Dissertação
Aplicação do cálculo de ordem arbitrária à epidemiologia
Autor
Monteiro, Noemi Zeraick
Institución
Resumen
The arbitrary order Calculus, known as Fractional Calculus, has applications in
numerous areas, such as engineering, physics, and biology. In contrast to the integer-order
Calculus, which is local, the operators we are studying in the non-integer Calculus are
non-local. So, they include the possibility of considering the memory of the studied
phenomenon, which means, the dependence on previous stages. However, its immense
applicability coexists with the difficulty of a unified and coherent theory. In this work,
we studied applications of arbitrary order Calculus to SIR-type models. We aimed to
establish some bases, both for Fractional Calculus and for the SIR model as it was originally
built and, also, we discussed the main difficulties in using an arbitrary order SIR model.
Moreover, we reviewed the construction of an unusual model, in which arbitrary order
derivatives arise in an epidemiological significant way from the dependence of time since
infection on infectivity and removal, allied to the use of Mittag-Leffler functions. In both
cases, we studied equilibrium points, positivity, and other questions of relevance, such
as the meaning of the parameters. Some of these studies were carried out in an original
way. The models presented were also analyzed numerically, by MATLAB implementation.
Finally, we proposed extensions of the built model, with regard to the possibility of waves
representation: oscillatory infectivity, quarantine compartment, and imitation dynamic
(human behavior). The extensions were proposed in such a way that the meaning of the
construction is maintained and were also analyzed numerically, compared, furthermore, to
some real data from the COVID-19 pandemic. O Cálculo de ordem arbitrária, conhecido como Cálculo Fracionário, possui aplicações em inúmeras áreas, como engenharia, física e biologia. Ao contrário do Cálculo de
ordem inteira, que é local, os operadores que estudamos no Cálculo de ordem não inteira
são não locais. Assim, incluem a possibilidade de considerar a memória do fenômeno
estudado, isto é, a dependência de estágios anteriores. Porém, sua imensa aplicabilidade
coexiste com a dificuldade de uma teoria unificada e coerente. Neste trabalho, estudamos
aplicações do Cálculo de ordem arbitrária a modelos tipo SIR. Procuramos estabelecer algumas bases, tanto de Cálculo Fracionário quanto do modelo SIR tal qual foi originalmente
construído e, assim, discutimos as principais dificuldades na utilização de um modelo SIR
de ordem arbitrária. Também revisamos a construção de um modelo não usual, onde
as derivadas de ordem arbitrária surgem de maneira epidemiologicamente significativa a
partir da dependência do tempo desde a infecção na infectividade e na remoção, aliada
à utilização das funções de Mittag-Leffler. Em ambos os casos, estudamos pontos de
equilíbrio, positividade e outras questões de relevância, como o significado dos parâmetros.
Alguns desses estudos foram realizados de maneira original. Os modelos apresentados
foram também analisados de forma numérica, através de implementação no MATLAB.
Finalmente, propomos extensões do modelo construído, no que diz respeito à possibilidade
de representação de ondas: infectividade oscilatória, compartimento de quarentena e
dinâmica da imitação (comportamento humano). As extensões foram propostas de forma
que o significado da construção fosse mantido, sendo também analisadas numericamente e
comparadas, ainda, a alguns dados reais da pandemia de COVID-19. CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior