SIR!我们用南部力学模拟传染病吧!

为了衡量疾病的传染性,科学家提出了“基本传染数 R0”,具体是这样计算的..

R0= 每次与健康的人接触的传染概率 p× 染病时每单位时间与健康的人的接触次数 c× 染病时长 t

也就是说,即使一种传染性不强的病,32 个患病周期就能感染全人类吗?

首先,当人们注意到某疾病的传播时,人们会采取措施以减低患病风险。例如病人会被隔离 ( 减少式中的 c),人们会使用口罩等防护装备 ( 减少式中的 p)。甚至,即使该地区的人什么都不做,传染率还是会下降,因为健康的人越来越少。

所以,Sir,我们不能用指数律来模拟传染病的。我们用 SIR 模型吧!

其中 N=S+I+R是总人数(包括不幸病故的人),而 β*是感染率。为方便起见, β*/N会记为 β ,即每单位人口感染率。由于感染是由健康的人和病人接触造成的,所以感染率( dS/dt 的绝对值)与感染人数 I 和健康人数 S 成正比。每单位时间的康复人数( dR/dt )与染病人数成正比,γ 为复原率。因此SIR模型是个很直观的简单模型。

然而要让 SIR 模型更贴近现实,我们可能要让系数 β ( 感染率 ) 和 γ ( 复原率 )随时间变化,( 例如冬季时流感的 β 普遍较大 );又可能要考虑不同地区之间的交通和隔离等等。这么一来,模拟的复杂程度又更高了。

为了使模拟更精确更贴近现实,物理学家提供了非常多的主意,其中一个是利用“南部力学”来模拟。

修但几咧“南部力学”?研究野猪和多糖的珍珠奶茶的力学?有没有“北部力学”? 南部力学事实上是南部阳一郎(Yoichiro Nambu) 所提出的一种哈密顿力学的推广。

当我们学牛顿力学我们会直观地认识“力”,然后再利用牛顿定律列出运动方程来研究系统的演化。例如单摆运动中,我们会考虑单摆受的力,再利用F = ma 计算单摆的位置如何随时间演化。

至于哈密顿力学,它的奠基概念不是力,而是哈密顿量 H,在不少情况中,H= 动能 K+ 势能 U。当我们选定了用什么座标系统后,利用这公式就能写出关系式模拟系统的演化..

这里 q 是你选定的坐标,p 则是对应的动量。如果对哈密顿力学不熟悉,可以参考这里的例子。

运动方程就能写成..

哈密顿力学有明显的特征,就是一个系统中只有一个 H。而南部阳一郎所作的推广,就是增加可以处理的 H。其实南部力学最初是用来研究刚体的力学。这条公式又可以怎么用呢?

在 SIR 模型中我们有这两个守恒量..

所以一旦我们知道 β 和 γ 两个参数后,可以用这方程知道质点的瞬时速度..

用这个方法模拟传播的好处是,除了模拟一个封闭的社会中的传播状况,还可以模拟多个互相影响的社区。