شبیه‌سازی عددی یک مدل جامع از مرتبه کسری بیماری‌های واگیردار جهت تعیین راهبرد کنترلی بهینه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشیار گروه ریاضی کاربردی، دانشکده علوم پایه، دانشگاه صنعتی سهند تبریز، تبریز، ایران

2 محقق پسادکتری دانشگاه خواجه‌نصیرالدین طوسی

3 پژوهشگر گروه ریاضی و شبیه‌سازی، پژوهشکده آماد، فناوری‌های دفاعی و پدافند غیرعامل، دانشگاه و پژوهشگاه عالی دفاع ملی و تحقیقات راهبردی، تهران، ایران

چکیده

در این مقاله، ما یک فرمول کلی برای یک مسئله کنترل بهینه کسری ارائه می‌کنیم که در آن معادلات برحسب مشتقات کسری کاپوتو آورده شده‌اند. یک روش طیفی گالرکین کسری را برای شبیه‌سازی عددی مسئله فوق به کار می‌بریم. علی‌رغم غیرخطی بودن مسئله، نقطه قوت روش فوق به دست آمدن جواب‌ها با دقت بسیار بالا و بدون نیاز به حل هیچ‌گونه دستگاه جبری هست. دو مدل کسری برای پویایی انتقال ویروس هپاتیت ب و کرونا را باهدف کنترل شیوع استفاده می‌کنیم. با استفاده از روش فوق دو مسئله تجزیه‌وتحلیل شده‌اند. نتایج عددی نشان می‌دهد که با اجرای این روش قدرتمند و اثر مشتق کسری می‌تواند نقش اساسی در عدم گسترش بیماری داشته باشد.

کلیدواژه‌ها


 
[1] Almeida, R., Brito da Cruz, A., Martins, N., & Monteiro, M. T. T. (2019). An epidemiological MSEIR model described by the Caputo fractional derivative. International journal of dynamics and control7(2), 776-784.
 
[2] Baba, I. A., & Nasidi, B. A. (2021). Fractional order epidemic model for the dynamics of novel COVID-19. Alexandria Engineering Journal60(1), 537-548.
 
 [3] Buratto, A., Cesaretto, R., & Zamarchi, R. (2020). Mathematical models for HIV treatment: A schematic review. Journal of Interdisciplinary Mathematics23(3), 707-725.
 
[4] Cardoso, L. C., Dos Santos, F. L. P., & Camargo, R. F. (2018). Analysis of fractional-order models for hepatitis B. Computational and Applied Mathematics37(4), 4570-4586.
 
 [5] Chang, H. (2021). A mathematical study on the drug resistant virus emergence with HIV/AIDS treatment cases. Heliyon7(1), e05883.
 
[6] Chen, Y., Liu, F., Yu, Q., & Li, T. (2021). Review of fractional epidemic models. Applied mathematical modelling97, 281-307.
 
[7] Diethelm, K., & Ford, N. J. (2002). Analysis of fractional differential equations. Journal of Mathematical Analysis and Applications265(2), 229-248.
 
[8] Ghoreishi, F., & Hadizadeh, M. (2009). Numerical computation of the Tau approximation for the Volterra-Hammerstein integral equations. Numerical Algorithms52(4), 541-559.
 
[9] Kozioł, K., Stanisławski, R., & Bialic, G. (2020). Fractional-order sir epidemic model for transmission prediction of covid-19 disease. Applied Sciences10(23), 8316.
 
[10] Mandal, M., Jana, S., Nandi, S. K., & Kar, T. K. (2020). Modelling and control of a fractional-order epidemic model with fear effect. Energy, Ecology and Environment5(6), 421-432.
 
 [11] Omondi, E. O., Mbogo, R. W., & Luboobi, L. S. (2019). A mathematical modelling study of HIV infection in two heterosexual age groups in Kenya. Infectious Disease Modelling4, 83-98.
 
[12] Pan, W., Li, T., & Ali, S. (2021). A fractional order epidemic model for the simulation of outbreaks of Ebola. Advances in Difference Equations2021(1), 1-21.
 
[13] Raslan, W. E. (2021). Fractional mathematical modeling for epidemic prediction of COVID-19 in Egypt. Ain Shams Engineering Journal12(3), 3057-3062.
 
[14] ur Rahman, M., Arfan, M., Shah, K., & Gómez-Aguilar, J. F. (2020). Investigating a nonlinear dynamical model of COVID-19 disease under fuzzy caputo, random and ABC fractional order derivative. Chaos, Solitons & Fractals140, 110232.
 
[15] Tamilalagan, P., Karthiga, S., & Manivannan, P. (2021). Dynamics of fractional order HIV infection model with antibody and cytotoxic T-lymphocyte immune responses. Journal of Computational and Applied Mathematics382, 113064.
 
[16] Ullah, A., Abdeljawad, T., Ahmad, S., & Shah, K. (2020). Study of a fractional-order epidemic model of childhood diseases. Journal of Function Spaces2020.
 
[17] Zaky, M. A., Doha, E. H., & Machado, J. T. (2018). A spectral framework for fractional variational problems based on fractional Jacobi functions. Applied Numerical Mathematics132, 51-72.
 
 
 
]18[هادیان، حسین، مطهری، سید ابوالفضل، خسروی، محمدرضا (تابستان 1401)، بررسی، تحلیل و پیش‌بینی دادگان فائواستات به‌منظور استخراج اطلاعات مفید برای مدیریت راهبردی در بخش کشاورزی، فصلنامه آماد و فناوری دفاعی، سال پنجم، شماره چهاردهم.
 
]19[صنعت‌کار، سید امیر، اولیایی، شهرام (زمستان 1400)، اکسیژن هایپربار، فراتر از یک درمان برای کاهش شدت و دوران آسیب‌دیدگی‌های شایع نیروهای نظامی در طب دفاعی (مطالعه مروری)، فصلنامه آماد و فناوری دفاعی، سال چهارم، شماره دوازدهم.