Mathematical models of infectious diseases exhibit robust dynamics such as stable endemic or a disease-free equilibrium, or convergence of the solutions to periodic epidemic waves. The present work shows that the accuracy of such dynamics can be significantly improved by incorporating both local and global dynamics of the infection in disease models. To demonstrate improved accuracies, we extended a standard Susceptible-Infected-Recovered (SIR) model by incorporating global dynamics of the COVID-19 pandemic. The extended SIR model assumes three possibilities for the susceptible individuals traveling outside of their community: They can return to the community without any exposure to the infection, they can be exposed and develop symptoms after returning to the community, or they can be tested positive during the trip and remain quarantined until fully recovered. To examine the predictive accuracies of the extended SIR model, we studied the prevalence of the COVID-19 infection in Kansas City, Missouri influenced by the COVID-19 global pandemic. Using a two-step model-fitting algorithm, the extended SIR model was parameterized using the Kansas City, Missouri COVID-19 data during March to October 2020. The extended SIR model significantly outperformed the standard SIR model and revealed oscillatory behaviors with an increasing trend of infected individuals. In conclusion, the analytics and predictive accuracies of disease models can be significantly improved by incorporating the global dynamics of the infection in the models.


翻译:传染病的数学模型显示出了稳健的动态,如地方病稳定或没有疾病的平衡,或定期流行病波的解决方案趋于一致。目前的工作表明,通过将地方和全球的感染动态纳入疾病模型,这种动态的准确性可以大大提高。为了显示更好的适应性,我们扩展了标准的可感知感染-复苏模式,纳入了COVID-19大流行病的全球动态。扩展的SIR模型为在社区外旅行的易受感染者设想了三种可能性:他们可以返回社区,而不会受到任何感染,他们可以在返回社区后暴露并发展出症状,或者他们可以在旅途中被测试为阳性,并在完全恢复之前保持隔离。为了检查扩展的SIR模型的预测性灵敏性,我们研究了堪萨斯市的COVID-19感染流行流行程度,密苏里受COVID-19全球大流行病影响。使用两步模式的算法,扩展的SIR模型可以使用堪萨斯市、密苏里COVID-19数据进行参数比较。2020年3月至10月,SIR预测性动态模型的扩展趋势大大超越了全球受感染情况。SIR预测性模式。在2020年3月将受感染性疾病的标准性模型中日益扩展。SIR模型显示的一种趋势。

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