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傳染病之擴散模型
翁秉仁 |
.作者任教於台大數學系 .本文節錄改寫自作者《微積分講義》 |
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底下我們要說明,在傳染病的傳播模式中也會出現 Logistic 模型。假設有一種傳染病,接觸便會感染,而且感染後便能免疫永不再犯,因此在時間 t,某城市的所有人口 M 中,可分成已感染人口 P(t) 與未感染人口 M-P(t),設
接著假設 η 是在此城市中,每人每天平均接觸的人數,則病人(感染者)每天的增加率為
每個病人平均每天接觸的健康者比率 × 總病人數 =
所以使用連續模型,就得到
這是一個 Logistic 模型。
寫成 I(t) 的好處是城市真正的人口數 M 消失了,比例的變化才是重要的,所以由前章的分析,我們知道解曲線 I(t)(當然 0<I(t)<1)是一個 S 型曲線,當
註:這說明在城市或人口密集處,由於 η 值較大,傳染病疫情的擴散程度遠快於鄉村,因此都市的公衛部門在控制疫情時,時間壓力更大。
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對外搜尋關鍵字: .Logistic模型 .平均值定理 |
當然不是所有的傳染病都能永久免疫,病人在治癒後,有可能再重新感染病情,這時我們需要修改模型為
其中 η 同前,σ 表示每日治癒的人數比率,因此 原式可以改寫成
這也是 Logistic 模型。唯一的例外是
這裡出現一個重要的指標:接觸數 β,定義成
而且
我們依 β 值分成三種情況來討論:
因此為了消滅疫情,重要的是要將 β 值調成 <1,但
這些都與常識完全符合。
另外,這一種癒後不會再感染的傳染病,如果在人類社會中已經歷史悠久,那麼它通常與人類之間已經達成某種平衡,這種疾病的特徵是它在長期流行的區域內既不會致命也不會絕跡(這就是
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預防注射
在前面例子中提到初始值 x0 = 0.1 時,我們覺得很荒謬。但是如果從另一個角度想,也許並不完全如此。如果我們真能將 x0 控制在
這正是預防接種的重要性,由於疫苗的注射,一個無抵抗力的健康人可以轉移成具免疫力的治癒者,在大規模的疫苗接種後,x0 可以真正變小,因此有效控制傳染疫情的策略,就是利用預防接種將 x0 減低到接觸數的倒數以下(即有效接觸數 <1)。
這個傳染病模型最有趣的結果,是為了不讓傳染病疫情擴散,預防接種並沒有必要做到全民接種的地步。這中間最關鍵的問題,是要知道該傳染病在此地醫療水準下的接觸數 η。例如小兒痲痺的接觸數通常較百日咳來得小,理論上就不比百日咳的接種壓力來得大(參考習題)。當然在國家財政允許下,嚴重傳染病的預防接種還是應以全民為目標,但當疫苗成本昂貴時,而且又是接觸數低的傳染病時,上述的考慮就會成立。當然,如同第一節的討論,接觸數並不是疾病的特定性質,與當地醫療環境也習習相關。提高衛生水準,增進有效之醫療法,都有助於縮減預防接種的規模。 我們已經了解傳染病接觸數的重要性,下面的習題討論如何實際掌握接觸數。
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| 最後修改日期:9/30/2001 |