We consider the emergent behavior of viral spread when agents in a large population interact with each other over a contact network. When the number of agents is large and the contact network is a complete graph, it is well known that the population behavior -- that is, the fraction of susceptible, infected and recovered agents -- converges to the solution of an ordinary differential equation (ODE) known as the classical SIR model as the population size approaches infinity. In contrast, we study interactions over contact networks with generic topologies and derive conditions under which the population behavior concentrates around either the classic SIR model or other deterministic models. Specifically, we show that when most vertex degrees in the contact network are sufficiently large, the population behavior concentrates around an ODE known as the network SIR model. We then study the short and intermediate-term evolution of the network SIR model and show that if the contact network has an expander-type property or the initial set of infections is well-mixed in the population, the network SIR model reduces to the classical SIR model. To complement these results, we illustrate through simulations that the two models can yield drastically different predictions, hence use of the classical SIR model can be misleading in certain cases.


翻译:我们认为,当大量人口的代理人在联系网络上相互交流时,即出现病毒传播的突发行为。当代理人数量庞大,联系网络是一个完整的图表时,众所周知,人口行为 -- -- 即易感染、受感染和被回收的代理人的分数 -- -- 集中到被称为典型SIR模型的普通差异方程式(ODE)的解决方案中,称为典型SIR模型,即人口规模接近无限。相比之下,我们研究在接触网络上与一般地层的相互作用,并得出人口行为集中在经典SIR模型或其他确定性模型周围的条件。具体地说,我们通过模拟表明,在接触网络中,两种模式可以产生截然不同的SIR模型预测,因此,可以使用SIR模型的某些典型案例。

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