In the wake of the 2020 COVID-19 epidemic, much work has been performed on the development of mathematical models for the simulation of the epidemic, and of disease models generally. Most works follow the susceptible-infected-removed (SIR) compartmental framework, modeling the epidemic with a system of ordinary differential equations. Alternative formulations using a partial differential equation (PDE) to incorporate both spatial and temporal resolution have also been introduced, with their numerical results showing potentially powerful descriptive and predictive capacity. In the present work, we introduce a new variation to such models by using delay differential equations (DDEs). The dynamics of many infectious diseases, including COVID-19, exhibit delays due to incubation periods and related phenomena. Accordingly, DDE models allow for a natural representation of the problem dynamics, in addition to offering advantages in terms of computational time and modeling, as they eliminate the need for additional, difficult-to-estimate, compartments (such as exposed individuals) to incorporate time delays. Here, we introduce a DDE epidemic model in both an ordinary- and partial differential equation framework. We present a series of mathematical results assessing the stability of the formulation. We then perform several numerical experiments, validating both the mathematical results and establishing model's ability to reproduce measured data on realistic problems.


翻译:在2020年COVID-19流行病之后,在模拟该流行病的数学模型和一般疾病模型的开发方面做了大量工作;大多数工作都遵循了易感感染变异(SIR)的分包框架,以普通差异方程系统为该流行病的模型;还采用了使用部分差异方程(PDE)的替代配方,以纳入空间和时间分辨率,其数字结果显示了潜在的强大的描述和预测能力;在目前的工作中,我们通过使用延迟差分方程(DDEs)对这些模型进行新的变异;许多传染病的动态,包括COVID-19,由于孕育期和相关现象而出现延误;因此,DDE模型允许自然代表问题动态,除了在计算时间和建模方面提供优势外,还消除了对额外、难以估计、包厢(例如暴露的个人)纳入时间延迟的需要;在目前的工作中,我们采用DDE流行病模型,在一种普通和部分差异方程方程框架(DDEs)中都采用了新的变异方方方程模型。我们提出了一系列数学结果系列,评估了孕育期和相关现象的数学能力,以建立数字数据的可靠模型。

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