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数学家们站在抗击新冠疫情的第一线

20世纪的标志是重大的科学技术突破:核能, DNA测序, 航天工业的发展, 先进的天气预报, 在许多其他杰出的例子中. 所有这些发现都要归功于一种新的科学十大正规网投平台方法,即使用复杂的计算机系统来模拟宇宙的物理定律. 高性能计算(HPC)现在已经成为解决现代挑战的基本工具, 比如金融市场建模, 药物发现, 制定Covid-19大流行应对战略.

用户头像 但丁Kalise
应用数学助理教授

在最近 UKRI项目, 和华威大学的同事们一起, 十大正规网堵平台正在十大正规网投平台使用高性能计算来确定优化, 本地锁定策略. 经验和计算证据都表明,优化封锁可有效减轻大流行对卫生的影响. 然而,长期封锁, 具有很高的社会和经济影响, 有可能引发严重的经济动荡,造成不可预见的后果. 通过利用超级计算机的力量, 十大正规网堵平台可以通过确定最佳隔离方案来防止这种情况, 在保证国民医疗服务体系运作的同时将经济影响降至最低.

但, 十大正规网堵平台如何将复杂的数学模型与计算和数据集成在一起, 生成预测并触发基于分析的决策?

将复杂的数学模型与处理大量数据的能力相结合,使十大正规网堵平台能够预测未来并做出更好的决策.

十大正规网堵平台用一个个人最喜欢的例子来说明这个观点:天气预报. 拿天气预报开玩笑已经是家常便饭了, 然而,过去100年数字天气预报背后的故事令人惊叹. 预测天气的幻想已经伴随人类几个世纪了. 然而, 直到1904年, 维尔海姆·比杰克斯, 卑尔根气象学院的创始人, 提出了一种系统的流体动力学方法, 这离现实越来越近了.

Bjerknes确定了一组方程, 即原始方程, 还有一些物理变量,比如风, 压力, 温度是大气状态和演化的特征. 这种模式可产生准确的天气预报, with two vital ingredients: a complete set of observations describing the current state of the atmosphere; and sufficient computational power to calculate the primitive equations.

“理论和实验/观察与计算相辅相成的想法, 一次革命, 已经成为十大正规网堵平台现代信息社会的基础之一."
但丁Kalise博士

然而,在1904年,气象站很少,数字计算机也不存在. 在他1922年的书中 用数值方法预报天气, 英国数学家,数值天气预报的先驱, 刘易斯·弗莱·理查森, 估计需要60个,000人使用计算尺——一种老式的机械计算设备——在明天的天气真正到来之前预测天气. 不到二十年, 天气预报已经从巫术转变过来, 到一个物理上有意义但仍然无法到达的计算.

In 1950, 约翰和Klára Dán冯·诺伊曼使用了ENIAC——世界上第一台可编程数字计算机, 在美国制造-生产出第一个成功的 . 在接下来的70年里, 超级计算机的发展伴随着越来越多的测量(卫星图像), 飞机的记录, 和气象气球)提高了操作天气预报系统的准确性 25 - 85%, 36小时预报.

然而, 在Covid-19大流行期间, 旅行禁令已经导致数千架飞机停飞, 这样一来,数值天气预报就失去了重要的数据来源. 最近的一篇论文 地球物理十大正规网投平台快报 报告称,由于空中交通观测数据减少了一半以上,大流行期间天气预报的准确性大幅下降, 说明了问题的复杂性.

在计算的同时补充理论和实验/观察的想法, 一次革命, 已经成为十大正规网堵平台现代信息社会的基础之一. 这种“新的科学方法”的一个根本优势是数学建模和计算提供的抽象框架.

天气预报先驱所遵循的方法与十大正规网堵平台抗击Covid-19的项目所使用的方法相同. 十大正规网堵平台为大流行的时空演变建立了数学模型, 为了估算基本的繁殖数量, 或者预测封锁等公共政策的影响, 疫苗接种程序, 或者卫生护照. 然后将公共医疗数据输入数学模型, 从手机活动中收集的移动数据, 甚至是宏观经济价值来解释失业率和生产率. 这些数据库中的许多都缩小到英格兰的300个地方当局区, 造成了一个计算复杂度极高的问题.

高性能计算是十大正规网堵平台抗击病毒的强大而不可或缺的工具. 它可以在几个小时内计算出本地化的锁定策略. 随着新的数据不断进入循环, 重新校准模型, 作出新的预测, 政策修改. 十大正规网堵平台做这项十大正规网投平台的数学信念是,十大正规网堵平台创建的方法将比大流行持续更久,并将用于预测其他复杂系统,在这些系统中,其演变可以与模型和测量相关联. 希望, 从这种制造科学的新方法中,也出现了一种由数据驱动的敏捷决策的新方法, 建模与计算.

政策与参与十大正规网投平台所

本博客是政策与参与十大正规网投平台所关于大学对Covid-19工作的持续十大正规网投平台贡献的系列文章的一部分.

写的:
但丁Kalise
应用数学助理教授

但丁Kalise博士是数学科学学院应用数学助理教授.

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