It is a fundamental question in disease modelling how the initial seeding of an epidemic, spreading over a network, determines its final outcome. Research in this topic has primarily concentrated on finding the seed configuration which infects the most individuals. Although these optimal configurations give insight into how the initial state affects the outcome of an epidemic, they are unlikely to occur in real life. In this paper we identify two important seeding scenarios, both motivated by historical data, that reveal a new complex phenomenon. In one scenario, the seeds are concentrated on the central nodes of a network, while in the second, they are spread uniformly in the population. Comparing the final size of the epidemic started from these two initial conditions through data-driven and synthetic simulations on real and modelled geometric metapopulation networks, we find evidence for a switchover phenomenon: When the basic reproduction number $R_0$ is close to its critical value, more individuals become infected in the first seeding scenario, but for larger values of $R_0$, the second scenario is more dangerous. We find that the switchover phenomenon is amplified by the geometric nature of the underlying network, and confirm our results via mathematically rigorous proofs, by mapping the network epidemic processes to bond percolation. Our results expand on the previous finding that in case of a single seed, the first scenario is always more dangerous, and further our understanding why the sizes of consecutive waves can differ even if their epidemic characters are similar.


翻译:在疾病建模中,这是一个根本性的问题,即流行病最初的种子在网络上传播如何决定其最终结果。这个专题的研究主要集中于寻找传染给大多数个人的种子配置。虽然这些最佳配置使人们深入了解最初状态如何影响流行病的结果,但在现实生活中不大可能发生。在本文中,我们确定了两种重要的种子假设,这两种假设都受历史数据驱动,揭示了新的复杂现象。在一种假设中,种子集中在网络的中心节点上,而在第二种假设中,种子在人口中分布一致。通过数据驱动和合成模拟真实和模拟的几何成形人口结构网络,比较该流行病从这两个初始条件开始的最终规模,我们发现一种变异现象:当基本复制值$R_0接近其关键价值时,更多的人在第一个播种假设中感染了更多的人,但更大的值是$R_0,第二个假设则更加危险。我们发现,这种变异现象由于基础网络的几何性质而扩大,通过数据驱动和合成合成的初始变异性网络,我们通过一个更精确的种子模型来确认我们的结果。

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