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《扬州大学》 2017年
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空间异质环境中SIS传染病模型若干问题研究

葛静  
【摘要】:传染病一直伴随着人类社会的发展.历史上,传染病的不断爆发和传播给人类带来了巨大的灾难.尽管当今社会科学技术持续发展、医疗条件也得到了很大的改善,然而世界卫生组织(WHO)宣称传染病仍是人类健康的最大威胁.因此,人们有必要了解疾病的分布情况、时空传播规律并采取适当的控制策略.自1927年美国数学家Kermack和苏格兰医学家、流行病学家McKendrick构造了著名的SIR“仓室”模型以来,数学模型成为研究疾病传播规律、评估感染风险、优化控制策略的重要工具.早期,研究人员主要研究与空间无关的常微分系统,仅反应随时间推移的动力学特征.为了更加真实地描述现实,研究人员发现空间扩散是影响疾病传播的重要因素.为此许多学者建立了一系列偏微分方程模型分析传染病的动力学性态.近年来,随着研究的更加深入,研究人员逐渐意识到空间扩散和环境异质性在一些传染病传播过程中产生了重要影响,例如:流感、疟疾、西尼罗河病毒等.除此之外,周期性、对流、媒体报道和有限医疗资源配置等在传染病传播中的作用也引起了广泛关注.这篇博士论文主要围绕空间异质性、周期性、对流、非线性恢复率以及非线性发生率对于SIS传染病模型蔓延和消退的影响展开的.本文的主要研究工作组织如下.第一章介绍本文研究主题的一些背景知识和已经取得的最新进展.第二章主要研究异质环境中的一类具自由边界和对流项影响的传染病模型.首先利用抛物方程初边值问题的Lp理论、Zorn引理、压缩映像原理得到全局解的存在唯一性和正性性.接着给出反应扩散系统的基本再生数及其性质,引进自由边界问题风险指标R0F(t)的定义和讨论了其解析性质.借助于风险指标RF(t),通过构造精细上解、下解得到了疾病蔓延和消退的二择一定理,给出了蔓延和消退的判据.并且用半波方法得到了当疾病蔓延时受对流影响的渐近扩张速度.数值模拟给出了对流强度和扩张能力对于染病区域边沿的影响.这些结果与固定区域上传染病模型的动力学性质完全不同.第三章深入探讨了周期异质环境下具自由边界的传染病模型.首先引入基本再生数,并且给出了两种特殊情形下显式表达式.再借助谱半径的方法给出自由边界问题的风险指标R0F(τ),该指标与相应的周期抛物特征问题的主特征值密切相关.利用最大模原理、上下解方法、谱分析以及偏微分方程其它多种技巧证明了疾病蔓延和消退的充分条件.当疾病蔓延发生时,估计了受对流影响的左右不同的渐近扩张速度.最后利用数值模拟给出对流强度、扩散率和扩张能力对疾病传播机理的影响.第四章提出一个异质环境中具媒体报道影响的SIS传染病反应扩散模型.在该模型中,我们用媒体报道影响的因子体现疾病的非线性接触率.首先利用变分法给出异质环境中具媒体报道和扩散影响的基本再生数的定义及其解析性质.接着给出无病平衡点和染病平衡点的存在性,再利用上下解方法、单调迭代序列、经典的半群理论和强极值原理证明了当R0D1时,无病平衡点全局渐近稳定;而当R0D1时,证明了当ds=dI时染病平衡点的全局渐近稳定性.数值模拟表明如果增加媒体报道强度,疾病的感染风险会降低,从而传染病能够得以快速有效地控制.第五章考虑了空间异质环境中一类受有限医疗资源配置影响的具非线性恢复率的SIS传染病模型.探讨了环境异质性、有限医疗资源配置等对于疾病蔓延和消退的影响.首先利用变分方法给出与最大、最小恢复率有关的阈值R0*和R0*及其性质.借助于这两个阈值,以及上下解方法、单调迭代动力学、乘乘减积技巧等证明了无病平衡点和染病平衡点的存在性、唯一性和稳定性.数值模拟表明适当的病床数的配置对于疾病的控制是非常关键的.我们的理论结果对于公共卫生管理部门优化有限医疗资源的配置提供了理论依据.第六章中,我们总结了本文的主要工作,并且在此基础上对今后的研究工作作了进一步的规划.
【关键词】:传染病模型 反应扩散方程组 空间异质性 自由边界问题 对流 周期性 蔓延-消退 媒体报道 病床数 全局稳定性
【学位授予单位】:扬州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O175
【目录】:
  • 中文摘要3-5
  • Abstract5-10
  • 常用符号说明10-11
  • 第一章 绪论11-25
  • 1.1 选题背景及意义11-12
  • 1.2 国内外研究现状12-21
  • 1.3 本文研究的主要内容21-25
  • 第二章 异质环境中具对流的SIS传染病模型的扩张边沿25-57
  • 2.1 对流的引入和简化的SIS传染病模型25-29
  • 2.2 全局解的存在性和唯一性29-35
  • 2.3 基本再生数和风险指标35-40
  • 2.4 疾病消退40-44
  • 2.5 疾病蔓延和渐近扩张速度44-52
  • 2.6 数值模拟52-53
  • 2.7 本章小结53-57
  • 第三章 周期环境中具扩散的SIS传染病模型的区域风险57-85
  • 3.1 周期扩散-对流SIS模型的建立57-61
  • 3.2 解的存在唯一性和比较原理61-63
  • 3.3 基本再生数和风险指标63-71
  • 3.4 蔓延-消退“二择一”定理71-79
  • 3.5 数值模拟79-81
  • 3.6 本章小结81-85
  • 第四章 具媒体报道影响的SIS传染病模型的空间动力学性态85-101
  • 4.1 具媒体报道影响的SIS模型的建立85-87
  • 4.2 基本再生数及其性质87-90
  • 4.3 无病平衡点的稳定性90-92
  • 4.4 染病平衡点的存在性和稳定性92-97
  • 4.5 数值模拟97-98
  • 4.6 本章小结98-101
  • 第五章 具有限医疗资源配置的SIS传染病模型的空间动力学101-115
  • 5.1 具病床数影响的SIS模型的建立101-104
  • 5.2 基本再生数及其解析性质104-106
  • 5.3 解的长时间渐近性态和病床数的影响106-111
  • 5.4 数值模拟111-113
  • 5.5 本章小结113-115
  • 第六章 总结与展望115-119
  • 参考文献119-133
  • 致谢133-135
  • 读博期间发表文章目录135-136

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