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Enregistrement W4327862088 · doi:10.1101/2023.03.11.23287141

Predicting COVID-19 pandemic waves with biologically and behaviorally informed universal differential equations

2023· preprint· en· W4327862088 sur OpenAlexafffund
Bruce Kuwahara, Chris T. Bauch

Notice bibliographique

RevuemedRxiv · 2023
Typepreprint
Langueen
DomainePhysics and Astronomy
ThématiqueModel Reduction and Neural Networks
Établissements canadiensUniversity of Waterloo
Organismes subventionnairesNatural Sciences and Engineering Research Council of Canada
Mots-clésPandemicTransmission (telecommunications)Coronavirus disease 2019 (COVID-19)PopulationComputer scienceArtificial intelligenceMachine learningEconometricsStatistical physicsMathematicsPhysicsDiseaseMedicineTelecommunicationsInfectious disease (medical specialty)

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Abstract In the early stages of the COVID-19 pandemic, it became clear that pandemic waves and population responses were locked in a mutual feedback loop. The initial lull following strict interventions in the first wave often led to a second wave, as restrictions were relaxed. We test the ability of new hybrid machine learning techniques, namely universal differential equations (UDEs) with learning biases, to make predictions in a such a dynamic behavior-disease setting. We develop a UDE model for COVID-19 and test it both with and without learning biases describing simple assumptions about disease transmission and population response. Our results show that UDEs, particularly when supplied with learning biases, are capable of learning coupled behavior-disease dynamics and predicting second waves in a variety of populations. The model predicts a second wave of infections 55% of the time across all populations, having been trained only on the first wave. The predicted second wave is larger than the first. Without learning biases, model predictions are hampered: the unbiased model predicts a second wave only 25% of the time, typically smaller than the first. The biased model consistently predicts the expected increase in the transmission rate with rising mobility, whereas the unbiased model predicts a decrease in mobility as often as a continued increase. The biased model also achieves better accuracy on its training data thanks to fewer and less severely divergent trajectories. These results indicate that biologically informed machine learning can generate qualitatively correct mid to long-term predictions of COVID-19 pandemic waves. Significance statement Universal differential equations are a relatively new modelling technique where neural networks use data to learn unknown components of a dynamical system. We demonstrate for the first time that this technique is able to extract valuable information from data on a coupled behaviour-disease system. Our model was able to learn the interplay between COVID-19 infections and time spent travelling to retail and recreation locations in order to predict a second wave of cases, having been trained only on the first wave. We also demonstrate that adding additional terms to the universal differential equation’s loss function that penalize implausible solutions improves training time and leads to improved predictions.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction distillée sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Apprise à partir de 10 348 étiquettes directes de Codex et de 10 348 étiquettes directes de Gemma. Le mode candidate est l'union des têtes enseignantes seuillées; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont ni des étiquettes humaines ni des étiquettes directes de modèles de pointe.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,000
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,000
Version: codex-gemma-dda1882f352aStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Observationnel · Signal consensuel: Observationnel
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,260
Score d'incertitude au seuil0,788

Scores Codex et Gemma par catégorie

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0000,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0000,000
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0000,000
Communication savante0,0000,000
Science ouverte0,0000,000
Intégrité de la recherche0,0000,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0000,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,099
Tête enseignante GPT0,321
Écart entre enseignants0,223 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule tête enseignante, pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeObservationnel
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations1
Publié2023
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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