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Erschienen in: Jahresbericht der Deutschen Mathematiker-Vereinigung 3/2020

Open Access 29.06.2020 | Survey Article

On COVID-19 Modelling

verfasst von: Robert Schaback

Erschienen in: Jahresbericht der Deutschen Mathematiker-Vereinigung | Ausgabe 3/2020

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Abstract

This is an analysis of the COVID-19 pandemic by comparably simple mathematical and numerical methods. The final goal is to predict the peak of the epidemic outbreak per country with a reliable technique. The difference to other modelling approaches is to stay extremely close to the available data, using as few hypotheses and parameters as possible.
For the convenience of readers, the basic notions of modelling epidemics are collected first, focusing on the standard SIR model. Proofs of various properties of the model are included. But such models are not directly compatible with available data. Therefore a special variation of a SIR model is presented that directly works with the data provided by the Johns Hopkins University. It allows to monitor the registered part of the pandemic, but is unable to deal with the hidden part. To reconstruct data for the unregistered Infected, a second model uses current experimental values of the infection fatality rate and a data-driven estimation of a specific form of the recovery rate. All other ingredients are data-driven as well. This model allows predictions of infection peaks.
Various examples of predictions are provided for illustration. They show what countries have to face that are still expecting their infection peak. Running the model on earlier data shows how closely the predictions follow the transition from an uncontrolled outbreak to the mitigation situation by non-pharmaceutical interventions like contact restrictions.

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Jahresbericht der Deutschen Mathematiker-Vereinigung

Der „Jahresbericht der Deutschen Mathematiker-Vereinigung (DMV)“ versteht sich als ein Schaufenster für Mathematik. In Übersichtsartikeln und Berichten aus der Forschung soll für möglichst viele LeserInnen verständlich und interessant über aktuelle und wichtige Entwicklungen der Mathematik berichtet werden.

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Fußnoten
1
Original text in German, April 16th: Schnelle Modelle, die dem Abgleich mit der Wirklichkeit standhalten, sind eine wichtige Voraussetzung, das Land politisch durch die Seuche zu steuern.
 
Literatur
4.
Zurück zum Zitat Dehning, J., Zierenberg, J., Spitzner, P., Wibral, M., Pinheiro Neto, J., Wilczek, M., Priesemann, V.: Inferring covid-19 spreading rates and potential change points for case number forecasts (May 4th (2020). arXiv:2004.01105v2 Dehning, J., Zierenberg, J., Spitzner, P., Wibral, M., Pinheiro Neto, J., Wilczek, M., Priesemann, V.: Inferring covid-19 spreading rates and potential change points for case number forecasts (May 4th (2020). arXiv:​2004.​01105v2
5.
Zurück zum Zitat Ferguson, N., Laydon, D., Nedjati-Gilani, G., Imai, N., Ainslie, K., Baguelin, M., Bhatia, S., Boonyasiri, A., Cucunubá, Z., Cuomo-Dannenburg, G., Dighe, A., Dorigatti, I., Fu, H., Gaythorpe, K., Green, W., Hamlet, A., Hinsley, W., Okell, L., van Elsland, S., Thompson, H., Verity, R., Volz, E., Wang, H., Wang, Y., Walker, P., Walters, C., Winskill, P., Whittaker, C., Donnelly, C., Riley, S., Ghani, A.: Impact of non-pharmaceutical interventions (NPIs) to reduce COVID-19 mortality and healthcare demand. Imperial College London (16-03-2020). https://doi.org/10.25561/77482 Ferguson, N., Laydon, D., Nedjati-Gilani, G., Imai, N., Ainslie, K., Baguelin, M., Bhatia, S., Boonyasiri, A., Cucunubá, Z., Cuomo-Dannenburg, G., Dighe, A., Dorigatti, I., Fu, H., Gaythorpe, K., Green, W., Hamlet, A., Hinsley, W., Okell, L., van Elsland, S., Thompson, H., Verity, R., Volz, E., Wang, H., Wang, Y., Walker, P., Walters, C., Winskill, P., Whittaker, C., Donnelly, C., Riley, S., Ghani, A.: Impact of non-pharmaceutical interventions (NPIs) to reduce COVID-19 mortality and healthcare demand. Imperial College London (16-03-2020). https://​doi.​org/​10.​25561/​77482
6.
Zurück zum Zitat Friston, K.J., Parr, T., Zeidman, P., Razi, A., Flandin, G., Daunizeau, J., Hulme, O.J., Billig, A.J., Litvak, V., Moran, R.J., Price, C.J., Lambert, C.: Dynamic causal modelling of covid-19. (April 9th, 2020) Friston, K.J., Parr, T., Zeidman, P., Razi, A., Flandin, G., Daunizeau, J., Hulme, O.J., Billig, A.J., Litvak, V., Moran, R.J., Price, C.J., Lambert, C.: Dynamic causal modelling of covid-19. (April 9th, 2020)
10.
11.
12.
Zurück zum Zitat Kermack, W., McKendrick, A.: A contribution to the mathematical theory of epidemics. Proc. R. Soc. A 115, 700–721 (1927) MATH Kermack, W., McKendrick, A.: A contribution to the mathematical theory of epidemics. Proc. R. Soc. A 115, 700–721 (1927) MATH
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Zurück zum Zitat Mohring, J., Wegener, R., Gramsch, S., Schöbel, A.: Prognosemodelle für die Corona-Pandemie. Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM Kaiserslautern (April 29th, 2020). https://www.itwm.fraunhofer.de/content/dam/itwm/de/documents/PressemitteilungenPDF/2020/ 20200429_Bericht_Prognosemodelle-für-die-Coronapandemie.pdf Mohring, J., Wegener, R., Gramsch, S., Schöbel, A.: Prognosemodelle für die Corona-Pandemie. Fraunhofer-Institut für Techno- und Wirtschaftsmathematik ITWM Kaiserslautern (April 29th, 2020). https://​www.​itwm.​fraunhofer.​de/​content/​dam/​itwm/​de/​documents/​Pressemitteilung​enPDF/​2020/​ 20200429_Bericht_Prognosemodelle-für-die-Coronapandemie.pdf
18.
19.
Zurück zum Zitat Sentker, A.: Bloß raus hier! DIE ZEIT, p. 20 (2020). April 16th, 2020, Sentker, A.: Bloß raus hier! DIE ZEIT, p. 20 (2020). April 16th, 2020,
20.
Zurück zum Zitat Streeck, H., Schulte, B., Kuemmerer, B., Richter, E., Hoeller, T., Fuhrmann, C., Bartok, E., Dolscheid, R., Berger, M., Wessendorf, L., Eschbach-Bludau, M., Kellings, A., Schwaiger, A., Coenen, M., Hoffmann, P., Noethen, M., Eis-Huebinger, A.M., Exner, M., Schmithausen, R., Schmid, M., Hartmann, G.: Infection fatality rate of SARS-CoV-2 infection in a German community with a super-spreading event (May 8th, 2020). https://doi.org/10.1101/2020.05.04.20090076 Streeck, H., Schulte, B., Kuemmerer, B., Richter, E., Hoeller, T., Fuhrmann, C., Bartok, E., Dolscheid, R., Berger, M., Wessendorf, L., Eschbach-Bludau, M., Kellings, A., Schwaiger, A., Coenen, M., Hoffmann, P., Noethen, M., Eis-Huebinger, A.M., Exner, M., Schmithausen, R., Schmid, M., Hartmann, G.: Infection fatality rate of SARS-CoV-2 infection in a German community with a super-spreading event (May 8th, 2020). https://​doi.​org/​10.​1101/​2020.​05.​04.​20090076
21.
Zurück zum Zitat Verity, R., Okell, L.C., Dorigatti, I., Winskill, P., Whittaker, C., Imai, N., Cuomo-Dannenburg, G., Thompson, H., Walker, P.G.T., Fu, H., Dighe, A., Griffin, J.T., Baguelin, M., Bhatia, S., Boonyasiri, A., Cori, A., Cucunubá, Z., FitzJohn, R., Gaythorpe, K., Green, W., Hamlet, A., Hinsley, W., Laydon, D., Nedjati-Gilani, G., Riley, S., van Elsland, S., Volz, E., Wang, H., Wang, Y., Xi, X., Donnelly, C.A., Ghani, A.C., Ferguson, N.M.: Estimates of the severity of coronavirus disease 2019: a model-based analysis, (June 1st, 2020). https://doi.org/10.1016/S1473-3099(20)30243-7 Verity, R., Okell, L.C., Dorigatti, I., Winskill, P., Whittaker, C., Imai, N., Cuomo-Dannenburg, G., Thompson, H., Walker, P.G.T., Fu, H., Dighe, A., Griffin, J.T., Baguelin, M., Bhatia, S., Boonyasiri, A., Cori, A., Cucunubá, Z., FitzJohn, R., Gaythorpe, K., Green, W., Hamlet, A., Hinsley, W., Laydon, D., Nedjati-Gilani, G., Riley, S., van Elsland, S., Volz, E., Wang, H., Wang, Y., Xi, X., Donnelly, C.A., Ghani, A.C., Ferguson, N.M.: Estimates of the severity of coronavirus disease 2019: a model-based analysis, (June 1st, 2020). https://​doi.​org/​10.​1016/​S1473-3099(20)30243-7
Metadaten
Titel
On COVID-19 Modelling
verfasst von
Robert Schaback
Publikationsdatum
29.06.2020
Verlag
Springer Berlin Heidelberg
Erschienen in
Jahresbericht der Deutschen Mathematiker-Vereinigung / Ausgabe 3/2020
Print ISSN: 0012-0456
Elektronische ISSN: 1869-7135
DOI
https://doi.org/10.1365/s13291-020-00219-9