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得到许可的 未经许可 需要身份验证 发布人:德古意特出版社 2022年3月9日

具有非线性发病率的随机年龄结构HIV/AIDS模型的数值逼近

  • 杰仁 , 怀民苑 张启敏 电子邮件徽标

摘要

本文提出了一个具有非线性发病率的随机年龄结构HIV/AIDS模型。由于大多数随机偏微分方程(SPDE)无法解析求解,因此开发有效的数值逼近方法来求解HIV/AIDS模型具有重要意义。从生物学意义的角度来看,HIV/AIDS模型的精确解必须是非负且有界的。然后基于投影算子构造了一种改进的显式Euler–Maruyama(EM)格式。EM格式既能保持数值解的非负性,又能使数值解不超出精确解的范围。分析了数值解与精确解之间的收敛结果,并给出了一些数值例子来验证我们的理论结果。

奖励标识/授予编号:12161068

奖励标识/授予编号:2020AAC03065年

奖励标识/授予编号:2021AAC03022年

资金报表:该研究部分得到了国家自然科学基金(编号:12161068)和宁夏自然科学基金会(CN)的支持(批准号:2020AAC03065和2021AAC03022)。

定理的证明3.2

证明

系统方程的求和(2.1),我们有

d日 t吨 ( S公司 + + A类 ) = { - [ S公司 ( t吨 , ) + ( t吨 , ) + A类 ( t吨 , ) ] - μ ( t吨 ) [ S公司 ( t吨 , ) + ( t吨 , ) + A类 ( t吨 , ) ] - μ 2 ( t吨 , ) A类 ( t吨 , ) } d日 t吨 - σ ( t吨 ) [ S公司 ( t吨 , ) + ( t吨 , ) + A类 ( t吨 , ) ] d日 B类 t吨 { - [ S公司 ( t吨 , ) + ( t吨 , ) + A类 ( t吨 , ) ] - μ ( t吨 ) [ S公司 ( t吨 , ) + ( t吨 , ) + A类 ( t吨 , ) ] } d日 t吨 - σ ( t吨 ) [ S公司 ( t吨 , ) + ( t吨 , ) + A类 ( t吨 , ) ] d日 B类 t吨 .

U型 ( t吨 , ) := S公司 ( t吨 , ) + ( t吨 , ) + A类 ( t吨 , ) .根据比较定理,系统的有界性问题(2.1)将其转化为以下带乘性噪声的线性年龄结构模型的相应问题:

(A.1) { d日 t吨 U型 = [ - U型 ( t吨 , ) - μ ( t吨 ) U型 ( t吨 , ) ] d日 t吨 - σ ( t吨 ) U型 ( t吨 , ) d日 B类 t吨 在里面 , U型 ( t吨 , 0 ) = 0 ¯ β ( t吨 ) U型 ( t吨 , ) d日 , t吨 [ 0 , T型 ] , U型 ( 0 , ) = U型 0 ( ) , [ 0 , ¯ ] ,

哪里 d日 t吨 U型 := U型 ( t吨 , ) t吨 d日 t吨 .通过沿特征线积分并利用常数变化公式,方程的显式解(A.1款)如下所示(参见[36])以下为:

(A.2) U型 ( t吨 , ) = { U型 0 ( - t吨 ) e(电子) 0 t吨 - μ ( ) d日 - 0 t吨 σ ( ) e(电子) t吨 - μ ( τ ) d日 τ U型 ( , + - t吨 ) d日 B类 , 0 t吨 , U型 ( t吨 - , 0 ) e(电子) 0 - μ ( + t吨 - ) d日 - t吨 - t吨 σ ( + - t吨 ) e(电子) t吨 - μ ( τ ) d日 τ U型 ( , + - t吨 ) d日 B类 , 0 < t吨 .

U型 ( t吨 , 0 ) = 0 ¯ β ( t吨 ) U型 ( t吨 , ) d日 ,来自(A.2),我们得到

(A.3) U型 ( t吨 , 0 ) = 0 ¯ β ( t吨 ) U型 ( t吨 , ) d日 = 0 t吨 β ( t吨 ) U型 ( t吨 , ) d日 + t吨 t吨 ¯ β ( t吨 ) U型 ( t吨 , ) d日 = J型 ( t吨 ) + 0 t吨 β ( t吨 ) U型 ( t吨 - , 0 ) e(电子) 0 - μ ( + t吨 - ) d日 d日 ,

哪里

J型 ( t吨 ) = t吨 ¯ β ( ) U型 0 ( - t吨 ) e(电子) 0 t吨 - μ ( ) d日 d日 - 0 t吨 β ( t吨 ) t吨 - t吨 σ ( + - t吨 ) e(电子) t吨 - μ ( τ ) d日 τ U型 ( , + - t吨 ) d日 B类 d日 - t吨 ¯ β ( t吨 ) 0 t吨 σ ( ) e(电子) t吨 - μ ( τ ) d日 τ U型 ( , + - t吨 ) d日 B类 d日 , 0 t吨 ¯ ,

(A.4) K(K) ( t吨 , ) = β ( t吨 ) e(电子) 0 - μ ( + t吨 - ) d日 .

电子 ( 0 t吨 σ ( ) e(电子) t吨 - μ ( τ ) d日 τ U型 ( , + - t吨 ) d日 B类 ) = 电子 ( t吨 - t吨 σ ( + - t吨 ) e(电子) t吨 - μ ( τ ) d日 τ U型 ( , + - t吨 ) d日 B类 ) = 0 ,

来自(A.2),我们知道方程解的第一矩(A.1款)是

(A.5) 电子 [ U型 ( t吨 , ) ] = { U型 0 ( - t吨 ) e(电子) 0 t吨 - μ ( + t吨 - ) d日 , 0 t吨 , 电子 [ U型 ( t吨 - , 0 ) ] e(电子) 0 - μ ( + t吨 - ) d日 , 0 < t吨 .

由(答3),我们有

电子 [ U型 ( t吨 , 0 ) ] = 电子 [ J型 ( t吨 ) ] + 0 t吨 K(K) ( t吨 , ) 电子 U型 ( t吨 - , 0 ) d日 = 电子 [ J型 ( t吨 ) ] + 0 t吨 K(K) ( t吨 , t吨 - ) 电子 U型 ( , 0 ) d日 ,

哪里

(A.6) 电子 [ J型 ( t吨 ) ] = t吨 ¯ β ( t吨 ) U型 0 ( - t吨 ) e(电子) 0 t吨 - μ ( ) d日 d日 .

根据方程式(A.4款), (答6)和假设1,2,因此

0 K(K) ( t吨 , ) K(K) ¯ , ( t吨 , ) ; 0 电子 [ J型 ( t吨 ) ] J型 ¯ , t吨 ( 0 , T型 ) ,

使用类似于的方法[2,定理2.1.1],我们可以推断 电子 [ U型 ( t吨 , ) ] C 1 ,其中 C 1 是一个正常数。

我们现在讨论 U型 ( t吨 , ) .根据(A.2)和(答5),我们得到

(A.7) U型 ( t吨 , ) - 电子 [ U型 ( t吨 , ) ] = { - 0 t吨 σ ( ) e(电子) t吨 - μ ( τ ) d日 τ U型 ( , + - t吨 ) d日 B类 , 0 t吨 , ( U型 ( t吨 - , 0 ) - 电子 [ U型 ( t吨 - , 0 ) ] ) e(电子) 0 - μ ( + t吨 - ) d日 - t吨 - t吨 σ ( + - t吨 ) e(电子) t吨 - μ ( τ ) d日 τ U型 ( , + - t吨 ) d日 B类 , 0 < t吨 .

什么时候? 0 t吨 ,第二个时刻 U型 ( t吨 , )

M(M) ( t吨 , ) 电子 ( U型 ( t吨 , ) - 电子 [ U型 ( t吨 , ) ] ) 2 = 电子 0 t吨 ( σ ( ) e(电子) t吨 - μ ( τ ) d日 τ U型 ( , + - t吨 ) ) 2 d日 σ ¯ 2 0 t吨 电子 | U型 ( , ) | 2 d日 .

因此

电子 | U型 ( t吨 , ) | 2 ( 电子 | U型 ( t吨 , ) | ) 2 + σ ¯ 2 0 t吨 电子 | U型 ( , ) | 2 d日 .

根据Gronwall引理,我们有

电子 | U型 ( t吨 , ) | 2 ( 电子 | U型 ( t吨 , ) | ) 2 e(电子) σ ¯ 2 T型 C 2 e(电子) σ ¯ 2 T型 .

什么时候? 0 < t吨 ,第二个时刻 U型 ( t吨 , )

M(M) ( t吨 , ) 电子 ( U型 ( t吨 , ) - 电子 [ U型 ( t吨 , ) ] ) 2 = M(M) ( t吨 - , 0 ) e(电子) 0 - 2 μ ( + t吨 - ) d日 + t吨 - t吨 σ 2 ( + - t吨 ) e(电子) t吨 - 2 μ ( τ ) d日 τ | U型 ( , + - t吨 ) | 2 d日 - 2 电子 [ ( U型 ( t吨 - , 0 ) - 电子 [ U型 ( t吨 - , 0 ) ] ) e(电子) 0 - μ ( + t吨 - ) d日 t吨 - t吨 σ ( + - t吨 ) e(电子) t吨 - μ ( τ ) d日 τ U型 ( , + - t吨 ) d日 B类 ] ,

哪里 M(M) ( t吨 , 0 ) 电子 ( U型 ( t吨 , 0 ) - 电子 [ U型 ( t吨 , 0 ) ] ) 2 .有必要研究 M(M) ( t吨 , 0 ) .发件人(A.2),我们有

(A.8) U型 ( t吨 , 0 ) - 电子 [ U型 ( t吨 , 0 ) ] = G公司 ( t吨 ) + 0 t吨 K(K) ( t吨 , ) [ U型 ( t吨 - , 0 ) - 电子 U型 ( t吨 - , 0 ) ] d日 ,

哪里 K(K) ( t吨 , ) = β ( t吨 ) e(电子) 0 - μ ( + t吨 - ) d日 、和

G公司 ( t吨 ) = - 0 t吨 β ( t吨 ) t吨 - t吨 σ ( + - t吨 ) e(电子) t吨 - μ ( τ ) d日 τ U型 ( , + - t吨 ) d日 d日 B类 - 0 t吨 β ( t吨 ) t吨 ¯ σ ( ) e(电子) t吨 - μ ( τ ) d日 τ U型 ( , + - t吨 ) d日 d日 B类 .

然后

M(M) ( t吨 , 0 ) 2 电子 { [ G公司 ( t吨 ) ] 2 + ( 0 t吨 K(K) ( t吨 , t吨 - ) [ U型 ( , 0 ) - 电子 U型 ( , 0 ) ] d日 ) 2 } .

在假设条件下1,2根据Gronwall引理,我们可以推断出 M(M) ( t吨 , 0 ) C 2 为所有人 ( t吨 , ) ,其中 C 2 是一个正常数。组合(答7)和(答8),我们可能已经 电子 ( U型 ( t吨 , ) - 电子 [ U型 ( t吨 , ) ] ) 2 C 为所有人 ( t吨 , ) ,其中 C 是一个正常数。由于的有界性 电子 [ U型 ( t吨 , ) ] ,我们可以推断

电子 | S公司 ( t吨 , ) + ( t吨 , ) + A类 ( t吨 , ) | 2 = 电子 | U型 ( t吨 , ) | 2 C 4 为所有人 ( t吨 , ) ,

哪里 C 4 是一个正常数。由于系统解的非负性(2.1),我们有

电子 ( | S公司 ( t吨 , ) | 2 + | ( t吨 , ) | 2 + | A类 ( t吨 , ) | 2 ) C .

证据是完整的。

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收到:2018年1月8日
修订过的:2022-01-20
认可的:2022-01-26
在线发布:2022-03-09
印刷出版:2022-07-01

©2022 Walter de Gruyter GmbH,柏林/波士顿

于2024年5月29日从下载https://www.degruyter.com/document/doi/10.1515/cmam-2021-0154/html
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