1 Modello epidemico SIR (semplificato) del virus Ebola

Documenti analoghi
1 a PROVA PARZIALE DI FONDAMENTI DI AUTOMATICA A.A. 2004/ novembre Soluzione

ẋ 1 = 2x 1 + (sen 2 (x 1 ) + 1)x 2 + 2u (1) y = x 1

Queste note (attualmente, e probabilmente per un bel po ) sono altamente provvisorie e (molto probabilmente) non prive di errori.

Il numero di riproduzione R 0 in alcuni modelli di trasmissione dell HIV in presenza di vaccinazione e sottotipi

Il modello preda predatore. Modelli Matematici Ambientali, 2015/16 Dinamiche di Crescita:

Equilibrio e stabilità di sistemi dinamici. Linearizzazione di sistemi dinamici

I. Foglio di esercizi su vettori linearmente dipendenti e linearmente indipendenti. , v 2 = α v 1 + β v 2 + γ v 3. α v 1 + β v 2 + γ v 3 = 0. + γ.

ESERCITAZIONE SUI PUNTI STAZIONARI DI FUNZIONI LIBERE E SULLE FUNZIONI OMOGENEE

Scrivere il numero della risposta sopra alla corrispondente domanda. (voti: 2,0,-1, min=14 sulle prime 10) , C = [3 2 2], D =

Fondamenti di Automatica (10 cfu) Corso di Studi in Ingegneria Gestionale A.A. 2011/12 TESTI ESERCIZI PRIMA PARTE DEL CORSO

Compitino di Fondamenti di Automatica del 18/11/2011- TEMA A

Appello di Sistemi Dinamici Prova scritta del 22 settembre 2017

1 Equazioni parametriche e cartesiane di sottospazi affini di R n

1 Polinomio di Taylor 1. 2 Formula di Taylor 2. 3 Alcuni sviluppi notevoli 2. 4 Uso della formula di Taylor nel calcolo dei limiti 4

DIFFERENZIAZIONE. Sia f una funzione reale di variabile reale con dominio un intervallo. Se f è derivabile in un punto x 0, allora: f(x) f(x 0 ) lim

Inflazione, disoccupazione e moneta

1 Il polinomio minimo.

Esercitazione: 16 novembre 2009 SOLUZIONI

Metodo dei minimi quadrati e matrice pseudoinversa

Esame di Statistica del 19 settembre 2006 (Corso di Laurea Triennale in Biotecnologie, Università degli Studi di Padova).

Fondamenti di Automatica. Unità 3 Equilibrio e stabilità di sistemi dinamici

Modelli matematici delle epidemie

Indici di posizione e dispersione per distribuzioni di variabili aleatorie

Le derivate parziali

Sistemi differenziali 2 2: esercizi svolti. 1 Sistemi lineari Stabilità nei sistemi lineari

LUISS Laurea specialistica in Economia e Finanza Anno Accademico 2010/2011

Politecnico di Torino Facoltà di Architettura. Raccolta di esercizi proposti nelle prove scritte

Scritto d esame di Analisi Matematica I

Esame di Istituzioni di Matematica II del 18 gennaio 2001 (Corso di Laurea in Biotecnologie, Universitá degli Studi di Padova). Cognome Nome Matricola

Esercizi di Fondamenti di Sistemi Dinamici

Sistemi di equazioni differenziali

SPAZI EUCLIDEI, APPLICAZIONI SIMMETRICHE, FORME QUADRATICHE

Esercitazione 06: Sistemi interconnessi e funzioni di trasferimento

Compito di Meccanica Razionale M-Z

Esercizi Applicazioni Lineari

Prof. SILVIA STRADA Cognomi LF - PO

Appunti sui Codici di Reed Muller. Giovanni Barbarino

2 2 2 A = Il Det(A) = 2 quindi la conica è non degenere, di rango 3.

R - Esercitazione 6. Andrea Fasulo Venerdì 22 Dicembre Università Roma Tre

4. Linearità e Linearizzazione

Per le risposte utilizza gli spazi predisposti. Quando richiesto, il procedimento va esposto brevemente, ma in maniera comprensibile.

Teorema delle Funzioni Implicite

ANALISI B alcuni esercizi proposti

Si consideri il modello elementare planare di un razzo a ugello direzionabile riportato in figura 1.

Esercizi-equazioni Esercizi equazioni di stato:

Cenni sulle coniche 1.

Modelli matematici ambientali a.a. 2015/16 Introduzione alle equazioni differenziali

SIMULAZIONE - 29 APRILE QUESITI

Considerare il moto di un punto materiale di massa m = 1 soggetto ad un potenziale V (x):

SISTEMI DI EQUAZIONI DIFFERENZIALI- ESERCIZI SVOLTI

Lezione VI COSTRUZIONE DELLE TAVOLE, FUNZIONI BIOMETRICHE, MISURE DI SINTESI. Agnese Maria Di Brisco

Analisi Matematica II Corso di Ingegneria Gestionale Compito del f(x, y) = tan(2x 2 + 3y 2 )

APPENDICE MATEMATICA VARIAZIONE MEDIA E VARIAZIONE MARGINALE

Corso di Modelli Matematici in Biologia Esame del 6 Luglio 2016

a) Determinare il dominio, i limiti agli estremi del dominio e gli eventuali asintoti di f. Determinare inoltre gli zeri di f e studiarne il segno.

X = x + 1. X = x + 1

CRESCITA DI POPOLAZIONI. Consideriamo una popolazione di esseri viventi e indichiamo con n(t) il numero di individui della popolazione al tempo t:

Esercitazione 03: Sistemi a tempo discreto

RETTE E PIANI. ove h R. Determinare i valori di h per cui (1) r h e α sono incidenti ed, in tal caso, determinare l angolo ϑ h da essi formato;

Laurea in Informatica Corso di Analisi Matematica Calcolo differenziale per funzioni di una variabile

Sistemi di Equazioni Differenziali

1 Ampliamento del piano e coordinate omogenee

Statistica Applicata all edilizia: il modello di regressione

7.5 Il caso vincolato: preliminari

Vettori applicati. Capitolo Richiami teorici. Definizione 1.1 Un sistema di vettori applicati Σ è un insieme

Minimi quadrati vincolati e test F

Corso di Analisi Matematica Calcolo differenziale per funzioni di una variabile

RETI DI TELECOMUNICAZIONE

FORMALISMO LAGRANGIANO PER SISTEMI VINCOLATI (Schema del contenuto delle lezioni e riferimenti bibliografici)

Complemento ortogonale e proiezioni

Equazioni differenziali

Corso di Laurea in Matematica Geometria 2. Foglio di esercizi n. 5 a.a Soluzioni

Esercizi di Analisi Matematica C. Ingegneria Matematica Politecnico Milano. Marco Squassina AA

Elementi di Algebra Lineare. Spazio Vettoriale (lineare)

Derivazione Numerica

Modellistica e Gestione dei Sistemi Ambientali

COGNOME... NOME... Matricola... Corso Prof... Esame di ANALISI MATEMATICA II - 25 Giugno 2007

ESERCIZI DI ALGEBRA LINEARE. Vincenzo Di Gennaro

Svolgimento. f y (x, y) = 8 y 2 x. 1 x 2 y = 0. y 2 x = 0. (si poteva anche ricavare la x dalla seconda equazione e sostituire nella prima)

Analisi dei dati corso integrato - Algebra lineare,

Universita degli Studi di Ancona Laurea in Ingegneria Meccanica ed Informatica a Distanza Anno Accademico 2005/2006. Matematica 2 (Analisi)

CINEMATICA DEL PUNTO MATERIALE

Fasci di Coniche. Salvino Giuffrida. 2. Determinare e studiare il fascio Φ delle coniche che passano per A (1, 0) con tangente

y (b) f(x, y) = y log x sin x (c) f(x, y) = tan y (d) f(x, y) = e x y (f) f(x, y) = cos(x 2 + y 2 )

Analisi Matematica 2 Ingegneria Gestionale Docenti: B. Rubino e R. Sampalmieri L Aquila, 21 marzo 2005

Ingegneria Tessile, Biella Analisi II

AUTOVALORI, AUTOVETTORI, AUTOSPAZI

Esercizi su massimi e minimi locali

SISTEMI LINEARI MATRICI E SISTEMI 1

Stima dei parametri di un sistema di ODE

Ripasso segnali e processi casuali. Trasmissione dell Informazione

Rette e piani in R 3

2 - Le successioni per ricorrenza

2.1 Esponenziale di matrici

Progetto del regolatore per un levitatore magnetico. 1. Linearizzazione del modello del levitatore magnetico

Concorso a n.8 borse per l avviamento alla ricerca riservate ad iscritti ai corsi di Laurea Magistrale in Matematica, a.a

Segnali (processi) aleatori (casuali)

2. discutere il comportamento dell accelerazione e della tensione nel caso m 1 m 2 ;

Esercitazioni del 11 marzo Ricerca della parametrizzazione di una curva γ in R 3

A.A CORSO DI ALGEBRA 1. PROFF. P. PIAZZA, E. SPINELLI. SOLUZIONE ESERCIZI FOGLIO 5.

Transcript:

L epidemiologia è la disciplina biomedica che si occupa della distribuzione delle malattie nella popolazione. Cosa c entra con l automatica? Per rispondere a questa domanda in questo esercizio ci occuperemo di studiare l epidemia di ebola in un villaggio di persone sane nel quale viene introdotta la malattia. Lo scopo di questa esercitazione è molteplice: Comprendere la versatilità dell automatica nel trattare problemi di natura apparentemente diversa tra loro con una metodologia comune, mettendo in risalto i tratti essenziali del sistema in esame. Prendere confidenza con i concetti di linearizzazione, stabilità dell equilibrio di sistemi non lineari, movimenti dello stato. Modello epidemico SIR (semplificato) del virus Ebola Consideriamo una popolazione di un villaggio, che puó variare nel tempo. Assumption Tutti i neonati sono suscettibili di infezione. Assumption 2 La popolazione totale è suddivisa in tre gruppi: i sani o suscettibili, che possono essere infettati dal virus in qualunque momento. Il loro numero sará indicato con S(t). Gli infetti, il cui numero indicheremo con I(t). I guariti, o recovered, che indicheremo con R(t). Dunque il numero totale di abitanti del villaggio al tempo t è pari a N(t) = S(t) + I(t) + R(t) Introduciamo i seguenti parametri per la popolazione in esame: H è il numero di persone massimo che può ospitare il nostro villaggio. Lo considereremo costante. b > è il tasso di nascita, o birth rate. d > è il tasso di morte naturale della popolazione, o baseline mortality rate. α > è il tasso di guarigione, o recovery rate.

β > è il tasso di infezione, o contact rate. µ è il tasso di mortalità specifico della malattia, o disease mortality rate. A questo punto possiamo introdurre le leggi dinamiche che regolano la variazione di popolazione: ds(t) = bh ds(t) βs(t)i(t) di(t) = βs(t)i(t) (α + µ + d)i(t) dr(t) = αi(t) dr(t) () Domanda Quali sono le variabili di stato in questo sistema? Domanda 2 Il sistema è lineare o non lineare? Domanda 3 Il sistema è stazionario o non stazionario? 2 Scrittura in forma di sistema dinamico Il vettore di variabili di stato sarà: x x = x 2 := x 3 e scegliamo come uscite y := x. Possiamo riscrivere la dinamica del sistema come: dx (t) S I R = bh dx (t) βx (t)x 2 (t) dx 2 (t) = βx (t)x 2 (t) (α + µ + d)x 2 (t) dx 3 (t) = αx 2 (t) dx 3 (t) y (t) = x (t) y 2 (t) = x 2 (t) y 3 (t) = x 3 (t) (2) Domanda 4 Il sistema è proprio o strettamente proprio? Nella sua forma più generale, un sistema non lineare si può scrivere come: { ẋ = f(x, u) (3) y = g(x, u) 2

Domanda 5 Chi sono f(x, u) e g(x, u)? Hands on Calcolare le soluzioni di equilibrio (coppie stato-uscita) dell equazione (5) risolvendo: { = f( x, ū) (4) ȳ = g( x, ū) Le soluzioni di equilibrio sono: Disease free equilibrium: x = x x 2 x 3 := H Endemic equilibrium: x = x x 2 x 3 := α d α+µ+d β bh d α+µ+d β bh d α+µ+d β Procediamo alla linearizzazione del sistema, al fine di studiare la stabilità degli equilibri trovati. Per semplificare i conti aggiungeremo l ipotesi seguente. Assumption 3 Il tasso di nascita e morte naturale hanno lo stesso valore. ( ) Hands on 2 Calcolare df(x) dx e dg(x). Soluzione: dx df (x) dx = d β x 2 df (x) dx 2 = β x df (x) dx 3 = df 2 (x) dx = β x 2 df 2 (x) dx 2 = β x (α + µ + d) df 2 (x) dx 3 = df 3 (x) dx = df 3 (x) dx 2 = α df 3 (x) dx 3 = d (5) e dg(x) dx = I. 3

E, definendo x(t) = x+δx(t) otteniamo il sistema linearizzato nell intorno del generico equilibrio x: δẋ(t) = Aδx(t) δy(t) = Cδx(t) (6) Il sistema, per come è stato ottenuto, non possiede ingressi. Volendo si potrebbe considerare H come ingresso ma noi non lo faremo. Hands on 3 Ricavare la matrice dinamica A del sistema linearizzato nell intorno dell equilibrio disease free. Calcolarne gli autovalori. A = Autovalori di A : d βh βh (α + µ + d) α d (7). φ(s) := det(si A) = (s + d) 2 (s + (α + µ + d) βh) Hands on 4 Cosa si puo dire sulla stabilitá dell equilibrio? (Criterio di Routh Hurwitz). Osservare come i vari parametri possano rendere l equilibrio stabile o instabile e.g. una malattia con un tasso di mortalitá molto alto, µ >>, non riesce a diffondersi perché i portatori del virus muoiono prima di poter contagiare altri individui. 3 Ebola outbreak In tabella 3 troviamo i dati relativi all epidemia. Parametro Valore b.7 d.7 µ. α.2 β. H Table : Dati numerici 4

2.5.5 Susceptible nonlinear Susceptible linearized Population in thousands 2 3 4 5 6.5 Infected nonlinear Infected linearized 2 3 4 5 6.5 Recovered nonlinear Recovered linearized 2 3 4 5 6 time [days] Figure : Condizioni iniziali: Disease free 5

Nelle figure che seguono confronteremo il movimento dell uscita del sistema linearizzato col movimento dell uscita del sistema non lineare. Nel primo esempio le condizioni iniziali sono condizioni di assenza della malattia. Dunque il movimento del sistema non lineare e dell equivalente sistema linearizzato coincidono, come evidente dalla Figura. Population in thousands.8.6 Susceptible nonlinear Susceptible linearized.4 2 3 4 5 6.5 Infected nonlinear Infected linearized 2 3 4 5 6.5 Recovered nonlinear Recovered linearized 2 3 4 5 6 time [days] Figure 2: Condizioni iniziali: Disease free ma lontano dall equilibrio. Nel secondo esempio le condizioni iniziali sono condizioni di assenza della malattia ma con una popolazione di sani S() pari a metà della capacità del villaggio. Anche in questo caso, essendo I(t) =, il movimento del sistema non lineare e dell equivalente sistema linearizzato coincidono, come da Figura 2. Nel terzo esempio perturbiamo la popolazione introducendo un individuo malato e osserviamo il diffondersi dell epidemia in Figura 3. Homework Calcolare il movimento dello stato per il sistema linearizzato di matrice A e A 2. 6

Population in thousands.5 Theoretical Equilibrium Susceptible nonlinear Susceptible linearized 2 3 4 5 6 5 4 3 2 Infected nonlinear Infected linearized 2 3 4 5 6.4.3.2. Recovered nonlinear Recovered linearized 2 3 4 5 6 time [days] Figure 3: Virus outbreak con I() = 7