Optimal control and dynamics of a nonlocal diffusion SVIR epidemic model

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作者
Qian Zhao,Bin Liu,Guoqiang Ren
出处
期刊:Mathematical Control and Related Fields [American Institute of Mathematical Sciences]
卷期号:15 (2): 809-834
标识
DOI:10.3934/mcrf.2024046
摘要

The mission of this paper is dealing with an optimal control and dynamics problems for an SVIR epidemic model. First, we define a threshold value $ R_0 $ which determines the dynamical behavior of system (1). When $ R_0<1 $, all solutions of system (1) converge to the disease-free equilibrium point $ (\underline{S}, \underline{V}, 0 , 0) $, while for $ R_0>1 $, all solutions converge to the endemic equilibrium point $ (\overline{S}, \overline{V}, \overline{I}, \overline{R}) $, and it is globally asymptotically stable. Subsequently, we characterize an optimal control problem (3)-(7) with two control strategies (non-constant vaccination convergence rate and medication). The existence and uniqueness of solutions of system (13) are demonstrated via the Banach fixed point theorem. With the method of extracting a minimizing sequence, we get the existence of the optimal pair. Furthermore, by proving the differentiability of the control-to-state mapping, we derive the first-order necessary optimality condition and point out that the optimal is a Bang-Bang control in a special case. Finally, we perform a numerical experiment in MATLAB to illustrate the practical application of the theoretical results obtained in this contribution.
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