S-I 模型用于研究不同情景下传染病的传播。在本题中,假设在整个考虑期间,我们研究的是一个规模恒定为 的封闭社区中的均匀人群。人群被分为两组:一组是患有该疾病的已感染个体,另一组是健康且易感的个体,后者在与已感染个体进行某种形式的接触时会被感染。分别用 和 表示在时间 时的感染个体数量和健康且易感的个体数量,我们可以使用以下微分方程对这种情况进行建模
其中 是一个正常数。
- (i)
通过用 和 表示 ,证明方程 (I) 可以改写为关于 和 的一阶微分方程的形式。已知当 时 ,求解该微分方程,并证明其解可以表示为
其中 和 是用 和 \alpha$ 表示的常数。 - (ii)
该模型使用 2003 年新加坡 SARS 疫情的部分数据进行了测试,其中 ,, 的估计值为 ,时间以天为单位。
写出相应解曲线的方程,并画出与本情境相关的部分曲线。(你的草图应在坐标轴上进行适当的标注。)说明当 很大时 的变化情况。
它不会直接告诉你答案,而是问你卡在哪一步看看 AI 是怎么陪你一步步弄懂这道题的
完整解法
7(i)
1. Express $y$ in terms of $N$ and $x$, and rewrite the differential equation.
Since the population size is constant at , the total number of individuals is the sum of infected and healthy individuals:
Substituting this into equation (I):
2. Separate the variables to prepare for integration.
3. Use partial fractions to split the integrand.
Let
Comparing coefficients or substituting values for gives and .
4. Integrate both sides and combine logarithmic terms.
Note: Modulus signs are not strictly necessary as (the number of infected is positive and cannot exceed the total population).
5. Convert to exponential form to isolate the fraction.
where is an arbitrary constant.
6. Substitute the initial condition to find the constant $D$.
Given that when :
Substituting back into the equation:
7. Rearrange the equation to make $x$ the subject in the required format.
Taking the reciprocal on both sides:
8. State the values of constants $A$ and $B$.
Comparing with :
,
7(ii)
1. Determine the values of constants A, B, and the exponent coefficient from the given data.
From part (i), and .
Given and :
The coefficient for is (to 3 s.f.).
The equation of the solution curve is:
2. Identify key features to sketch the relevant part of the solution curve.
The context considers time .
At , . The curve starts at .
As , , so . There is a horizontal asymptote at .
Since models cumulative infections, it is strictly increasing.
The sketch will have a horizontal axis labeled and a vertical axis labeled . It will show a logistic 'S' shape in the first quadrant, starting at and flattening out as it approaches the dotted line .
3. State the long-term behavior of $x$ for large $t$.
As , the term tends to .
For large values of , approaches . (The entire population eventually becomes infected.)
Equation:
For large values of , approaches .
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