常见的传染病模型简介
传染病的基本数学模型错误!未找到引用源。
,是人们基于传染病特征,构建的一种数学模型,用于研究传染病的传播速度、空间范围、传播途径等问题,从而对传染病做出有效地预防和控制。
依据每个人的状态,一般可以将流行病范围内的总人口分为以下四类:
(1)易感者(Susceptible),记为S类人群,是指在一定时间内没有被传染的人,与携带病毒者接触后容易受到感染的人群;
(2)暴露者(Exposed),记为E类人群,是指接触过感染者,处在患病的潜伏阶段,对潜伏期长的传染病适用;
(3)感染者(Infectious),记为I类人群,是指已经感染上传染病的人,可以传播给易感者,并且将其变为康复者或者感染者的人群;
(4)康复者(Recovered),记为R类人群,是指感染病已经从感染者体中移除出去,还有被治愈后具有免疫力的人群,如果免疫期有限,康复者会重新变成易感者。
表1模型符号说明
符号符号说明
总人口
感染率(潜伏者转化为感染者概率)
平均潜伏期
康复率
平均治愈天数
传染人数
β传染率
初始感染者
初始潜伏者
初始康复者
每个病人接触人数
每个病人接触人数初始人数
恢复率
潜伏者的传染概率
潜伏者每天接触的易感者人数假设总人口数为,在疫情期间,虽然有政府的大力防控,但还是会有出门的情况,
所以假设每个人出门接触的人是个,与每个接触者成功传播病毒的概率为,就会产生新的感染者,并疾病期间的人口出生率和人口死亡率暂不考虑。
SI模型
SI模型是指传染病传染后不可治愈,易感者感染生病,例如艾滋病。
图示如下:
图 1 SI仓室图
将人群分为S类和I类,总人数等于S类人数与I类人数之和,那么新增感染病例与减少的健康易感人数可以建立以下方程:
整理原方程化为伯努利方程形式:
可以解出:
SIS模型
SIS模型是指传染病传染后,被治愈成功后,会恢复成易感者,依然具有被传染的可能性,例如流感病毒。
如下图:
图 2 SIS仓室图
建立以下微分方程:
化简,得:
可以解出:
SIR及SIRS模型
SIR模型是指急性传染病传染后,病人康复就会拥有抗体并获得永久免疫,例如天花、麻疹。
图示如下:
图 3 SIR仓室图
建立以下方程:
SIRS模型是指传染病传染后,病人康复后获得的免疫并不能长期维持,会变成易感者,依然会有被传染的风险。
图示如下:
图 4 SIRS仓室图
建立方程如下:
SEIR模型
SEIR模型所研究的传染病人在一开始会经历潜伏期,与病人接触后不会马上患病,一段之间之后才会出现症状,而会变成病原体的携带者,被传染者被治愈后,会产生抗体,不会二次传染,例如新型冠状肺炎、SARS肺炎等。
图示如下:
图 5 SEIR仓室图
建立方程如下:
我们也可以从中看出,实际上是对SIR模型的的基础上进行的修改。