I nte rna t io na l J o urna l o f   P u bli H ea lt h Science   ( I J P H S)   Vo l.   14 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 2 5 ,   p p .   1 1 3 7 ~ 1 150   I SS N:  2 2 5 2 - 8 8 0 6 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp h s . v 1 4 i3 . 2 5 8 9 9          1137     J o ur na l ho m ep a g e h ttp : // ijp h s . ia esco r e. co m   G lo ba l stability  of  SEIM  t ube rculo s is mo del wit h t wo  inf ec tion  pha ses  and medic a tion eff e cts       J o v ia n Dia n P ra t a ma ,   Anin dita   H enind y a   P er m a t a s a ri   D e p a r t me n t   o f   M a t h e m a t i c s,   F a c u l t y   o f   S c i e n c e   a n d   M a t h e ma t i c s,  D i p o n e g o r o   U n i v e r si t y ,   S e m a r a n g ,   I n d o n e si a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Sep   1 5 ,   2 0 2 4   R ev is ed   Dec   1 6 ,   2 0 2 4   Acc ep ted   Ma r   6 ,   2 0 2 5       Tu b e rc u l o sis  (TB) ,   c a u se d   b y   m y c o b a c ter iu m   tu b e rc u lo sis   (M TB) ,   re m a in a   sig n ifi c a n t   g l o b a h e a lt h   issu e ,   le a d in g   to   h i g h   m o rb i d it y   a n d   m o rt a li ty   ra tes   d e sp it e   b e i n g   a   p re v e n ta b le  a n d   c u ra b le  d ise a se .   Th e   d y n a m i c o TB   tran sm issio n   a n d   th e   e ffe c ts  o t re a tme n a re   c rit ica to   imp r o v i n g   d ise a se   m a n a g e m e n t.   Th is  stu d y   a ims   to   a n a ly z e   th e   g lo b a sta b il it y   o a   s u sc e p ti b le,   e x p o se d ,   i n fe c ted ,   m e d ica ted   (S EIM )   m o d e f o TB  tr a n sm issio n ,   in c o rp o ra ti n g   t h e   e ffe c ts  o m e d ica ti o n   a n d   in fe c ti o n   p h a se o n   d ise a se   p ro g re ss io n .   d e term in isti c   S EI M   m o d e is   p r o p o se d ,   d i v i d in g   th e   p o p u latio n   in to   f o u c o m p a rtme n ts:  su sc e p ti b le,  e x p o se d ,   i n fe c ted ,   a n d   m e d i c a ted .   Th e   m o d e a c c o u n ts  f o trea tme n e ffe c ts,  in c lu d i n g   n o n - p e rm a n e n im m u n it y   a n d   th e   p o ten ti a d o rm a n c y   o M T B.   S ta b il it y   a n a ly sis   wa c o n d u c ted   u si n g   Ly a p u n o v   fu n c ti o n to   e v a l u a te  e q u il ib r iu m   p o in ts,  a n d   t h e   b a sic   re p ro d u c ti o n   n u m b e ( 0 )   wa d e riv e d   to   d e term in e   d ise a se   d y n a m ics .   Th e   a n a ly sis   re v e a ls  th a wh e n   0 < 1 ,   th e   sy ste m   is  g lo b a ll y   a sy m p t o ti c a ll y   sta b le  a th non - e n d e m ic  e q u il i b riu m ,   in d ica t in g   d ise a se   e ra d ica ti o n .   C o n v e rse ly ,   wh e n   0 > 1 ,   th e   sy ste m   c o n v e rg e to   th e   e n d e m ic  e q u il ib ri u m ,   sig n ify i n g   su sta in e d   tran sm issio n   with in   t h e   p o p u latio n .   T h e se   fin d i n g h ig h li g h t h e   c rit ica ro le  o f   trea tme n a n d   i n fe c ti o n   d y n a m ics   i n   c o n tr o ll i n g   TB   sp re a d .   T h e   S EIM   m o d e l   p r o v i d e a   c o m p re h e n siv e   fra m e wo rk   f o u n d e rsta n d i n g   T B   tran sm issio n   d y n a m ics   a n d   e m p h a siz e th e   imp o rtan c e   o re d u c in g   ( 0 )   th ro u g h   e ffe c ti v e   p u b li c   h e a lt h   in ter v e n ti o n s.  F u rt h e re se a rc h   is  re c o m m e n d e d   to   v a li d a te  th e   m o d e with   e m p iri c a d a ta  a n d   e x p l o re   it s   a p p li c a b il i ty   i n   d iffere n e p id e m i o lo g ica se tt in g s.   K ey w o r d s :   B asic r ep r o d u ctio n   n u m b er   Glo b al  s tab ilit y   an aly s is   SEI m o d el   T r an s m is s io n   m o d el   T u b er cu l o s is   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   An in d ita  Hen in d y Per m atasar i   Dep ar tm en t o f   Ma th em atics,  Facu lty   o f   Scien ce   a n d   Ma th em atics,  Dip o n eg o r o   Un iv er s ity   Pro f .   J ac o b   R ais Stre et,   T em b alan g ,   Sem ar an g   5 0 2 7 5 ,   C en tr al  J av a,   I n d o n esia   E m ail:  an in d itah en in d y a@ lectu r er . u n d ip . ac . id       1.   I NT RO D UCT I O N   T u b er cu l o s is   ( T B ) ,   ca u s ed   b y   Myco b a cteriu tu b ercu lo s is   ( MT B ) ,   r em ain s   o n o f   th m o s t p r ess in g   g lo b al  h e alth   co n ce r n s .   T h is   i n f ec tio u s   d is ea s p r e d o m in a n t ly   af f ec ts   th e   lu n g s   ( p u lmo n a r tu b ercu lo s is )   b u ca n   s p r ea d   to   o t h er   b o d y   p a r ts   ( ex tr a p u lmo n a r tu b ercu l o s is ) ,   p r esen tin g   s ig n if ican p u b li h ea lth   ch allen g e.   MT B   th r iv es  in   t is s u es   with   h ig h   b lo o d   an d   o x y g en   co n ce n t r atio n s ,   an d   its   s lo w - g r o win g   n atu r co m p licates  d iag n o s is   an d   t r ea tm en t   [ 1 ] .   T B   ex is ts   in   two   d is tin ct  p h ases laten an d   ac tiv e.   L aten T B   in f ec tio n ,   ch ar ac ter ized   b y   th ab s en ce   o f   m icr o b io lo g ical,   r ad io lo g ical,   an d   clin ical  s y m p to m s ,   p o s es  n o   im m ed iate   th r ea t o f   tr an s m is s io n   [ 2 ] ,   [ 3 ] .   Ho wev er ,   with o u t a p p r o p r iate  tr ea tm en t,  5 - 1 5 o f   laten t c as es m ay   p r o g r ess   to   ac tiv T B ,   wh ich   is   h ig h ly   in f ec tio u s   an d   ass o ciate d   with   s y m p to m s   s u ch   as  p r o lo n g e d   co u g h ,   f e v er ,   weig h t   lo s s ,   an d   n ig h t swea ts   [ 4 ] - [ 6 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 8 0 6   I n t J Pu b lic  Hea lth   Sci ,   Vo l.  14 ,   No .   3 Sep tem b er   20 25 1 1 3 7 - 1 1 5 0   1138   Desp ite  ad v an ce m en ts   in   T B   m an ag em en t,  th d is ea s claim ed   ap p r o x im ately   1 . 5   m illi o n   liv es  in   2 0 2 2 ,   r ef lectin g   a   p er s is ten b u r d en   o n   g lo b al  h ea lth   s y s tem s   [ 7 ] ,   [ 8 ] .   W h ile  T B   is   cu r a b le  with   ea r ly   d iag n o s is   an d   co m p r eh en s iv tr ea tm en t,   ch allen g es  r em ain ,   p ar ticu lar ly   in   er ad icatin g   laten T B   an d   m an ag in g   ac tiv e   in f ec tio n s .   T r ea tm e n r eg im e n s   f o r   ac tiv e   T B ,   in clu d i n g   co m b in atio n   o f   d r u g s   lik e   is o n iazid ,   r if am p i n ,   eth am b u to l,   an d   p y r az in am id e ,   ar e f f ec tiv b u ca r r y   r is k s   s u ch   as  d r u g   to x icity   [ 9 ] - [ 1 4 ] .   T h ese  s id ef f ec ts ,   in clu d in g   n a u s ea ,   v is io n   im p ai r m en t,  a n d   s ev er e   co m p licatio n s   at  h i g h   d o s es,  h i g h lig h t   th e   n ee d   f o r   im p r o v e th er ap eu tic  s tr ateg ies [ 1 5 ] ,   [ 1 6 ] .   T h d y n am ics  o f   T B   tr an s m is s io n ,   p ar ticu lar ly   th tr an s itio n   b etwe en   laten an d   ac tiv p h ases ,   r em ain   co m p lex   an d   u n d er e x p lo r e d .   E x is tin g   m ath em atica m o d el s   o f ten   o v er l o o k   c r itical  f ac to r s   s u ch   as  v ar y in g   in f ec tio n   p h a s es,  th ef f ec ts   o f   tr ea tm en t,   an d   th r is k   o f   d r u g   to x icity .   T h is   g ap   i n   u n d er s tan d in g   lim its   th e   d ev elo p m e n t o f   e f f ec tiv p u b l ic  h ea lth   in ter v e n tio n s .   T h is   p ap er   in tr o d u ce s   d eter m in is tic  s u s ce p tib le,   ex p o s ed ,   in f ec ted ,   m ed icate d   ( SEI M )   m o d el  to   an aly ze   T B   tr an s m is s io n   d y n a m ics.  Un lik p r ev io u s   s tu d ies,  th is   m o d el  in co r p o r ates two   p h ases   o f   in f ec tiv ity   ( laten t a n d   ac tiv e   T B ) ,   ac co u n ts   f o r   b o t h   s lo an d   r ap id   T B   p r o g r ess io n ,   an d   e v alu ates th e   im p ac t o f   ef f ec tiv e   tr ea tm en o n   d is ea s d y n am ics.  T h m o d el  al s o   co n s id er s   p o ten tial  o u tco m es  o f   m ed icatio n ,   in clu d in g   MT B   er ad icatio n ,   d o r m an cy   in d u ctio n ,   a n d   ad v e r s d r u g   r ea ctio n s .   Usi n g   L y a p u n o v   f u n ctio n s ,   t h s tu d y   in v esti g ates  th g lo b al  s tab ilit y   o f   en d em ic  an d   n o n - e n d em ic  eq u ilib r i u m   p o in ts ,   p r o v id i n g   n ew  in s ig h ts   in to   T B   co n tr o s tr ateg ies.  B y   ad d r ess in g   th ese  d y n am ics,  th s tu d y   o f f er s   n o v el  f r am ewo r k   f o r   u n d er s tan d in g   an d   m itig atin g   T B   tr an s m is s io n   [ 1 7 ] - [ 1 9 ] .       2.   M E T H O D   2 . 1 .     M o del  f o r m ula t io n   T h i s   s t u d y   d e v e l o p s   a   d e t e r m i n i s ti c   m a t h e m a ti c a l   m o d e l   t o   a n a l y z e   t u b e r c u l o s i s   ( T B )   d y n a m i c s   b y   c o n s i d e r i n g   f o u r   p o p u l a t i o n   c o m p a r t m e n t s s u s c e p t i b l e   ( S ) ,   ex p o s e d   ( E ) ,   i n f e c t e d   ( I ) ,   a n d   m e d i c a t e d   ( M ) .   T h p r i m a r y   o b j e c t i v e   i s   t o   a s s es s   th e   s t a b i li t y   o f   e q u i l i b r i u m   p o i n t s   a n d   e v a l u a t e   t h e   i n f l u e n c e   o f   k e y   p a r a m e t e r s   o n   T B   t r a n s m is s i o n .   T h e   m at h e m a t i c a m o d e l   i s   r e p r e s e n te d   b y   a   s y s t e m   o f   d i f f e r e n t i al   e q u a ti o n s   t h a d e s c r i b e   t h c h a n g e s   i n   e a c h   p o p u l a t i o n   c o m p a r t m e n t   a s :   -   D i f f e r e n t i al   e q u a t i o n s :       =   + ( 1 )       =  +  ( + )       = ( 1 )  +  ( + + )       =  ( + + )       Her e,   = + + +   r ep r esen ts   th to tal  p o p u latio n   s ize.   -   V a r i a b l es   a n d   p a r a m e t e r s :   =   Nu m b er   o f   s u s ce p tib le  in d i v id u als.   =   Nu m b er   o f   ex p o s ed   in d iv id u a ls .   =   Nu m b er   o f   in f ec te d   in d iv i d u a ls .   =   Nu m b er   o f   in d i v id u als r ec eiv i n g   m ed icatio n .   =   C o n tact  r ate  o f   in f ec tio n .   =   R ec r u itm en t r ate  o f   n ew  in d iv id u als in to   th s u s ce p tib le  co m p ar tm en t.   =   Natu r al  d ea th   r ate.   =   R ate  o f   p r o g r ess io n   to   ac tiv T B   f r o m   th e x p o s ed   s tate.   =   Me d icatio n   r ate.   =   Dea th   r ate  d u t o   T B .   =   T r an s itio n   r ate  f r o m   m e d icatio n   to   s u s ce p tib le  o r   ex p o s ed   s tates.   =   Dea th   r ate  d u t o   co m p licatio n s   f r o m   m e d icatio n .   =   Pro p o r tio n   o f   p atien ts   wh o   en ter   d o r m an t state.     2 . 2 .     A n a l y s is   t e ch ni qu e   T o   a n a l y z e   t h e   s t a b il i t y   o f   e q u i l i b r i u m   p o i n ts ,   w e   u s e   L y a p u n o v   f u n c t i o n   t e c h n i q u e s .   T h e   a n a l y s is   is   c o n d u c t e d   f o r   t w o   p r i m a r y   e q u i l i b r i u m   p o i n ts :   a.   N o n - e n d e m i c   e q u i l i b r i u m   p o i n t :   A c h i e v e d   w h e n   0 < 1 ,   i n d i c a ti n g   th e   d i s e as e - f r e e   s t a t e .   b.   E n d e m i c   e q u i l i b r i u m   p o i n t:   A ch i e v e d   w h e n   0 > 1 ,   s i g n i f y i n g   t h e   p er s i s t e n c e   o f   T B   w it h i n   t h e   p o p u l a t i o n .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Pu b lic  Hea lth   Sci     I SS N:   2252 - 8 8 0 6       Glo b a l sta b ilit o f S E I M tu b ercu lo s is   mo d el  w ith   tw o   in fecti o n   p h a s es     ( Jo via n   Dia n   P r a ta ma )   1139   L y ap u n o v   f u n ctio n   tec h n iq u es a r em p lo y e d   to   p r o v t h g lo b al  s tab ilit y   o f   th es eq u ilib r iu m   p o in ts ,   d eter m in in g   w h eth er   th s o lu t io n s   co n v er g to   th ese  p o in ts   o v er   tim e.   T h b asic  r ep r o d u c tio n   n u m b er   0   is   co m p u ted   to   e v alu ate  th e   p o ten tial  f o r   T B   s p r ea d   with in   t h p o p u latio n .   0   is   ca lcu lated   u s in g   th e   n ex t - g en er atio n   m atr ix   ap p r o a c h :     0 =  ( + + ) ( ( 1 ) ( + ) +  ) [ ( + ) ( + + ) ( + + ) ]       An   0   v alu less   th an   o n i n d ica tes  th at  th d is ea s will  d ec lin e,   wh ile  an   0   v alu g r ea ter   th a n   o n s u g g est s   th p o ten tial f o r   en d em icity .     2 . 3 .     Num er ic a s im ula t io ns   Nu m er ical  s im u latio n s   ar e   p er f o r m ed   to   e v alu ate  t h im p ac t   o f   k ey   p ar am ete r s   o n   T B   tr an s m is s io n .   T h m o d el  is   im p lem en ted   u s in g   m ath em atica s o f twar to   s im u late  r e al - wo r ld   s ce n ar io s .   Nu m er ical   s im u latio n s   ar p er f o r m e d   to   e v alu ate  th in f lu en ce   o f   m o d el   p ar am eter s   o n   T B   d y n a m ics.  T h s im u latio n s   ar im p lem en ted   u s in g   m ath em ati ca s o f twar b ased   o n   p a r am e ter   v alu es  d er iv ed   f r o m   r elev a n ep id em io lo g ical  s tu d ies.  Key   p ar am eter s ,   s u ch   as  in f ec tio n   r ates,  co n tact  r ates ,   an d   m e d icatio n   r ates,  ar ta k e n   f r o m   th liter atu r e   to   en s u r r ea lis m   an d   r eliab il ity   in   th s im u latio n s .   s en s itiv ity   an aly s is   is   co n d u cted   to   d eter m in e   h o w   v ar iatio n s   in   m o d el   p ar a m eter s ,   s u ch   as    ( c o n tact  r ate)   an d     ( m ed icatio n   r ate) ,   af f ec 0   an d   T B   tr an s m is s io n .   T h is   an aly s is   h elp s   id en tify   th m o s t c r itical  f ac to r s   in f lu en c in g   d is ea s co n tr o l.     2 . 4 .     M o del  v a lid a t io n,  i m pli ca t io ns ,   a nd   re co mm enda t io ns   Mo d el  v alid atio n   is   ca r r ied   o u t b y   co m p ar in g   s im u latio n   r esu lts   with   ac tu al  e p id em io lo g ical  d ata  a n d   p r ev io u s   s tu d ies.  T h is   en s u r es  th at  th d ev elo p ed   m o d el  ac cu r ately   r ef lects  T B   d y n am ics.  T h r esu lts   f r o m   th is   m o d el  p r o v id in s ig h ts   in to   e f f ec tiv T B   co n tr o s tr ateg ies.  B ased   o n   th an aly s is ,   it  i s   r ec o m m en d ed   t h at  p u b lic   h ea lth   p o licies  f o cu s   o n   r ed u c in g   th f r e q u en cy   o f   co n tact  b etwe en   v u ln e r ab le  an d   in f ec t ed   in d iv id u als  an d   im p r o v in g   m ed icatio n   ad h er en ce .   T h m o d el  r esu lts   o f f er   v alu ab le  in s ig h ts   f o r   T B   co n tr o l stra teg ies.  E f f ec tiv in ter v en tio n s   i n clu d e:   a.   R ed u cin g   co n tact  r ates b etwe en   v u ln e r ab le  an d   in f ec ted   in d i v id u als.   b.   E n h an cin g   m ed icatio n   ad h e r e n ce   to   lim it T B   p r o g r ess io n   an d   tr an s m is s io n .   Pu b lic  h ea lth   p o licies s h o u ld   in co r p o r ate  th ese  f in d in g s   to   s t r en g th en   T B   er ad icatio n   e f f o r t s .       3.   RE SU L T S AN D I SCU SS I O N   T h p r o p o s ed   SEI m o d el  o f f er s   u n iq u in s ig h ts   in to   tu b er c u lo s is   ( T B )   d y n am ics  b y   f o cu s in g   o n   th e   r o le  o f   m ed icatio n   an d   its   s id ef f ec ts .   T o   co n tex tu alize   th es f in d in g s ,   th r esu lts   ar co m p ar ed   with   s im ilar   s tu d ies:   a.   SEI R   m o d els with   v ital d y n a m ics   Stu d ies  u s in g   SEI R   f r am ewo r k s   h ig h lig h t h r o le  o f   late n cy   in   d ela y in g   th s p r ea d   o f   T B .   Fo r   in s tan ce ,   r esear ch   b y   Sid et  a l .   [ 2 0 ]   em p h asizes  th eq u ilib r i u m   s tates  f o r   0 < 1   an d   0 > 1 ,   b u lack s   f o cu s   o n   tr ea tm en ef f ec ts ,   k ey   f ea tu r in   o u r   m o d el  [ 2 1 ] .   Ou r   SEI m o d el  co m p lem e n t s   th ese  f in d in g s   b y   in teg r atin g   d r u g - in d u ce d   d o r m an cy   a n d   tr an s itio n s   b etwe e n   co m p ar tm en ts ,   o f f e r in g   m o r c o m p r e h en s iv e   an aly s is   o f   tr ea tm en t im p ac t.   b.   Ag e - s tr u ctu r ed   m o d els   R esear ch   o n   ag e - s tr u ctu r ed   T B   m o d els  ex p lo r es  d if f er en tr an s m is s io n   r ates  f o r   ch ild r en   an d   ad u lts ,   o f f er in g   d etailed   s tr atif icatio n s   o f   th p o p u latio n .   Ho wev er ,   th ese  m o d els g en er ally   o v er lo o k   th co m p lex ities   o f   tr ea tm en p ath way s ,   s u ch   as  to x icity   o r   in co m p lete  r ec o v er y .   B y   co n tr as t,  o u r   r esu lts   d em o n s tr ate  h o w   m ed icatio n   in f lu en ce s   T B   d y n am ics,  p r o v id i n g   ac tio n a b le  in s ig h ts   in to   th er ap y   o p tim izatio n   [ 2 2 ] ,   [ 2 3 ] .   c.   Vac cin atio n   d y n am ics   Vac cin atio n   m o d els,  s u ch   as  t h o s p r esen ted   b y   Ald ila  et   a l.   [ 2 4 ] ,   p r im a r ily   f o cu s   o n   r ed u cin g   th e   b asic  r ep r o d u ctio n   n u m b er   ( 0 )   th r o u g h   im m u n izatio n   ca m p aig n s .   W h ile  ef f ec tiv f o r   p r ev en tio n ,   th ese  m o d els  d o   n o ev alu ate  tr ea t m en o u tco m es.  Ou r   SEI m o d el  ad d r ess es  th is   g ap   b y   q u an tify in g   m e d icatio n   ef f ec ts   an d   th eir   p o ten tial to   r e d u ce   0   th r o u g h   im p r o v e d   ad h e r en ce   an d   m in im izin g   to x icity   [ 2 5 ] .   Fro m   a   p u b lic  h ea lth   p er s p ec t iv e,   th e   r esu lts   em p h asize  th r e k ey   im p licatio n s   f o r   T B   co n tr o l.  First,  r ed u cin g   m e d icatio n   to x icity   r ates  ( )   an d   im p r o v in g   tr ea tm e n ad h er en ce   ( )   ca n   s ig n if ican tly   lo wer   0 h ig h lig h tin g   th e   n ec ess ity   f o r   s af er   an d   m o r e   ef f ec tiv e   d r u g   r e g im en s .   Seco n d ,   t h in cl u s io n   o f   d ir ec tr an s itio n s   f r o m   s u s ce p tib le  to   in f ec ted   co m p ar tm en ts   ( 1 )   s u g g ests   th n ee d   f o r   tar g eted   in ter v en tio n s   to   p r ev en r ap i d   d is e ase  p r o g r ess io n   am o n g   h i g h - r is k   p o p u latio n s .   Fin ally ,   th s tu d y   u n d e r s co r es th im p o r tan ce   o f   co m b i n in g   p r ev en tiv e   m ea s u r es,  s u ch   as  v ac cin atio n ,   with   r o b u s tr ea tm en s tr ateg ies  to   en s u r e   co m p r eh en s iv T B   co n tr o l.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 8 0 6   I n t J Pu b lic  Hea lth   Sci ,   Vo l.  14 ,   No .   3 Sep tem b er   20 25 1 1 3 7 - 1 1 5 0   1140   T o   tr a n s late  th ese  f in d in g s   in t o   ac tio n a b le  p o licies,  in v estm en ts   in   s af er   m ed icatio n s   ar e   cr u cial  to   m in im ize   to x icity - r elate d   m o r tality .   Ad d itio n ally ,   s tr en g t h en in g   h ea lth ca r s y s tem s   to   e n h an ce   tr ea t m en ad h er en ce   an d   im p lem en tin g   m u ltifa ce ted   p r ev en tio n   a n d   t r ea tm en s tr ateg ies  ar v ital  f o r   ac h ie v in g   s u s t ain ed   r e d u ctio n s   in   T B   p r ev alen ce .   T h SEI m o d el  th u s   b r id g es si g n if ican t g a p s   in   T B   m o d elin g   r esear ch ,   p r o v id in g   ac tio n ab le  in s ig h ts   th at  alig n   with   p u b lic  h ea lth   p r io r ities .     3 . 1 .     M o del f o r m ula t io n   T h r ee   c o m p ar tm e n ts   co m p r i s th tr an s m is s io n   m o d el:  s u s ce p tib le  in d iv i d u als  ( ) ,   ex p o s ed   in d iv id u als  ( th o s in f ec ted   with   .   tu b er cu lo s is   b u t   n o t   clin i ca lly   ill  an d   h en ce   n o n in f ec ti o u s )   ( ) ,   in f ec te d   in d iv id u als  ( th o s with   ac tiv T B )   ( ) ,   an d   m ed icate d   in d iv id u als  ( th o s r ec eiv in g   m ed icatio n )   ( ) .     ( ) = ( ) + ( ) + ( ) + ( )   is   th to tal  n u m b e r   o f   p eo p le  at  tim .   I n d iv id u als  in   th e   s u s ce p tib le  class   ( )   h av e   c o n tact  r ate   w ith   in f ec ted   in d iv i d u als  o f    /   ,   w h er e   0   <   1   is   th p r o b a b ilit y   o f   a   s u s ce p tib le  in d iv i d u al  b ein g   in f e cted   b y   an   in f ec ted   in d i v id u al.   T h e   r ec r u itm en r ate  in   t h s u s ce p tib le  s u b p o p u latio n   is   d en o ted   b y   .   Su s ce p tib le  in d iv id u als  ca n   b ex p o s ed   to   MTB   an d   m o v e   to   s u b p o p u lati o n     with   p r o b ab ilit y   o f   ,   wh er 0 < 1 .   Su s ce p tib le  in d i v id u als  in f e cted   with   th MT B   v ir u s   ca n   b ec o m in f ec ted   with o u f ir s b ec o m in g   an   ex p o s ed   in d iv id u al  w ith   p r o b ab ilit y   o f   ( 1 ) .   E x p o s ed   in d iv i d u als  ca n   d ev e lo p   ac tiv T B   at  th r ate  > 0 .   I n f ec ted   in d iv id u als  u n d e r g o   m ed ic atio n   at  th le v el  > 0   an d   m o v e   to   t h e   s u b p o p u latio n   M( ) .   I n f ec ted   in d iv i d u als  h a v a   r is k   o f   d e ath   f r o m   T B   d is ea s at  th r ate  > 0 ,   wh ile  th n atu r al  d ea th   r ate  in   ea ch   s u b p o p u latio n   is   > 0 .   I is   a s s u m ed   th at  ad m in is ter in g   d r u g s   to   i n d iv id u als  in f ec ted   with   T B   g iv es  th r ee   r ea ctio n s .   T h f i r s r ea ctio n   is   th at  th MT B   in   th b o d y   d is ap p ea r s   s o   th at  th in d iv id u al  will  r etu r n   to   b ei n g   s u s ce p tib le  in d iv id u al   with   r ate  ( 1 ) T h s ec o n d   r ea ctio n   is   to   m ak th ac tiv T B   v ir u s   in ac tiv ( d o r m an c y )   s o   th at  th in d iv id u al  will  r etu r n   to   b ein g   an   e x p o s ed   in d iv id u al  with   r ate   .   T h last ,   ad m in i s ter in g   d r u g s   ca n   ca u s s o m eo n to   d ie  d u to   p o is o n in g ,   liv er   d a m ag e,   o r   o v er d o s with   r ate  > 0 .   T h tr an s m is s io n   m o d el  ca n   b wr itten   as th s y s tem   o f   n o n l in ea r   d if f e r en tial e q u atio n s ,   as in   ( 1 ) .       =   + ( 1 )       =  +  ( + )       = ( 1 )  +  ( + + )       =  ( + + )     ( 1 )     Fig u r 1   d is p lay s   th e   ( 1 )   tr a n s f er   d iag r am .   T h f r ac tio n s   o f   t h class   s u s ce p tib le,   ex p o s ed ,   in f ec ted ,   an d   m ed icate d   ( d r u g g ed )   in   th p o p u latio n   ar e   r ep r esen ted ,   r esp e ctiv ely ,   b y   th v a r iab les  = = = ,   an d   = .   Ver if y in g   t h at  , , ,   an d     f u lf ill th d if f er en tial e q u atio n   s y s tem   is   s im p le,       =   + ( 1 )        =  +  ( + )       = ( 1 )  +  ( + + )       =  ( + + )   ( 2 )     s u b ject  to   th r estrictio n   + + +   =   1 .   Giv en   th at  ( 2 )   d e p icts   th h u m an   p o p u latio n ,   it is   im p er ativ to   r ev ea l th at  e v er y   s tate  v ar ia b le  is   n o n n e g ativ e.   T h f o llo win g   s u b s ec tio n   p r o v id es a n   ex p lan atio n   o f   th ese  f u n d am en tal  ch a r ac ter is tics .           Fig u r 1 .   T r an s f er   d ia g r am   f o r   d y n am ic  ( 1 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Pu b lic  Hea lth   Sci     I SS N:   2252 - 8 8 0 6       Glo b a l sta b ilit o f S E I M tu b ercu lo s is   mo d el  w ith   tw o   in fecti o n   p h a s es     ( Jo via n   Dia n   P r a ta ma )   1141   3 . 2 .     P o s it iv it y   o f   s o lutio ns   a nd   inv a ria nt  re g io n   3 . 2 . 1 .   P o s it iv it y   o f   s o lutio ns   T o   d em o n s tr ate  th e p id em io l o g ical  s ig n if ican ce   o f   t h T B   m o d el,   we  s h all  d em o n s tr ate  t h at  ev er y   v ar iab le  in   ( 2 )   is   n o n - n e g ativ e   f o r   all  tim es  > 0 .   T h is   lead s   u s   to   th f o llo win g   lem m a.   L em m 1 .   T h s o lu tio n s   ( ) , ( ) , ( ) ,   an d   ( )   o f   th e   ( 2 )   a r p o s itiv f o r   al > 0   if   ( 0 ) 0 , ( 0 ) 0 , ( 0 ) 0 ,   an d   ( 0 ) 0 .   Pro o f t h e   f ir s t   eq u atio n   o f   ( 2 )   s tates  th at  if   ( 0 ) , ( 0 ) , ( 0 ) ,   an d   ( 0 )   ar all   ze r o ,   th en    ( )  =  ( ) ( )  ( ) + ( 1 )  ( ) .   R ewr itin g   it wo u ld   lo o k   lik t h is   ( 3 ) .      ( )  +  ( ) ( ) +  ( ) = + ( 1 )  ( )      ( )  + ( ) (  ( ) + )  (  +  ( )  0 )   = ( + ( 1 )  ( ) )  (  +  ( )  0 )      ( ( )  (  +  ( )  0 )   ) = ( + ( 1 )  ( ) ) e x p (  +  ( )  0 )   ( 3 )     I n teg r atin g   b o th   s id es,  we  g et   ( 4 ) .     ( ) e xp (  +  ( )  0 ) ( 0 ) = ( + ( 1 )  ( ) ) 0 e xp (  +  ( )  0 )      ( 4 )   T h er ef o r e,   ( )   an s wer   is   ( 5 ) .     ( ) = ( 0 )  (   ( )  0 )     + e xp (   ( )  0 ) ( + ( 1 )  ( ) ) e xp (  +  ( )  0 )  0 > 0 > 0 .   ( 5)     L ik ewise,   we  m ay   d em o n s tr ate  th at  ( ) , ( ) ,   an d   ( ) > 0 .   T h u s ,   f o r   a n y   > 0 ,   th ( 2 )   s o lu tio n s   ( ) , ( ) , ( ) ,   an d   ( )   ar p o s itiv e.   So ,   we  h av ( 6 ) .      ( )    =    ( ) ( )  ( )   +   ( 1 )  ( )   .   ( 6)     R ewr itin g   it  ( 6 )   wo u ld   lo o k   lik th is  ( )  +  ( ) ( ) +  ( ) = + ( 1 )  ( ) .     3 . 2 . 2 .   I nv a ria nt  re g io n   T h b io lo g ical  im p o r tan ce   o f   o u r   ( 2 )   ca n   b d eter m in e d   b y   a n aly zin g   it  with in   s u i tab le  an d   p r ac tical  r eg io n     an d   d em o n s tr atin g   th at   th p ar am eter s   an d   v a r iab les ar n o n - n eg ativ e   f o r   all  tim es      0 .   L em m 2 .   I n   ( 2 )   p o s itiv ely   in v ar ian tly   d ef in es th f ea s ib le  r e g io n     as  ( 7 ).     Ω = { ( ( ) , ( ) , ( ) , ( ) ) + 4   0 : ( ) + ( ) + ( ) + ( ) }   ( 7)     W ith   s tar tin g   co n d itio n   ( 0 ) 0 , ( 0 ) 0 , ( 0 ) 0 , ( 0 ) 0 .   Pro o f In   ( 2 )   ar a d d ed   t o   y iel d   ( 8 ).      ( )  =  ( )  +  ( )  +  ( )  +  ( )  =  ( )  ( )  ( ) <    ( )   ( 8)     I n   ( 2 )   is   ex am in ed   to   d eter m i n th f u n d am en tal  r e p r o d u ctio n   r atio   an d   in v esti g ate  th s tab i lity   o f   b o t h   en d e m ic  an d   n o n - en d em ic   eq u ilib r iu m .   0     ( ) + ( 0 )  ,   wh er ( 0 )   r e p r esen ts   th e   s tar tin g   v alu es  o f   th e   en tire   p o p u latio n ,   f o llo ws.  T h u s ,   as    ,   0 ( ) .   T h u s ,   f o r   ( 2 ) ,   th r eg i o n   ( 7 )   is   p o s itiv ely   in v ar ian s et.   T h d y n a m ics o f   eq u atio n s   ( 2 )   o n   th r eg i o n   Ω   will b e x am in ed .     3 . 3 .     B a s ic  re pro du ct io n r a t i o   W u s th n e x t - g e n er atio n   m atr ix   to   d er iv e   th e   b asic  r e p r o d u ctio n   r atio ,   0 ,   to   an al y ze   th e   s tab ilit y   o f   n o n - en d em ic  eq u ilib r i um  [ 2 6 ] ,   [ 2 7 ] .    0 = ( , 0 , 0 , 0 )   is   th n o n - en d e m ic  eq u ilib r iu m   p o in o f   th e   ( 2 ) .   Acc o r d in g   t o   [ 2 8 ] ,   [ 2 9 ] ,   th b a s ic  r ep r o d u ctio n   r atio   0   f o r   ( 1 )   th r o u g h   ( 8 )   is   as  ( 9 ).     0 =  ( + + ) ( ( 1 ) ( + ) +  ) [ ( + ) ( + + ) ( + + ) ]   ( 9)     T h f o llo win g   s u b s ec tio n   p r esen ts   th lo ca l stab ilit y   o f   eq u ilib r iu m .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 8 0 6   I n t J Pu b lic  Hea lth   Sci ,   Vo l.  14 ,   No .   3 Sep tem b er   20 25 1 1 3 7 - 1 1 5 0   1142   3 . 4 .     G l o ba l st a bil it y   o f   no n - endem ic  equil i brium   W em p lo y   L y a p u n o v   s tab ilit y   to   d em o n s tr ate  th e   g lo b al  s tr en g th   o f   t h n o n - en d em ic  eq u ilib r iu m   p o in  0 .   T h eo r em   1   ca n   b u tili ze d   to   illu s tr ate  th e   g lo b al  s ta b ilit y   o f    0 .   T h eo r e m   1   [ 3 0 ] ,   [ 3 1 ]   s tates   th at  wh en   0 < 1   th en   eq u ilib r iu m   p o in  0   is   g lo b ally   asy m p to ticall y   s tab le Pro o f .   G iv en   th ca n d id ate   L y ap u n o v   f u n ctio n ,   as in   ( 10 ).     = 1 + 2 + 3   ( 10)     W h ich   was  m o tiv ated   b y   Sav a do go   et  a l.  [ 3 2 ]   an d   Aziz - Al ao u et  a l.   [ 3 3 ] ,   wh er 1 , 2 ,   an d   3   ar p o s itiv co n s tan ts   th at  will b f o u n d   la ter .   ̇ = 1 ̇ + 2 ̇ + 3 ̇   is   its   d er iv ativ alo n g   th s o l u tio n s   to   ( 2 ) ,   we  h av ( 1 1 ) .     ̇ = 1 (  +  ( + ) ) + 2 ( ( 1 )  +  ( + + ) )     + 3 (  ( + + ) ) .   ̇ = ( 1 ( + ) + 2 ) + ( 2 ( + + ) + 3 + 1  + 2 ( 1 )  )     + ( 1  3 ( + + ) )     ( 11)     T h co ef f icien ts   o f     ar s et  to   eq u al  ze r o   b y   th e   co n s tan ts   1   an d   2 .   C o n s eq u en tly ,   we  h av e   ( 12 ).     1 = , 2 = ( + )   ( 12)     I n   s im ilar   v ein ,   t h co n s tan 3   is   s elec ted   s o   th at  y ' s   co ef f ici en ts   eq u al  ze r o .   W o b tain   ( 1 3 ) .     3 = 1  ( + + )   ( 13)     Sin ce   1 = ,   we  h av e   ( 14 ).     3 = ( + + )   ( 14 )     Fin ally ,   we  o b tain   ( 1 5 )   a f ter   in s er tin g   in   th p o s itiv co n s tan t s   1 , 2 ,   an d   3   f r o m   ( 13 )   in   ( 14 ).     ̇ = [ ( + ) ( + + ) + ( + + ) +  + ( + ) ( 1 )  ]     ̇ = 1 ( + + ) [ ( ( 1 ) + ) ( + + ) ] [ 1 0 ]     ( 15)     As  0 ,   we  p o s s ess   ( 16 ).     ̇ ( ( 1 ) + ) ( + + ) ( + + ) [ 1 1 0 ]   ( 16 )     Mo r eo v er ,   ̇ = 0   o n ly   h o ld s   f o r   0 = 1   o r   = 0 .   T h  0   is   th g r e atest  in v ar ian s et  in   { ( , , , ) :   ̇ = 0 } .   T h L aSalle's  in v ar ian ce   p r in cip le  [ 3 4 ] - [ 3 6 ]   s tates  th at   0   is   g lo b ally   s tab le  wh en   0 < 1 .     3 . 5 .     G l o ba l st a bil it y   o f   no n - endem ic  equil i brium   T h ( 2 )   h as e n d e m ic  eq u ilib r i u m   p o i n t    = ( , , , ) ,   wh er e   ( 1 7 ) .     = 0 ,   = (  ( 1 ) + ( + + ) ( + + ) ) ( ( + ) ( + + ) ( + + ) ) ( + + ) (  + ( 1 ) ( + ) ) ( ( + ) ( + + ) ( + + ) ( 1 )  (  + ( 1 ) ( + ) ) ) ( 0 1 )   = ( ( + ) ( + + ) ( + + ) ) ( ( + ) ( + + ) ( + + ) ( 1 )  (  + ( 1 ) ( + ) ) ) ( 0 1 ) ,   =  ( ( + ) ( + + ) ( + + ) ) ( + + ) ( ( + ) ( + + ) ( + + ) ( 1 )  (  + ( 1 ) ( + ) ) ) ( 0 1 )   ( 17)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Pu b lic  Hea lth   Sci     I SS N:   2252 - 8 8 0 6       Glo b a l sta b ilit o f S E I M tu b ercu lo s is   mo d el  w ith   tw o   in fecti o n   p h a s es     ( Jo via n   Dia n   P r a ta ma )   1143   T h u s ,   th en d em ic  eq u ilib r iu m   is   p r esen wh en   0 > 1 .   L ater ,   th g lo b al  s tab ilit y   o f      is   d em o n s tr ated   u s in g   T h eo r em   2 .   T h eo r em   2 .   W h en   0 > 1 ,   th en d em ic  eq u ilib r iu m   p o in EEP   is   g lo b ally   asy m p to tically   s tab le.   Pro o f .   Fo r   th en d em ic  eq u ilib r iu m      , , ,   an d     s atis f ies  ( 1 8 ) .     + ( 1 ) = 0      +  ( + ) = 0     ( 1 ) + ( + + ) = 0     ( + + ) =   0   ( 18)     Mo tiv ated   b y   [ 3 0 ] ,   [ 3 1 ] ,   we  c o n s id er   th L y ap u n o v   f u n ctio n   as ( 1 9 ).     = ( ln ) + 1 ( ln ) + 2 ( ln ) + 3 ( ln )   ( 19)     W h er th p o s itiv co n s tan ts   1 2 ,   an d   3   ar to   b f o u n d   s u b s eq u en tly .   As  we  d if f er en tiate    co n ce r n in g     alo n g   th ( 2 )   s o lu tio n s ,   we  o b t ain   ( 2 0 ) .     ̇ = ( 1 ) ̇ + 1 ( 1 ) ̇ + 2 ( 1 ) ̇ + 3 ( 1 ) ̇     ̇ = ( 1 ) (   + ( 1 )  ) + 1 ( 1 ) (  +  ( + ) )     + 2 ( 1 ) ( ( 1 )  +  ( + + ) )     + 3 ( 1 ) (  ( + + ) )     ̇ = ( + 1 ( + ) + 2 ( + + ) + 3 ( + + ) )     + ( 1 ( + ) + 2 ) + ( + 3 2 ( + + ) )     + ( ( 1 ) + 1  3 ( + + ) )     + ( + 1  + 2 ( 1 ) )  +  ( ( 1 ) )     ( 1  + 1  )     ( 2 ( 1 ) + 2 ) ( 3 )   ( 20)     B y   co n s id er in g   in   ( 18 ) ,   o n h a s   ( 21 ).     = + ( 1 )     ( + ) =  +      ( + + ) = ( 1 ) +     ( + + ) =   ( 21)     B y   u s in g   f ir s t e q u atio n   u n til f o r th   eq u atio n   o f   s y s tem   ( 1 8 ) ,   in   ( 19 b ec o m es   ( 20 ).     ̇ = ( 1 ) ( 1 ) ( 1 ) + 1  ( 1 )     + 1  ( 1 ) + 2 ( 1 ) ( 1 )     + 2 ( 1 ) + 3 ( 1 ) + ( 1 ( + ) + 2 )     + ( + 3 2 ( + + ) )     + ( ( 1 ) + 1  3 ( + + ) )     + ( + 1  + 2 ( 1 ) )  + ( 2 )     ( ( 1 ) )   ( 22)     L et  = , = , = , = ,   th en   in   ( 22 )   b ec o m es   ( 23 ).       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 8 0 6   I n t J Pu b lic  Hea lth   Sci ,   Vo l.  14 ,   No .   3 Sep tem b er   20 25 1 1 3 7 - 1 1 5 0   1144   ̇ = ( 2 1 ) + ( 1 1 ) + 1  ( 1  ) + 2 ( 1 ) ( 1 )     + 1  ( 1 ) + 2 ( 1 ) + 3 ( 1 )     ( 1 ) ( 1 1 ) ( ( 1 ) ) + ( 1 ( + ) + 2 )     + ( + 3 2 ( + + ) )     + ( ( 1 ) + 1  3 ( + + ) )     + ( + 1  + 2 ( 1 ) )    ( 23 )     Ma k in g   th c o ef f icien ts   , , ,    ar eq u al  to   0 ,   s o   we  h av th e   r elatio n s h ip   ( 24 ).     1 ( + ) = 2     2 ( + + ) = + 3     3 ( + + ) = ( 1 ) + 1      1 + 2 ( 1 ) = 1   ( 24 )     W o b tain   ( 2 5 ) .     1 = (  + ( 1 ) ( + ) ) , 2 = ( + ) (  + ( 1 ) ( + ) ) , 3 = ( 1 ) + 1  ( + + )     ( 25 )       R ep lacin g   th ex p r ess io n s   o f   1 2   an d   3   in   ( 23 )   th en   we  g et   ( 26 ).     ̇ = ( 2 1 ) + 1  ( 1 1 ) + 2 ( 1 ) ( 1 1 )     + 1  ( 1  ) + 2 ( 1 ) ( 1 ) + 1  ( 1 )     + 2 ( 1 ) + 3 ( 1 ) ( 1 ) ( 1 1 )     ( ( 1 ) ) + ( 1 ( + ) + 2 )     + ( + 3 2 ( + + ) )     + ( ( 1 ) + 1  3 ( + + ) )     + ( + 1  + 2 ( 1 ) )    ( 26)     Usi n g   th f ac t th at  1 + 2 ( 1 ) = 1 in   ( 26 )   b e co m es   ( 2 7 ) .     ̇ = ( 2 1 ) + 1  ( 2 1  )     + 2 ( 1 ) ( 2 1 ) + 1  ( 1 ) + 2 ( 1 ) + 3 ( 1 )     ( 1 ) ( 1 1 ) ( ( 1 ) ) + ( 1 ( + ) + 2 )     + ( + 3 2 ( + + ) )     + ( ( 1 ) + 1  3 ( + + ) )     + ( + 1  + 2 ( 1 ) )    ( 27)     Mu ltip ly in g   th s ec o n d   eq u atio n   o f   ( 1 3 )   b y   1   an d   th f ir s t e q u atio n   o f   ( 1 6 )   b y     g iv es   ( 2 8 ) .     1 ( + ) = 1  + 1      1 ( + ) = 2     ( 2 8 )     W ca n   d ed u ce   th at ,     1  + 1  2 = 0   ( 2 9 )     No w,   m u ltip ly in g   th e   ab o v e q u atio n   b y   1 ( )   wh er = ( , , , )   an d   1 ( )   will  b d eter m i n ed   later   y ield s   ( 30 ).   1  1 ( ) + 1  1 ( ) 2 1 ( ) = 0   ( 30)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Pu b lic  Hea lth   Sci     I SS N:   2252 - 8 8 0 6       Glo b a l sta b ilit o f S E I M tu b ercu lo s is   mo d el  w ith   tw o   in fecti o n   p h a s es     ( Jo via n   Dia n   P r a ta ma )   1145   Nex t,  m u ltip ly in g   th th ir d   eq u atio n   o f   ( 21 )   b y   2   an d   th s ec o n d   eq u atio n   o f   ( 24 )   b y     g iv es   ( 3 1 ) .     2 ( + + ) = 2 ( 1 ) + 2       2 ( + + ) = + 3     ( 31)     W ca n   wr ite  ( 3 1 )   as ( 3 2 ) .     2 ( 1 ) + 2 3 = 0       ( 32)     Usi n g   th f ac t th at  1 + 2 ( 1 ) = 1 ,   th ( 3 2 )   b ec o m es   ( 3 3 ) .     2 1  3 = 0     ( 33)     No w,   m u ltip ly in g   th ( 3 3 )   by  2 ( )   wh er = ( , , , )   an d   2 ( )   will b d eter m in e d   later   y ield s   ( 34 ).     2 2 ( ) 1  2 ( ) 3 2 ( ) = 0   ( 34)     Nex t,  m u ltip ly in g   th last   eq u atio n   o f   ( 21 )   b y   3   an d   t h th ir d   eq u atio n   o f   ( 24 )   b y     g iv es   ( 3 5 )     3 ( + + ) = 3     3 ( + + ) = ( 1 ) + 1      ( 35)     W ca n   s tate   ( 3 5 )   as ( 3 6 ) .     3 ( 1 ) 1  = 0     ( 36)     M u l t i p l y i n g   t h e   ( 3 6 )   by  3 ( )   w h e r e   = ( , , , )   a n d   3 ( )   w i l l   b e   d e te r m i n e d   l a te r   y i e l d s   ( 3 7 ) .     3 3 ( ) ( 1 ) 3 ( ) 1  3 ( ) = 0   ( 3 7 )     Ad d in g   th ( 30 ) ,   ( 34 ) ,   a n d   ( 37 )   in to   ( 27 ) ,   we  o b tain   ( 3 8 ) .     ̇ = ( 2 1 ) + 1  ( 2 1  1 ( ) + 2 ( ) )     + 2 ( 1 ) ( 2 1 ) + 1  ( 1 1 ( ) + 3 ( ) )     + 2 ( 1 + 1 ( ) 2 ( ) ) + 3 ( 1 + 2 ( ) 3 ( ) )     ( 1 ) ( 1 1 3 ( ) ) ( ( 1 ) )   ( 38)     T h f u n ctio n s   1 ( ) , 2 ( ) ,   an d   3 ( )   ar ch o s en   s u ch   th at   th c o ef f icien ts   o f     an d     ar e q u al  t o   ze r o .   I n   th is   ca s e,   we  h av e   ( 39 ).     1 ( ) = 2 1 2 ( ) = 3 1 ,   an d   3 ( ) = 1 1   ( 39)     Fin ally ,   we  g et   ( 40 ).     ̇ = ( 2 1 ) + 1  ( 3 1  )     + 2 ( 1 ) ( 2 1 ) + 3 ( 3 )     ( ( 1 ) )   ( 40)     Giv en   th at   th e   g eo m etr ical   m e an   eq u als  o r   ex ce e d s   th e   ar ith m etica m ea n ,   2 1 0   f o r   > 0   an d   2 1 = 0     if   a n d   o n ly   if   = 1 .   T h en ,   3 1  0   f o r   , , > 0    an d   3 1  = 0   if   a n d   o n ly   if   = = = 1 .   Als o ,   3 0   f o r   , , > 0     a n d   3 = 0   if   a n d   o n ly   if   = = Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 8 0 6   I n t J Pu b lic  Hea lth   Sci ,   Vo l.  14 ,   No .   3 Sep tem b er   20 25 1 1 3 7 - 1 1 5 0   1146   = 1   .   T h er e f o r e,   th m a x im u m   i n v ar ian s et  o f   th e   eq u atio n s   ( 2 )   o n   th s et  ( , , , )   ̇ = 0   is   ( 1 , 1 , 1 , 1 ) an d   ̇ 0    f o r   , , , > 0   an d   ̇ = 0   if   an d   o n ly   if   = = = = 1 .   Acc o r d in g   to   th e   L aSalle  I n v ar ian ce   Prin cip le   [ 3 4 ] - [ 3 6 ] ,   in   ( 2 )   en d em ic  eq u ilib r iu m   p o in t,   ,   is   th u s   g lo b ally   asy m p t o tically   s tab le   if   0 > 1     3 . 6 .     Sens it iv it y   a na l y s is   Sen s itiv ity   an aly s is   is   cr u cial  to o i n   u n d er s tan d in g   th e   r o b u s tn ess   o f   e p id em io lo g ic al  m o d els,  esp ec ially   in   d eter m in i n g   h o w   v ar io u s   p ar am eter s   af f ec th e   b asic  r ep r o d u ctio n   n u m b er   ( 0 ) ,   wh ich   is   k ey   in d icato r   o f   d is ea s tr an s m is s io n   p o ten tial  [ 3 7 ] .   Nu m er o u s   s tu d ies  h av d em o n s tr ated   th im p o r ta n ce   o f   an aly zin g   th s en s itiv ity   o f   m o d el  p a r am eter s   in   co n t r o llin g   in f ec tio u s   d is ea s es,  in clu d in g   tu b er c u lo s is   ( T B )   [ 3 8 ] ,   [ 3 9 ] .   B y   id en tify in g   th m o s in f lu en tial  p ar am eter s ,   s u ch   as  co n tact  r ates  o r   tr ea tm e n r ates,  r esear ch er s   ca n   b etter   allo ca te  r eso u r ce s   a n d   d esig n   ta r g eted   in ter v en tio n s .   W p er f o r m   s en s itiv ity   an aly s is   o f   r ep r o d u ctio n   n u m b er   0   in   th is   s ec tio n   to   s ee   th ef f ec o f     an d     on  0 .   T h r e p r o d u ctio n   n u m b e r   0   is   g iv en   b y   th f o llo win g   e q u atio n   in   ( 5 ) ,   s o   th at  ( 4 1 ) .     0 =  ( + + ) ( ( 1 ) ( + ) +  ) [ ( + ) ( + + ) ( + + ) ]     ( 4 1 )     we  lo o k   f o r   th d er iv ativ wit h   r esp ec t to   , w o b tain   ( 4 2 ) .     0  = ( + + ) ( ( 1 ) ( + ) +  ) [ ( + ) ( + + ) ( + + ) ]     ( 42)     W h e n   ( + ) ( + + ) ( + + ) >  ,   w e   h a v e   0  > 0 .   I t   m e a n s   t h a t   0   in c r e a s es   w h e n     i n c r e a s es .   Af ter   th at,   we  lo o k   f o r   th d e r iv ativ with   r esp ec t to   ,   we  o b t ain   ( 4 3 ) .     0  =  ( ( 1 ) ( + ) +  ) ( ( + ) ( + + ) ) ( ( + ) ( + + ) ( + + ) ) 2     ( 43)     W h en    ( ( 1 ) ( + ) +  ) ( ( + ) ( + + )  ) > 0 ,   we  h a v 0  < 0 .   I t   m ea n s   th at  0   d ec r ea s es wh en     in cr ea s es.    B io lo g ically ,   th is   m ea n s   th at  i n f ec ted   in d iv id u als  wh ich   ar m ed icate d   h av g r ea n eg ativ e   in f lu en ce   o n   th s p r ea d   o f   t h tu b er c u lo s is .   Fig u r e   2   s h o ws  th r elatio n s h ip   am o n g   0 ,   ,   an d     wh en   we  s et    = 0 . 05 , = 1 , = 0 . 03 , = 0 . 2 , = 0 . 9 , = 0 . 12 , = 0 . 5 , = 0 . 5 , = 0 . 09 ,   an d   = 0 . 02 .     3 . 7 .     Num er ic a l sim ula t io n   Nu m er ical  s im u latio n s   p la y   a   c r itical  r o le  in   v alid atin g   th e o r et ical  r esu lts   an d   p r o v id i n g   v is u al  in s ig h ts   in to   th d y n a m ic  b eh av io r   o f   i n f ec tio u s   d is ea s m o d els.  T h ey   h elp   d em o n s tr ate  h o d if f e r en p ar am eter   v alu es   af f ec th tr ajec to r y   o f   th d is ea s o v er   tim e,   esp ec ially   in   m o d els  o f   c o m p lex   d is ea s es  s u ch   as  tu b er c u lo s is   ( T B )   [ 4 0 ] .   Pre v io u s   s tu d ies  h a v s h o wn   th e   im p o r tan ce   o f   s im u latin g   T B   m o d els  to   u n d er s tan d   th e   lo n g - ter m   ef f ec ts   o f   i n ter v en tio n s   an d   th b eh av i o r   o f   d is ea s tr an s m is s io n   in   d i f f er en t   p o p u latio n   g r o u p s   [ 4 1 ] ,   [ 4 2 ] .   B y   ad ju s tin g   k ey   p ar a m eter s   s u ch   as  th tr an s m is s io n   r ate  ( )   an d   th m e d icatio n   r ate   ( ) ,   we  c an   o b s er v e   h o w   th ese  f ac to r s   in f lu en ce   t h s tab ilit y   o f   th d is ea s e - f r ee   an d   e n d em ic  eq u ilib r ia.   W will  g iv s o m s im u la tio n s   to   illu s tr ate  th th eo r etica an aly s is   o f   ( 2 ) .   First,  we  s et       = 0 . 05 , = 1 , = 0 . 03 , = 0 . 2 , = 0 . 9 , = 0 . 12 , = 0 . 5 , = 0 . 5 , = 0 . 09 = 0 . 02   an d   we  h a v 0 = 0 . 7733 < 1 .   Fig u r 3   p r esen ts   th tr ajec to r y   p lo o f   ( 2 )   wh en   0 < 1 Fig u r 3   illu s tr ates  h o ( 2 )   tr ajec to r y   m ap   c o n v er g es  to   th n o n - e n d em ic  eq u ilib r iu m .   I n   o th er   wo r d s ,   as  T h eo r em   1   ill u s tr ates,  th d is ea s e   ev en tu ally   d is ap p ea r s   f r o m   th p o p u latio n .   Seco n d ,   we  ch an g th v al u o f     an d   .   W ch o o s   = 0 . 43 ,   = 0 . 01   an d   we  h av   0 = 12 . 6023 > 1 .   B ased   o n   T h eo r e m   2 ,   wh e n   0 > 1   in d icate s   th at  th d is ea s will  p er s is t s   in   th p o p u latio n .   Fig u r 4   co n f ir m s   th tr ajec to r y   p lo o f   ( 2 )   wh en   0 > 1 .   All  th p o p u latio n   co m p ar tm en ts   co n v er g to   th eir   en d em ic  e q u ilib r iu m .   Fro m   Fig u r e s   3   an d   4 ,   we  ca n   ea s ily   s ee   th at  th r ate  o f   in f ec ted   in d iv id u als  p er f o r m   m ed ica tio n     an d   th co n tact  r ate    h av s ig n if ican ef f ec o n   th d y n am ics  o f   T B   p o p u latio n .   E x p o s ed ,   in f ec t ed ,   an d   m ed icate d   s u b p o p u latio n s   in   T B   d y n am i cs  ex p er ien ce   d ec r ea s in   p o p u latio n   n u m b e r s   f r o m   th e   in i tial  v alu u n til  th ey   r ea ch   s tab le  co n d itio n   at  t h eq u ilib r iu m   p o in t.   W h en   we   d ec r ea s th v alu e   o f   ,     th n u m b er   o f   ex p o s ed   a n d   in f ec ted   in d iv id u als   in cr ea s e.   T h is   s h o th at   th e   ad m in is tr a tio n   o f   m e d icatio n   h as  n eg ati v in f l u en ce   o n   th e   s p r ea d   o f   th e   T B   d is ea s e.   W h ile  we  in cr ea s th v alu o f   ,   th n u m b er   o f   ex p o s ed   an d   in f ec ted   in d iv id u als   in cr ea s e.   T h is   s h o th at  th c o n tact  r ate  h as p o s itiv in f lu en ce   o n   th s p r ea d   o f   th T B   d is ea s e.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.