Ordinary differential equations (ODE) are a popular tool to model the spread of infectious diseases, yet they implicitly assume an exponential distribution to describe the flow from one infection state to another. However, scientific experience yields more plausible distributions where the likelihood of disease progression or recovery changes accordingly with the duration spent in a particular state of the disease. Furthermore, transmission dynamics depend heavily on the infectiousness of individuals. The corresponding nonlinear variation with the time individuals have already spent in an infectious state requires more realistic models. The previously mentioned items are particularly crucial when modeling dynamics at change points such as the implementation of nonpharmaceutical interventions. In order to capture these aspects and to enhance the accuracy of simulations, integro-differential equations (IDE) can be used. In this paper, we propose a generalized model based on integro-differential equations with eight infection states. The model allows for variable stay time distributions and generalizes the concept of ODE-based models as well as IDE-based age-of-infection models. In this, we include particular infection states for severe and critical cases to allow for surveillance of the clinical sector, avoiding bottlenecks and overloads in critical epidemic situations. We will extend a recently introduced nonstandard numerical scheme to solve a simpler IDE-based model. This scheme is adapted to our more advanced model and we prove important mathematical and biological properties for the numerical solution. Furthermore, we validate our approach numerically by demonstrating the convergence rate. Eventually, we also show that our novel model is intrinsically capable of better assessing disease dynamics upon the introduction of nonpharmaceutical interventions.


翻译:常微分方程(ODE)是模拟传染病传播的常用工具,但其隐含假设了描述从一种感染状态流向另一种状态的指数分布。然而,科学经验表明,更合理的分布是疾病进展或康复的可能性随个体在特定疾病状态中持续时间的改变而相应变化。此外,传播动力学在很大程度上取决于个体的传染性。个体在感染状态下已停留时间对应的非线性变化需要更现实的模型。前述因素在模拟诸如实施非药物干预措施等转折点处的动力学时尤为关键。为捕捉这些方面并提高模拟精度,可采用积分微分方程(IDE)。本文提出了一种基于积分微分方程的八状态广义感染模型。该模型允许可变的停留时间分布,并推广了基于ODE的模型以及基于IDE的感染年龄模型的概念。在此框架中,我们特别设置了重症和危重症感染状态,以便监测临床部门,避免在严重疫情情况下出现瓶颈和过载。我们将扩展最近提出的一种用于求解更简单IDE模型的非标准数值格式。该格式适用于我们更先进的模型,我们证明了数值解的重要数学和生物学性质。此外,我们通过展示收敛速率对方法进行了数值验证。最终,我们还证明我们的新模型本质上能更好地评估引入非药物干预措施后的疾病动态。

0
下载
关闭预览

相关内容

ACM/IEEE第23届模型驱动工程语言和系统国际会议,是模型驱动软件和系统工程的首要会议系列,由ACM-SIGSOFT和IEEE-TCSE支持组织。自1998年以来,模型涵盖了建模的各个方面,从语言和方法到工具和应用程序。模特的参加者来自不同的背景,包括研究人员、学者、工程师和工业专业人士。MODELS 2019是一个论坛,参与者可以围绕建模和模型驱动的软件和系统交流前沿研究成果和创新实践经验。今年的版本将为建模社区提供进一步推进建模基础的机会,并在网络物理系统、嵌入式系统、社会技术系统、云计算、大数据、机器学习、安全、开源等新兴领域提出建模的创新应用以及可持续性。 官网链接:http://www.modelsconference.org/
牛津大学最新《计算代数拓扑》笔记书,107页pdf
专知会员服务
44+阅读 · 2022年2月17日
【ACL2020】多模态信息抽取,365页ppt
专知会员服务
151+阅读 · 2020年7月6日
强化学习最新教程,17页pdf
专知会员服务
182+阅读 · 2019年10月11日
【SIGGRAPH2019】TensorFlow 2.0深度学习计算机图形学应用
专知会员服务
41+阅读 · 2019年10月9日
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
概率图模型体系:HMM、MEMM、CRF
机器学习研究会
30+阅读 · 2018年2月10日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
基于LDA的主题模型实践(三)
机器学习深度学习实战原创交流
23+阅读 · 2015年10月12日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2014年12月31日
Arxiv
0+阅读 · 2024年10月7日
VIP会员
最新内容
2025年大语言模型进展报告
专知会员服务
1+阅读 · 今天13:30
多智能体协作机制
专知会员服务
1+阅读 · 今天13:26
非对称优势:美海军开发低成本反无人机技术
专知会员服务
4+阅读 · 今天4:39
《美战争部小企业创新研究(SBIR)计划》
专知会员服务
6+阅读 · 今天2:48
《军事模拟:将军事条令与目标融入AI智能体》
专知会员服务
9+阅读 · 今天2:43
【NTU博士论文】3D人体动作生成
专知会员服务
7+阅读 · 4月24日
以色列军事技术对美国军力发展的持续性赋能
专知会员服务
8+阅读 · 4月24日
《深度强化学习在兵棋推演中的应用》40页报告
专知会员服务
14+阅读 · 4月24日
《多域作战面临复杂现实》
专知会员服务
10+阅读 · 4月24日
《印度的多域作战:条令与能力发展》报告
专知会员服务
5+阅读 · 4月24日
相关资讯
RL解决'BipedalWalkerHardcore-v2' (SOTA)
CreateAMind
31+阅读 · 2019年7月17日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
disentangled-representation-papers
CreateAMind
26+阅读 · 2018年9月12日
概率图模型体系:HMM、MEMM、CRF
机器学习研究会
30+阅读 · 2018年2月10日
可解释的CNN
CreateAMind
18+阅读 · 2017年10月5日
基于LDA的主题模型实践(三)
机器学习深度学习实战原创交流
23+阅读 · 2015年10月12日
相关基金
国家自然科学基金
2+阅读 · 2017年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
1+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员