Numerical approach to solve Caputo‐Fabrizio‐fractional model of corona pandemic with optimal control design and analysis

数学 最优控制 独特性 应用数学 基本再生数 数学优化 分数阶微积分 庞特里亚金最小原理 最大值原理 流行病模型 数学分析 社会学 人口学 人口
作者
Asma Hanif,Azhar Iqbal Kashif Butt,Waheed Ahmad
出处
期刊:Mathematical Methods in The Applied Sciences [Wiley]
卷期号:46 (8): 9751-9782 被引量:34
标识
DOI:10.1002/mma.9085
摘要

In this manuscript, we have studied the dynamical behavior of a deadly COVID‐19 pandemic which has caused frustration in the human community. For this study, a new deterministic SEIHR fractional model is developed for the first time. The purpose is to perform a complete mathematical analysis and the design of an optimal control strategy for the proposed Caputo–Fabrizio fractional model. We have proved the existence and uniqueness of solutions by employing principle of mathematical induction. The positivity and the boundedness of solutions is proved using comprehensive mathematical techniques. Two main equilibrium points of the pandemic model are stated. The basic reproduction number for the model is computed using next generation technique to handle the future dynamics of the pandemic. We develop an optimal control problem to find the best controls for the quarantine and hospitalization strategies employed on exposed and infected humans, respectively. For numerical solution of the fractional model, we implemented the Adams–Bashforth method to prove the importance of order. A general fractional‐order optimal control problem and associated optimality conditions of Pontryagin type are discussed, with the goal to minimize the number of exposed and infected humans. The extremals are obtained numerically.

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