數學計算:新冠狀病毒傳播速度有多快?將有多少人會感染?

2021-01-20 量子認知

新冠狀病毒傳播速度多快?將有多少人會感染?這是當前流行病學專家和許多人所面臨著的令人不安的未知數。這樣的重大問題我們大多數人都沒有明確的直覺。問題是,我們的人腦傾向於直線延伸的線性思維,但事實證明新冠病毒不是呈線性增長而是呈指數級傳播感染,特別是在缺乏有效個人防止與治療措施的國家與地區。

指數級的概念是什麼?用一個簡單的故事來解釋。有個孩子向媽媽要零錢,告訴媽媽:第一天只給我1分錢,第二天給2分錢,第三天4分錢,第四天8分錢,就這麼給,給到一個月即可。媽媽一想,這樣的零錢好給。結果是:一個月30天後,媽媽欠孩子1000萬元。

我們從簡單的指數增長模型的基礎知識來分析。假設在某一地區,其中一定人數N攜帶新冠病毒。對於每個受感染的人,他們很有可能會將其傳染給其他人。概率因人而異,總體而言,假設第二天被感染的人數將增加20%,則感染率為0.20。

這意味著什麼?隨著N增加,每天新感染的數量N不斷增加。當N為1000時,第二天將有200個新的感染。當N為10000時,第二天將有2000個新的感染。設感染率是a,t是時間的變化(以天為單位),一般來講,可以用方程式如此表達:

感染率實際上是:N / t。值得注意的是,這裡有一個重要的部分N。線性思維的人往往忘掉這個基數。這就像一輛正在加速的汽車,速度取決於它所在的位置,走得越遠,速度就越快。所行駛的距離就像被感染的人數一樣。

也可以使用解析法即微分方程獲得N隨時間變化的公式,對其進行數值求解。數值計算可以將問題分解為較小的時間步長。在每個步驟中,都可計算出感染人數,然後從中計算出第二天的人數。使用上面的變化率公式,則得到以下所感染人數的更新表達式:

其中,N(i)是第i天,N(i+1)是i的第二天。假設在一個有一萬人的小區裡,你最先感染了:N0=1,以感染率0.20計算,從而可得出下面的曲線。計算很簡單,用計算機或手算都可以算出。

你會看到,在30天內,風險看起來似乎很小,而且許多人確實也沒在意。然後,感染率卻迅速地變化猶如爆炸一般,然而卻往往為時已晚。

許多人都知道,這是一個指數函數。如果採用上面的速率方程式並將時間間隔縮小到無限小的數值,即使用微積分,則會得到一個微分方程式。這個微分方程式所得出的結果是:

這就是說,被感染人數N取決於起始數目N0和自然數e的a和t乘積的方冪。這就是所謂的被感染率指數增長的原因:驅動變量——時間,是指數級般地影響所被感染的人數N,而不是線性的比例係數。

在這個簡單模型中,感染情況只會永遠惡化。但這是基於兩個隱含的假設得出的:第一,感染率保持恆定;第二,無人康復並不再具有傳染性。幸運的是,實際情況並不是這樣,否則世界上每個人都會在很短的時間內全都被感染上。儘管如此,該模型對於流行病的早期階段以及從目前世界各地的感染情況來看,還是非常準確的。如下圖所示,截止3月22日為止世界範圍內因新冠病毒所引起的死亡人數統計。

但重要的是,如果可以稍微地降低一點點感染率會怎麼樣呢?比方說,如果感染率為0.19而不是0.20,怎麼樣?以下是45天後的比較:

對於感染率為0.19而不是0.20,到第45天,感染數字減少了2,645人。對於一萬人的小區,區區0.01的感染率的下降,就會挽救2,645人的生命。那麼,對於上百萬、上千萬、上億萬的人口與地區,那不同的結果更是真正地非同一般。

這裡所體現的道理極為重要的是,個人的努力成效,尤其是在初期,看起來似乎無關緊要、微乎其微,然而確實又是那麼相當地重要。你自己實際上就是其中的一名超級英雄,幫助挽救了成千上萬人的寶貴生命。

為什麼這麼說呢?正是由於你,如通過洗手、戴口罩、進行安全的個人防範措施、加上醫療人員與社會的共同努力等,從而避免了從你開始的指數般的惡性爆炸式的傳染,從而幫助挽救了其它成千上萬人的寶貴生命。

有那麼一天,如此重大的戰「疫」最後終能取得全面的勝利。醫療人員巡邏在抗「疫」的邊防線、在前線站崗值班,你固守在家園。勝利果裡有醫療人員的甘甜,也有你的甘甜。抗「疫」軍功章呵,雖然沒有你的一半,但確實有你的一份子。

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