微积分方法建模12传染病模型--数学建模案例分析

第五章微分方程模型如果象的某特性是随（或空）化的，那么分析它的化律，它的未来性，通常要建立此象的模型，就是微分方程模型.§1传染病模型建立染病的数学模型来描述染病的播程，分析受感染人数的化律，染病高潮的到来等，一直是各国有关家和官关注的.考某地区的染病的染情况，地区人口数N ，既不考生死，也不考迁移，以天量位.一. SI模型假条件：1.人群分易感染者 ( Susceptible ) 和已感染者 ( Infective ) 两人，称健康人和病人，在刻t 两人在人数中所占比例分作s t 和 i t .2. 每个病人每天有效接触的平均人数是( 常数 ) ，称日接触率，当病人与健康人有效接触，使健康者受感染病人.建立描述 i t化的数学模型 .解：s t i t1s t N i t N N由假 2 知，每个病人每天可使s t 个健康者病人，又由于病人数N i t ，每天共有s t N i t个健康人被感染 .于是N si 就是病人数 N i的增加率，即有N di N si ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)dtdi1.si 而s i又记初始时刻 ( t0 ) 病人的比例为 i 0 ，则dii 1idti 0 i 0这就是 Logistic模型，其解为i t1 111 e ti 0［结果分析］作出 i t ~ t 和di~ i 的图形如下：dtdi idtdi 1 dt m2t mt1i21. 当 i1 时， di取到最大值 di ，此时刻为2 dtdtmt m1ln 11i 02. 当 t时， i 1即所有人终将被传染，全变为病人（这是不实际的）.二 . SIS 模 型在前面假设 1、2 之下，再考虑病人可以医治，并且有些传染病如伤风、痢疾等愈后免疫力很低，可以假定无免疫性，于是病人被治愈后变成健康者，健康者还可以被感染再变成病人，此模型称SIS 模型 .假设 1、 2 同 SI 模型，增加假设:3. 病人每天被治愈的人数占病人总数的比例为，称为日治愈率. 病人治愈后成为易感染者（健康人）. 显然1是这种传染病的平均传染期.解：在假设1、2、 3 之下，模型（ 1）修正为N diN iNsidtdiii 1 i于是dti 0i0解得1i 0 i t11e－1t,t,i 0［结果分析］1. 令.＝注意到和 1的含义，可知是一个传染期内每个病人有效接触的平均人数，称为接触数 .111i1i i11i 01111 i00t0t当1，病人比例i t越来越小，最于零.1，i t的增减性取决于i0的大小，其极限 i 1当1.3. SI 模型是 SIS 模型中0 的情形.三 . SIR模型大多数染病如天花、流感、肝炎、麻疹等治愈后均有很的免疫力，所以病愈的人既非健康者, 也非病人 , 他已退出染系，此模型的假1. 人群分健康者、病人和病愈免疫的移出者三，称SIR 模型 . 三人在人数N 中占的比例分作s i 、 i t和 r t .1. 病人的日接解率，日治愈率（与 SIS模型相同），染期接触数＝.解：由假1，有s t i t r t1ds di dr0 dt dt dt由假2，得N drN idisi N i N dtNdtdridt又 s 0s0 , i 0i0 , r 00 disi idt于是disi idtdssi⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(2) dti 0i0 , s 0s0我在相平面上来解的性.精选文库相的定域D s, i s0, i0,s i 1由 (2) 式消去dt，得di11ds s里i s s0i 0解得 i s0i 0- s 1 ln s⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(3)s0在定域 D 内，(3)式表示的曲即相.。

传染病模型摘要当今社会，人们开始意识到通过定量地研究传染病的传播规律，建立传染病的传播模型，可以为预测和控制传染病提供可靠、足够的信息。

本文利用微分方程稳定性理论对传统传染病动力学建模方式进行综述，且针对甲流，SARS等新生传染病模型进行建模和分析。

不同类型的传染病的传播过程有其各自不同的特点，我们不是从医学的角度一一分析各种传染病的传播，而是从一般的传播机理分析建立各种模型，如简单模型，SI模型，SIS模型，SIR模型等。

本文中，我们应用传染病动力学模型来描述疾病发展变化的过程和传播规律，运用联立微分方程组体现疫情发展过程中各类人的内在因果联系，并在此基础上建立方程求解算法。

然后，通过借助Matlab程序拟合出与实际较为符合的曲线并进行了疫情预测，评估各种控制措施的效果，从而不断完善文中的模型。

本文由简到难、全面地评价了该模型的合理性与实用性，而后对模型和数据也做了较为扼要的分析，进一步改进了模型的不妥之处。

同时，在对问题进行较为全面评价的基础上又引入更为全面合理的假设，运用双线性函数模型对卫生部的措施进行了评价并给出建议，做好模型的完善与优化工作。

关键词：传染病模型,简单模型，SI，SIS,SIR，微分方程，Matlab。

一、问题重述有一种传染病（如SARS、甲型H1N1）正在流行，现在希望建立适当的数学模型，利用已经掌握的一些数据资料对该传染病进行有效地研究，以期对其传播蔓延进行必要的控制，减少人民生命财产的损失。

考虑如下的几个问题，建立适当的数学模型，并进行一定的比较分析和评价展望。

1、不考虑环境的限制，设单位时间内感染人数的增长率是常数，建立模型求t 时刻的感染人数。

2、假设单位时间内感染人数的增长率是感染人数的线性函数，最大感染时的增长率为零。

建立模型求t时刻的感染人数。

3、假设总人口可分为传染病患者和易感染者，易感染者因与患病者接触而得病，而患病者会因治愈而减少且对该传染病具有很强的免疫功能，建立模型分析t 时刻患病者与易感染者的关系，并对传染情况（如流行趋势，是否最终消灭）进行预测。

传染病的传播摘要：本文先根据材料提供的数据建立了指数模型，并且全面地评价了该模型的合理性与实用性。

而后对模型与数据做了较为扼要地分析了指数模型的不妥之处。

并在对问题进行较为全面评价的基础上引入更为全面合理的假设和建立系统分析模型。

运用联立微分方程组体现疫情发展过程中各类人的内在因果联系，并在此基础上建立方程求解算法结合MATLAB 编程(程序在附件二)拟合出与实际较为符合的曲线并进行了疫情预测。

同时运用双线性函数模型对卫生部的措施进行了评价并给出建议以及指出建立一个真正能够预测以及能为预防和控制提供可靠、足够的信息的模型，这样做的困难本文的最后，通过本次建模过程中的切身体会，说明建立如SARS 预测模型之类的传染病预测模型的重要意义。

关键词：微分方程 SARS 数学模型 感染率1问题的重述SARS （Severe Acute Respiratory Syndrome ，严重急性呼吸道综合症, 俗称：非典型肺炎）是21世纪第一个在世界范围内传播的传染病。

SARS 的爆发和蔓延给我国的经济发展和人民生活带来了很大影响，我们从中得到了许多重要的经验和教训，认识到定量地研究传染病的传播规律、为预测和控制传染病蔓延创造条件的重要性。

请你们对SARS 的传播建立数学模型，具体要求如下：1)建立传染病传播的指数模型，评价其合理性和实用性。

2)建立你们自己的模型，说明为什么优于指数模型；特别要说明怎样才能建立一个真正能够预测以及能为预防和控制提供可靠、足够的信息的模型，这样做的困难在哪里？对于卫生部门所采取的措施做出评论，如：提前或延后5天采取严格的隔离措施，对疫情传播所造成的影响做出估计。

附件1提供的数据供参考。

3)说明建立传染病数学模型的重要性。

2 定义与符号说明N …………………………………表示为SARS 病人的总数；K （感染率）……………………表示为平均每天每人的传染他人的人数；L …………………………………表示为每个病人可能传染他人的天数；dt dN(t)………………………… 表示为每天（单位时间）发病人数；N(t)-N(t-L)………………………表示可传染他人的病人的总数减去失去传染能力的病人数；t …………………………………表示时间；R 2………………………………表示拟合的均方差； 3 建立传染病传播的指数模型3.1模型假设1) 该疫情有很强的传播性，病人（带菌者）通过接触（空气，食物，……）将病菌传播给健康者。

传生病模型医学科学的发展已经可以有效地预防和控制好多传生病，但是依旧有一些传生病暴发或流行，危害人们的健康和生命。

社会、经济、文化、风俗习惯等因素都会影响传生病的流传，而最直接的因素是：传染者的数量及其在人群中的分布、被传染者的数量、流传形式、流传能力、免疫能力等。

一般把传生病流行范围内的人群分成三类： S 类，易感者 (Susceptible) ，指未患病者，但缺乏免疫能力，与感染者接触后简单碰到感染； I 类，感病者 (Infective) ，指染上传生病的人，它可以流传给 S 类成员； R 类，移出者 (Removal) ，指被隔断或因病愈而拥有免疫力的人。

问题提出请建立传生病模型，并解析被传染的人数与哪些因素有关？如何预告传生病高潮的到来?为什么同一地区一种传生病每次流行时，被传染的人数大体不变？要点字 : 传生病模型、建模、流行病大纲：随着卫生设施的改进、医疗水平的提高以及人类文明的不断发展，诸如霍乱、天花等从前残酷全球的传染性疾病已经获取有效的控制。

但是一些新的、不断变异着的传生病毒却静静向人类袭来。

20 世纪 80 年代十分险恶的爱滋病毒开始残酷全球，到此刻带来极大的危害。

还有近来的 SARS病毒和禽流感病毒，都对人类的生产生活造成了重要的损失。

长远以来，建立制止传生病延长的手段等，素来是各国有关专家和官员关注的课题。

不同样种类传生病的流传过程有其各自不同样的特点，弄清这些特点需要相当多的病理知识，这里不可以能从医学的角度一一解析各种传生病的流传，而可是依照一般的流传模型机理建立几种模型。

模型 1在这个最简单的模型中，设时辰 t 的病人人数 x(t) 是连续、可微函数，方程（ 1）的解为结果表示，随着t 的增加，病人人数x(t) 无量增加，这显然是不吻合实质的。

建模失败的原因在于：在病人有效接触的人群中，有健康人也有病人，而其中只有健康人才可以被传染为病人，因此在改进的模型中必定差异健康人和病人这两种人。

数学建模传染病模型例题（最新版）目录一、引言二、数学建模传染病模型的基本概念1.SEIR 模型2.SIS 模型3.SIR 模型三、数学建模传染病模型的例题1.模型假设2.模型建立3.模型求解四、结论正文一、引言随着全球化的发展，传染病的传播越来越引起人们的关注。

为了更好地预测和控制传染病的传播，数学建模传染病模型被广泛应用。

本文将以数学建模传染病模型为例，介绍相关的模型概念和例题。

二、数学建模传染病模型的基本概念（1）SEIR 模型SEIR 模型是传染病数学模型中最基本的模型之一，它将人群分为四类：易感者 (Susceptibles)、暴露者 (Exposed)、感染者 (Infectives) 和抵抗者 (Resistances)。

该模型假设人群数量不变，感染者会以一定的速率传染给易感者，同时易感者会以一定的速率转变为暴露者，暴露者在一定时间后转为感染者，感染者又会在一定时间后转为抵抗者。

（2）SIS 模型SIS 模型是 SEIR 模型的一种特殊形式，它将人群分为易感者(Susceptibles)、感染者 (Infectives) 和恢复者 (Recovered) 三类。

该模型假设易感者与感染者的接触会导致疾病传播，感染者会在一定时间后恢复为易感者，恢复者则具有免疫力。

（3）SIR 模型SIR 模型是另一种常见的传染病数学模型，它将人群分为易感者(Susceptibles)、感染者 (Infectives) 和恢复者 (Recovered) 三类。

与 SIS 模型不同的是，SIR 模型假设感染者会以一定的速率恢复为易感者，而恢复者则具有免疫力。

SIR 模型适用于短期传染病，例如流感。

三、数学建模传染病模型的例题假设某个地区有 10000 人，其中易感者占 80%，感染率为 0.01，恢复率为 0.9。

我们需要建立一个数学模型来预测疾病传播的过程。

（1）模型假设我们假设疾病传播满足 SEIR 模型，人群分为易感者、暴露者、感染者和恢复者四类。

数学建模中的传染病模型及其编程求解下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。

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微分方程模型案例分析-------传染病传播的数学模型张清华由于人体的疾病难以控制和变化莫测，因此医学中的数学模型较为复杂。

医学中的数学模型分为两大类：传染病传播的数学模型和疾病数学模型。

以下仅讨论传染病的传播问题。

人们将传染病的统计数据进行处理和分析，发现在某一民族或地区，某种传染病传播时，每次所涉及的人数大体上是一常数。

这一现象如何解释呢？关于这个问题，医学工作者试图从医学的不同角度进行解释都得不到令人满意的解释。

最后由于数学工作者的参与，在理论上对上述结论进行了严格的证明。

同时又由于传染病数学模型的建立，分析所得结果与实际过程比较吻合，这个现象才得到了比较满意的解释。

传染病传播所涉及的因素很多，如传染病人的多少，易受传染者的多少，传染率的大小，排除率的大小，人口的出生和死亡等。

如果还要考虑人员的迁入与迁出，潜伏期的长短以及预防疾病的传播等因素的影响，那么传染病的传播就变得非常复杂。

如果一开始就把所有的因素考虑在内，那么将陷入多如乱麻的头绪中不能自拔，倒不如舍去众多的次要因素，抓住主要因素，把问题简化，建立相应的数学模型。

将所得结果与实际比较，找出问题，修改原有假设，再建立一个与实际比较吻合的模型。

下面由简单到复杂将建模的思考过程作一个示范，读者可以从中得到很好的启发。

1 模型一假设(1)，每个病人在单位时间内传染的人数是常数K 0；假设(2)，一人得病后，经久不愈，并在传染期内不会死亡。

记i t ()表示t 时刻病人数，K 0表示每个病人单位时间内传染的人数，i i ()00=，即最初有i 0个传染病人。

则在∆t 时间内增加的病人数为i t t i t K i t t ()()()+-=∆∆0于是得微分方程⎪⎩⎪⎨⎧==00)0()()(i i t i K dt t di (1)， 其解为 i t i e k t ()=00结果表明：传染病的传播是按指数函数增加的。

这个结果与传染病传播初期比较吻合，传染病传播初期，传播快，被传染人数按指数函数增长。

数学建模传染病模型例题一、传染病模型简介传染病模型是数学建模的一个重要分支，主要用于描述传染病在人群中的传播规律。

通过构建合适的数学模型，可以研究传染病的传播动力学、预测疫情发展趋势以及评估防控措施的效果。

本文将重点介绍几种常见的传染病模型及其应用。

二、传染病模型的类型及应用1.SIR模型SIR模型是一种基于微分方程的传染病模型，其中S、I、R分别代表易感者（Susceptible）、感染者（Infected）和康复者（Recovered）。

该模型通过描述易感者感染、感染者康复以及康复者不再易感的动态过程，揭示了传染病在人群中的传播规律。

SIR模型在分析疫情爆发、研究防控措施等方面具有广泛应用。

2.SEIR模型SEIR模型是在SIR模型基础上发展的一种传染病模型，其中E代表潜伏者（Exposed）。

与SIR模型相比，SEIR模型增加了潜伏期这一概念，使得模型更加符合实际情况。

该模型可以用于研究传染病的传播速度、预测疫情发展趋势以及评估疫苗的效果。

3.SI模型SI模型是一种简化的传染病模型，仅包含易感者和感染者两个群体。

该模型适用于分析短期传染病，如流感等。

通过研究易感者与感染者的动态关系，可以预测疫情爆发的时间和规模。

三、传染病模型的参数估计与预测传染病模型的参数估计是数学建模的关键环节，通常采用最大似然估计、贝叶斯估计等方法。

此外，基于传染病模型的预测技术在疫情防控中也具有重要意义。

通过构建时间序列模型，如ARIMA、SVM等，可以预测未来一段时间内疫情的发展趋势。

四、数学建模在传染病防控中的实际应用数学建模在传染病防控中具有广泛应用，如疫情监测、防控措施评估、疫苗研究等。

通过对传染病模型的深入研究，可以为政府部门提供科学依据，协助制定针对性的防控策略。

五、案例分析本文将结合具体案例，如我国2003年非典疫情、2020年新冠肺炎疫情等，详细阐述传染病模型在实际应用中的重要作用。

通过分析案例，可以加深对传染病模型的理解，为今后疫情防控提供借鉴。

以下是一个简单的数学建模传染病模型的例题：
问题：假设有一个小岛上住着100个人，其中有1个是传染病源。

初始时，这个人不知道自己已经患病，所以没有采取隔离措施。

其他人也不知道有传染病源在岛上。

假设每天，每个健康的人都有可能接触并感染患病的人，感染的概率是p。

另外，健康的人每天也有1个单位的时间用于自我保护，减少被感染的风险。

假设在t天后，岛上有x个人被感染。

我们需要找出p和时间t的关系，以及如何通过调整p来控制传染病的传播。

假设：
1. 每个人每天只能接触一次患病的人。

2. 每个人每天有1个单位的时间用于自我保护。

3. 每个人接触患病的人后，有p的概率被感染。

4. 初始时，只有1个人是患病者。

5. 没有新的外来感染者进入岛上。

模型建立：
根据上述假设，我们可以建立如下的微分方程模型：
dx/dt = p * (100 - x) * (1/100) - x/100
其中，x表示被感染的人数，p表示感染概率，t表示时间。

求解模型：
通过求解这个微分方程模型，我们可以得到x与t的关系。

由于这个方程较为简单，我们可以直接求解它，找出x的解。

然后我们可以根据解的情况，讨论p对x的影响，从而找到控制传染病传播的方法。

通过上述模型和求解过程，我们可以了解传染病的传播情况以及如何通过调整感染概率p来控制其传播。

这个例题可以帮助我们理解数学建模在传染病控制中的应用，并为实际的传染病控制提供理论支持。

常微分方程数学建模案例分析常微分方程是运用微积分中的概念与理论研究变化率的方程。

它是数学建模中常用的方法之一，可用于描述各种实际问题，如经济增长、生物扩散、化学反应等。

本文将通过一个关于人群传染病的数学建模案例，分析常微分方程在实际问题中的应用。

假设地有一种传染病，病毒的传播速度与感染者的接触频率有关。

现在我们要研究传染病的传播速度以及控制措施对传染病传播的影响。

为此，我们可以建立如下的数学模型：设N(t)表示时间t时刻的总人口数，而I(t)表示感染者的人口数，S(t)表示易感者的人口数。

根据该模型，易感者的人数随时间的变化率可表示为：dS/dt = -βSI其中，β表示感染率，即感染者每接触到一个易感者，会使其发病的概率。

感染者的人数随时间的变化率可表示为：dI/dt = βSI - γI其中，γ表示恢复率，即感染者每天被治愈的人数。

总人口数随时间的变化率可以通过易感者和感染者的变化率求和得到：dN/dt = dS/dt + dI/dt通过对该方程进行求解，我们可以得到感染者和易感者的人数随时间变化的解析解。

进一步，我们可以通过调节β和γ来研究不同的传播速度和控制措施对传染病传播的影响。

例如，如果β较大，表示感染率较高，此时传染速度会加快，可能导致传染病扩散的速度加快。

反之，如果β较小，表示感染率较低，传染病传播的速度会减慢。

另外，如果γ较大，表示恢复率较高，此时感染者的人数会快速减少，传染病传播的速度会减慢。

相反，如果γ较小，传染病传播的速度会加快。

通过对这些参数的调节，我们可以研究不同的控制措施对传染病传播的影响。

例如，我们可以通过降低感染率β或增加恢复率γ来减缓传染病传播的速度，从而控制疫情的爆发。

在实际应用中，常微分方程数学建模方法可以用于预测传染病的传播趋势，评估各种干预措施的效果。

此外，还可以通过引入更多的变量和参数，建立更复杂的模型，以更好地解释实际问题。

总之，常微分方程是数学建模中常用的方法之一，可以用于描述各种实际问题，如传染病的传播、经济增长等。