Defen.
1 引言
2 模型介绍
表 1 模型的参数定义
参数 | 定义 |
出生率 | |
与潜伏者接触的传播概率 | |
与感染者接触的传播概率 | |
有意识的易感者接触率调节因子 | |
易感者由无意识转为有意识的速率 | |
潜伏者转为隔离者的转移率 | |
潜伏者转为感染者的转移率 | |
感染者被隔离的速率 | |
接受治疗的速率 | |
治疗失败的速率 | |
自然死亡率 | |
因病死亡率 |
图 1
根据模型的传播机制图得如下模型
3 正性和不变集
模型中考虑的种群是人类, 给出模型的正性和不变集是非常重要的. 现将系统(2.1) 改写成矩阵的形式
其中
容易得到
根据文献[18]中的引理2可知, 对于任意的
对于系统(2.1), 不难得到
因此
是系统(2.1) 的不变集. 我们将在不变集
4 平衡点分析
4.1 无病平衡点与基本再生数
令系统(2.1) 的右端等于零, 则可以得到系统唯一的无病平衡点
下面利用基本再生矩阵的方法(参见文献[19]), 计算系统(2.1) 的基本再生数.
令
其中
其中
则基本再生数为
其中
4.2 地方病平衡点的存在性
设
由方程(4.5) 的前两个式子可得
由方程(4.5) 的最后一个式子可得
把(4.7) 式代入方程(4.5) 的第四式, 有
由方程(4.5) 的第五个式子可得
把(4.9) 式代入(4.8) 式, 则有
因为
由(4.6) 和(4.10) 式可得
将(4.11) 式代入(4.12) 式中, 有
直接求导得
令
故
所以
则
又
且
由函数
定理4.1 对于系统(2.1), 总存在一个无病平衡点
5 平衡点的全局稳定性
5.1 无病平衡点的全局稳定性
定理5.1 对于系统(2.1), 当
证 无病平衡点
则系统(2.1) 可被改写为
定义Lyapunov函数
其中
其中
令
结合(5.2) 式, 函数
故当
5.2 地方病平衡点的全局稳定性
定理5.2 对于系统(2.1), 当
证 地方病平衡点
记
系统(2.1) 可被改写为
定义Lyapunov函数
在(5.10) 式中, 只有变量
从上式可以分别求出
因此可得
根据算术平均数与几何平均数之间的关系可知, 当
6 数值模拟
为了进一步解释说明前面得到的结论, 下面进行数值模拟. 选取的参数如下:
图 2
图 3
图 4
7 结论
本文建立了一类具有隔离和不完全治疗的传染病模型, 并研究了传染病的动力学行为. 通过再生矩阵的方法, 我们确定了模型的基本再生数
文中前面给出了基本再生数
图 5
参考文献
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