Задачи с дифференциальными уравнениями медицина

ГЛАВА 3. Применение дифференциальных уравнений первого порядка для решения прикладных задач физики, биологии, медицины

Задача 1. Скорость размножения некоторых бактерий пропорциональна количеству бактерий, имеющихся в наличии в рассматриваемый момент времени t. Количество бактерий утроилось в течение 5 часов. Найти зависимость числа бактерий от времени.

Решение. Обозначим количество бактерий в момент времени t через x, тогда — скорость размножения бактерий.

По условию задачи — уравнение с разделяющимися переменными.

Потенцируем последнее выражение и получаем общее решение нашего дифференциального уравнения.

Найдем частное решение, соответствующее начальным условиям

При t=0, x=x₀ -частное решение дифференциального уравнения.

Чтобы найти искомую зависимость, определим коэффициент пропорциональности k. По условию задачи известно, что через 5 часов .

Прологарифмируем последнее выражение

Окончательно получаем

Задача 2. При прохождении света через вещество происходит ослабление интенсивности светового потока, вследствие превращения световой энергии в другие виды энергии, т.е. происходит поглощение света веществом. Найти закон поглощения, если известно, что ослабление интенсивности пропорционально толщине слоя и интенсивности падающего излучения.

Решение. Исходя из условия задачи, можно сразу написать дифференциальное уравнение

где dI -ослабление интенсивности при прохождении слоя толщиной dx.

k -коэффициент пропорциональности.

Знак минус показывает, что интенсивность падает по мере прохождения слоя.

Проинтегрируем наше уравнение, предварительно разделив переменные

Исходя из того, что падающий на поверхность вещества свет имел интенсивность I=I₀ _, при x=0, найдем частное решение

Итак, мы получили закон поглощения света веществом ( закон Бугера), где
k -натуральный показатель поглощения.

Задача 3. Известно, что механические свойства биологических объектов изучаются с помощью вязкоупругих моделей (поршень — пружина). Одной из найболее распространенных является модель Кельвина — Фойхта, состоящая из параллельно соединенных пружины и поршня (см. рис.1).

Рис. 4. Модель Кельвина — Фойхта

Найти зависимость деформации от времени , если к модели приложена постоянная нагрузка.

Решение. Согласно условию задачи , и учитывая также, что при малых деформациях выполняется закон Гука, т.е. , а механическое напряжение, возникающее в вязкой среде пропорционально скорости деформации, т.е. , мы можем написать дифференциальное уравнение.

, или

Проинтегрируем полученное дифференциальное уравнение от начального момента времени и нулевой деформации до текущих значений t и , мы будем иметь сразу частное решение.

Потенцируя последнее выражение, получаем

Находим отсюда

Как видно из полученной формулы, в рамках модели Кельвина — Фойхта деформация при постоянной нагрузке возрастает с течением времени. Это соответствует реальным материалам. Такое свойство материала названо текучестью.

Дифференциальные модели в экономике, биологии и медицине

В этом параграфе мы разберем несколько классических моделей, предложенных за последние 200 лет в различных областях науки: экономике, биологии и медицине. Общим при построении этих моделей является использование дифференциальных уравнений с разделяющимися переменными, которые несложно решить, прочитав §59 данного справочника.

п.1. Экономика. Равновесная цена в модели Вальраса

Начальные сведения о модели рыночного равновесия, кривых спроса и предложения – см. §18 справочника для 9 класса.
Рассмотрим поведение рыночной цены при небольшом отклонении от точки равновесия по методу, предложенному Леоном Вальрасом (1874 г.)
Пусть p — цена товара, D(p) — спрос на него, S(p) — предложение.
Пусть спрос и предложение на рынке уравновешены, равновесная цена равна $p_0$.
Если спрос начнет немного превышать предложение, то цена начнет расти: $$ \frac

=D(p)-S(p) $$ В точке равновесия: $$ \frac

|_=0,\ \ D(p_0)-S(p_0)=0 $$ Разложим каждую из функций с помощью дифференциала (см. §52 данного справочника) с точностью до линейного множителя: \begin D(p)\approx D(p_0)+D'(p_0)(p-p_0)\\ S(p)\approx S(p_0)+S'(p_0)(p-p_0) \end Тогда разность спроса и предложения: \begin D(p)-S(p)\approx D(p_0)+D'(p_0)(p-p_0)-S(p_0)-S'(p_0)(p-p_0)=\\ =\underbrace_<=0>+\left(D'(p_0)-S'(p_0)\right)(p-p_0)=\left(D'(p_0)-S'(p_0)\right)(p-p_0) \end Получаем уравнение с разделяющимися переменными: \begin \frac

=\left(D'(p_0)-S'(p_0)\right)(p-p_0)\\ \frac

=\left(D'(p_0)-S'(p_0)\right)dt \end Интегрируем: $$ \int \frac

=\ln(p-p_0),\ \ \int\left(D'(p_0)-S'(p_0)\right)dt=\left(D'(p_0)-S'(p_0)\right)t $$ Общее решение: $$ \ln(p-p_0)=\left(D'(p_0)-S'(p_0)\right)t+C $$ Пусть при $t=0$ наблюдается неравновесная цена $p(0)\ne p_0$. Находим C: $$ \ln(p(0)-p_0)=\left(D'(p_0)-S'(p_0)\right)\cdot 0+C\Rightarrow C=\ln(p(0)-p_0) $$ Решение задачи Коши: \begin \ln(p-p_0)=\left(D'(p_0)-S'(p_0)\right)t+\ln(p(0)-p_0)\\ e^<\ln(p-p_0)>=e^<\left(D'(p_0)-S'(p_0)\right)t+\ln(p(0)-p_0)>\\ p-p_0=(p(0)-p_0)e^ <\left(D'(p_0)-S'(p_0)\right)t>\end

Например:
Пусть $D(p)=9-\frac<6>,\ S(p)=\frac<12>$
$\sqrt=y’x$ — ДУ первого порядка первой степени
Тогда равновесная цена $9-\frac<6>=\frac<12>\Rightarrow \frac<4>=9\Rightarrow p_0^2=36\Rightarrow p_0=6$

Значения производных: \begin D'(p)=0-\frac<2p><6>=-\frac p3,\ \ D'(p_0)=-2\\ S'(p)=\frac<2p><12>,\ \ S'(p_0)=1 \end Изменение цены со временем в этом случае: $$ p(t)=6+(p(0)-6)e^<(-2+1)t>=6+(p(0)-6)e^ <-t>$$ Построим графики для трех различных цен в начальный момент времени: $$ p(0)=\left\ <5;7;9\right\>$$ $p(0)=5:\ p(t)=6-e^<-t>$
$p(0)=7:\ p(t)=6+e^<-t>$
$p(0)=9:\ p(t)=6+3e^<-t>$

Все три кривые постепенно сходятся к равновесной цене $p_0=6$.

Устойчивое схождение к $p_0$ будет наблюдаться только при условии: $$ D'(p_0)-S'(p_0)\lt 0 $$ Т.е кривая спроса должна быть более крутой в своем спуске, чем кривая предложения на подъеме. Говорят, что эластичность спроса по цене в точке равновесия должна быть выше, чем эластичность предложения по цене.

Если степень при экспоненте будет положительной, $D'(p_0)-S'(p_0)\gt 0$ решение уходит на бесконечность. Говорят, что такое решение неустойчиво.
Если степень при экспоненте будет равна нулю, $D'(p_0)-S'(p_0)=0$, цена не будет меняться и останется неравновесной.

п.2. Биология. Логистическое уравнение Ферхюльста для роста популяции

Пусть $P(t)$ – численность популяции. Построим модель её изменения со временем.
Логично предположить, что прирост потомства в популяции пропорционален количеству особей, из чего получаем:

Закон Мальтуса (1798 г.): $$ \frac

=rP $$ $r$- удельный прирост популяции за единицу времени.

Решением этого уравнения будет $P(t)=P_0e^$ — уходящая в бесконечность экспонента. Что заставило Мальтуса заявить о грядущем перенаселении планеты и потребовать жестких мер по ограничению рождаемости.
Впрочем, в 1804 г. население Земли достигло первого миллиарда, а сегодня, несмотря на многие неприятности, на планете живет уже в 7 раз больше.
Введем в уравнение некий уменьшающий рост популяции фактор – естественный или искусственный – пропорциональный квадрату $P$.
Ферхюльст (1838 г.) предложил такую форму записи: $$ \frac

=rP\left(1-\frac PK\right) $$

Закон Ферхюльста (1838 г.): $$ \frac

=rP\left(1-\frac PK\right) $$ $r$- удельный прирост популяции за единицу времени.
$K$- максимальный размер популяции в условиях ограниченных ресурсов.

Решение уравнения Ферхюльста (логистическая кривая): $$ P(t)=\frac>-1)> $$

Например:
Пусть популяция растет со скоростью $r=0,1$ тыс/год
Начальное количество особей $P_0=1$ тыс
Максимальное количество, которое способна прокормить данная территория, $K=10$ тыс

Модель показывает, что через 70 лет популяция займет всю нишу, и её рост фактически прекратится.
На начальном этапе преобладает r-стратегия: бурное размножение и короткая продолжительность жизни.
Исчерпание ресурсов заставляет переходить на K-стратегию: низкий темп размножения и долгую жизнь.

Экспериментально рост популяции по кривой Ферхюльста был подтвержден в лабораторных условиях для мух-дрозофил. В естественных условиях для животных – и тем более, в рамках социума для людей – закономерность нарушается.

п.3. Медицина. Модель развития эпидемии SIR

Традиционной моделью, описывающей процесс развития эпидемии, является модель SIR (Susceptible/Infected/Recovered), предложенная У. Кермаком и А. Маккендриком в 1927 г.
Вся популяция в модели делится на три группы:

$S(t)$— восприимчивые к инфекции, здоровые на момент времени $t$;
$I(t)$— уже инфицированные;
$R(t)$— выздоровевшие, больше невосприимчивые к инфекции.

Популяция считается постоянной, т.е. $N=S(t)+I(t)+R(t)=const$.
Рождаемость и смертность не учитывается.
Получаем следующую систему дифференциальных уравнений: $$ \begin \frac

=-\beta\frac\\ \frac

=\beta\frac=-\gamma I(t)\\ \frac

=\gamma I(t) \end $$ где $\beta$ – скорость заражения, вероятность заболевания в случае контакта с инфицированным; $\gamma$ — скорость выздоровления, $\gamma=\frac1T;\ Τ$ – период болезни.
Начальные условия в момент времени $t=0$: $$ S(0)=S_0\geq 0,\ \ I(0)=I_0\geq 0,\ \ R(0)=R_0\geq 0 $$ Переход из одной группы в другую можно изобразить линейной схемой:

№	Переход одного человека из одной группы в другую	Скорость перехода
1	$$ (S;I)\rightarrow (S-1;\ I+1) $$	$$ \beta\frac $$
2	$$ (I;R)\rightarrow (I-1;\ R+1) $$	$$ \gamma I $$

Полученная система уравнений не является линейной и не имеет точного аналитического решения. Но её можно решить с использованием численных методов.
$$ \begin \frac<\triangle S(t)><\triangle t>=-\beta\frac\\ \frac<\triangle I(t)><\triangle t>=\beta\frac-\gamma I(t)\\ \frac<\triangle R(t)><\triangle t>=\gamma I(t) \end $$ Считаем $\triangle t=1$ – следующий шаг итерации. Тогда: $$ \begin S_-S_i=-\beta\frac\\ I_-I_i=\beta\fracI_i>-\gamma I_i\\ R_-R_i=\gamma I_ \end $$ Получаем следующий итеративный процесс: $$ \begin S_=\left(1-\beta\frac\right)S_i\\ I_=\left(1+\beta\frac>-\gamma \right)I_i\\ R_=\gamma I_+R_i \end $$ Знаний по информатике вам должно хватить, чтобы написать небольшой скрипт с циклом для этих уравнений и построить график.

Например:
Пусть общее количество населения N=10 тыс.чел.
В начальный момент инфицирован 1% населения: $$ S(0)=0,99N,\ \ I(0)=0,01N,\ \ R(0)=0 $$ Параметры: $\beta=0,128;\ \gamma=0,096$ в расчете на день (эти параметры были рассчитаны по фактическим данным для лихорадки Эбола в Сьерра-Леоне).
Результат моделирования в MATLAB:
Красная кривая – это количество болеющих в данный момент. Как мы видим, к концу года она стремится к 0. Пик приходится на 70-80 дней с начала эпидемии и составляет 413 чел. или 4,13% населения.
Зеленая кривая – количество переболевших, к концу года выходит на асимптоту в 4700 чел. или 47,0% населения.
Синяя кривая – количество так и не заболевших, к концу года спускается на асимптоту в 5300 чел. или 53,0% населения.

Чем больше больных у вас будет в начале эпидемии и чем больше параметр $\beta$, тем выше будет пик $I_$ для болеющих. Также, количество переболевших в конце эпидемии будет больше количества не заболевших.

Модель SIR – это начальный этап для исследований. На практике для моделирования эпидемий могут использоваться модели с десятками переходов и параметров, с постепенным усложнением по мере накопления данных.

Д ИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ. — презентация

Презентация была опубликована 2 года назад пользователемнадежда чаш-оол

Презентация на тему: » Д ИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ.» — Транскрипт:

1 Д ИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНСКОЙ ПРАКТИКЕ

2 План: 1. Основные понятия и определения дифференциального уравнения 2. Методы решения дифференциальных уравнений. 3. Применение дифференциальных уравнений для решения задач.

3 1. Основные понятия и определения дифференциального уравнения Уравнения, в которых неизвестными являются не только сами функции, но и их производные называются дифференциальными уравнениями. y+y+3x=0

4 Уравнения, в которых неизвестными являются не только сами функции, но и их производные называются дифференциальными уравнениями. y+y+3x=0 Если в уравнение входит независимая переменная, неизвестная функция и её первая производная, то это уравнение называется дифференциальным уравнением I порядка Если в уравнение входит независимая переменная, неизвестная функция, производные и производная n-го, то это уравнение называется дифференциальным уравнением n- порядка.

5 Пример: Решить уравнение у =5 Решение: y=5x+C – общее решение дифференциального уравнения Зададим начальные условия : х 0 =0, у 0 =1 и подставим в общее решение соответственно вместо х и у. Получаем у=5 х+1-это частное решение дифференциального уравнения. Геометрически общее решение y=5x+C представляет собой семейство прямых

6 Дифференциальное уравнение I порядка Обыкновенные диф.уравнения y=f(x) диф.уравнения с разделяющимися переменными y=f(x)g(y) Линейные диф.уравнения I порядка y+p(x)y=f(x) Однородные Если f(x)=0 У +p(x)y=0 -это уравнение с разделяющимися переменными. Неоднородные Если f(x) не равно 0.

7 2. Метоы решения дифференциального уравнения Обыкновенное дифференциальное уравнение y=f(x)

8 Пример: Решить дифференциальное уравнение y=5 х+2 Решение:

9 Дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными y=f(x)g(y) Решается это уравнение по шагам: 1.dy/dx=f(x)g(y) 2.dy/g(y)=f(x)dx 3. Интегрируем обе части выражения. 4. Находим первообразные. 5. Выражаем функцию у через х.

10 Пример: Решить дифференциальное уравнение: Решение: Выражаем функцию у через х:

11 Линейное дифференциальное уравнение I порядка y+p(x)y=f(x) Если f(x)=0, то уравнение называется линейным однородным уравнением: y+p(x)y=0

12 Пример: Найти общее решение дифференциального уравнения: y+y2cosx=0 Решение: — формула общего решение уравнения Подставляем в формулу общего решения и получаем: — общее решение уравнения

13 Линейное дифференциальное уравнение I порядка y+p(x)y=f(x) Если f(x)0, то уравнение называется линейным неоднородным уравнением. Общее решение неоднородного уравнения имеет вид:

14 Пример: Найти общее решение дифференциального уравнения: y+yx=3 х Решение: Формула общего решения уравнения: Обозначим: p(x)=x, f(x)=3x

15 3. Применение дифференциальных уравнений для решения задач.

16 Составление и применение дифференциальных уравнений Решение любой задачи с помощью математического анализа можно разбить на три этапа: 1. перевод условий задачи на язык математики; 2. решение задачи; 3. оценка результатов.

17 Закон растворения лекарственных форм вещества из таблеток Скорость растворения лекарственных форм вещества из таблеток пропорциональна количеству лекарственных форм вещества в таблетке. Установить зависимость изменения количества лекарственных форм вещества в таблетке с течением времени. Обозначим через m количество вещества в таблетке, оставшееся ко времени растворения t. Тогда dm/dt= -km, где k-постоянная скорости растворения. Минус в уравнении означает, что количество лекарственных форм вещества с течением времени убывает.

18 Закон размножения бактерий с течением времени Скорость размножения некоторых бактерий пропорциональна количеству бактерий в данный момент. Установить зависимость изменения количества бактерий от времени. Обозначим количество бактерий, имеющихся в данный момент, через х. Тогда dx/dt=kx, где k – коэффициент пропорциональности.

19 Закон роста клеток с течением времени Для палочковидных клеток, у которых отношение поверхности клетки к её объёму сохраняется постоянным, скорость роста клетки dl/dt пропорциональна длине клетки l в данный момент: dl/dt = (α — β) l где α, β – постоянные, характеризующие процессы синтеза и распада.

20 Закон разрушения клеток в звуковом поле Кавитация ультразвуковых волн проявляется в виде разрывов суспензионной среды и образования мельчайших пузырьков и пустот, плотность которых незначительна по сравнению с плотностью воды. Простейшие (бактерии, водоросли, дрожжи, лейкоциты, эритроциты) могут быть разрушены при кавитации, возникающей в интенсивном звуковом поле. Относительные скорости разрушения биологических клеток различных видов остаются постоянными в очень широком диапазоне частот. Эти скорости могут характеризовать относительную хрупкость клеток различных видов. Чтобы выразить это количественно, нужно определить скорость разрушения клетки в постоянном звуковом поле. Изучение этого вопроса показывает, что, пока по крайней мере 1% популяции остаётся не разрушенным, можно записать: dN/dt = — RN где N – концентрация клеток; t –время; R — постоянная

21 Внутривенное введение глюкозы При внутривенном введении глюкозы с помощью капельницы скорость поступления глюкозы в кровь постоянна и равна С. В крови глюкоза разлагается и удаляется из кровеносной системы со скоростью, пропорциональной имеющемуся количеству глюкозы. Дифференциальное уравнение, описывающее данный процесс: dx/dt=c-αx, где х-количество глюкозы в крови в текущий момент времени; с-скорость поступления глюкозы в кровь; α-положительная постоянная

22 Теория эпидемий В теории эпидемий при условии, что изучаемое заболевание носит длительный характер, процесс передачи инфекции значительно более быстрый, чем течение самой болезни, и зараженные особи не удаляются из колонии и передают при встречах инфекцию незараженным особям. Пусть в начальный момент t=0, а – число зараженных, b – число незараженных особей, x(t), y(t) – соответственно число зараженных и незараженных особей к моменту времени t. В любой момент времени t для промежутка, меньшего времени жизни одного поколения, имеет место равенство х+у=а+b (1) Уравнение зомби-апокалипсиса (bN)(S/N)Z = bSZ, где N общее число населения, S число людей, восприимчивых к атакам зомби, Z общее число самих зомби b вероятность заражения вирусом.

23 Теория эпидемий При этих условиях нужно установить закон изменения числа незаражённых особей с течением времени, т.е. найти y=f(x). Так как инфекция передаётся при встречах зараженных особей с незараженными, то число незараженных особей будет убывать с течением времени пропорционально количеству встреч между зараженными и незараженными особями. Для промежутка времени dt dy=-βxy, откуда dy/dt= — βxy, где β – коэффициент пропорциональности. Подставив в это уравнение значение х из равенства (1), получим дифференциальное уравнение с разделяющимися переменными: dy/dt= — βy (a+b-y)

24 Пример: Составьте дифференциальное уравнение и найдите частные решения: Концентрация лекарственного препарата в крови уменьшается вследствие выведения вещества из организма. Скорость уменьшения концентрации пропорциональна концентрации вещества в данный момент. Определить зависимость концентрации данного вещества в крови от времени, если в начальный момент времени она была равна 0,2 мг/л, а через 23 часа уменьшилась вдвое Решение: Уравнение описывающее этот процесс: m — концентрация лекарственного препарата в крови в данный момент времени; k — коэффициент пропорциональности, где — скорость выведения вещества из организма,

25 Решение: Решая полученное уравнение, получаем: где m 0 -концентрация вещества в крови в начальный момент времени t=0, m – текущая концентрация вещества в крови в момент времени t.

26 Решение: Потенцируя, получим: По условию задачи m 0 =0,2 мг/л, m=m 0 /2 мг/л, t=23 ч. Подставляем и находим: Зависимость концентрации данного вещества в крови от времени, описывается следующим законом:

27 Контрольные вопросы для закрепления: 1. Дайте понятие дифференциальному уравнению, его решению. 2. Назовите методы решения дифференциальных уравнений, охарактеризуйте каждый. 3. Приведете примеры обыкновенного дифференциального уравнения, уравнения с разделяющими переменными, линейного. 4. Приведите примеры дифференциального уравнения первого, второго, третьего порядка. 5. Каково практическое применение дифференциальных уравнений.

источники:

http://reshator.com/sprav/algebra/10-11-klass/differencialnye-modeli-v-ekonomike-biologii-i-medicine/

http://www.myshared.ru/slide/1399244/