<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Appl. Math. Stat.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Applied Mathematics and Statistics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Appl. Math. Stat.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2297-4687</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fams.2023.1105543</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Applied Mathematics and Statistics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>A mathematical and exploratory data analysis of malaria disease transmission through blood transfusion</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Adeniyi</surname> <given-names>Michael O.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/1908869/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Aderele</surname> <given-names>Oluwaseun R.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/771869/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Oludoun</surname> <given-names>Olajumoke Y.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Ekum</surname> <given-names>Matthew I.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/2110632/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Matadi</surname> <given-names>Maba B.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3"><sup>3</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/2110601/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Oke</surname> <given-names>Segun I.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff4"><sup>4</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c002"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/2149657/overview"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Ntiamoah</surname> <given-names>Daniel</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff4"><sup>4</sup></xref>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Department of Mathematical Sciences, Lagos State University of Science and Technology</institution>, <addr-line>Lagos</addr-line>, <country>Nigeria</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Department of Mathematics, Bowen University</institution>, <addr-line>Iwo</addr-line>, <country>Nigeria</country></aff>
<aff id="aff3"><sup>3</sup><institution>Department of Mathematical Sciences, University of Zululand</institution>, <addr-line>KwaDlangezwa</addr-line>, <country>South Africa</country></aff>
<aff id="aff4"><sup>4</sup><institution>Department of Mathematics, Ohio University</institution>, <addr-line>Athens, OH</addr-line>, <country>United States</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Meksianis Ndii, University of Nusa Cendana, Indonesia</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Chidozie Williams Chukwu, Wake Forest University, United States; Benny Yong, Parahyangan Catholic University, Indonesia; Nursanti Anggriani, Padjadjaran University, Indonesia</p></fn>
<corresp id="c001">&#x0002A;Correspondence: Michael O. Adeniyi &#x02709; <email>adeniyi.m&#x00040;mylaspotech.edu.ng</email></corresp>
<corresp id="c002">Segun I. Oke &#x02709; <email>seguoke2016&#x00040;gmail.com</email></corresp>
<fn fn-type="other" id="fn001"><p>This article was submitted to Mathematical Biology, a section of the journal Frontiers in Applied Mathematics and Statistics</p></fn></author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>21</day>
<month>02</month>
<year>2023</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2023</year>
</pub-date>
<volume>9</volume>
<elocation-id>1105543</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>22</day>
<month>11</month>
<year>2022</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>10</day>
<month>01</month>
<year>2023</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2023 Adeniyi, Aderele, Oludoun, Ekum, Matadi, Oke and Ntiamoah.</copyright-statement>
<copyright-year>2023</copyright-year>
<copyright-holder>Adeniyi, Aderele, Oludoun, Ekum, Matadi, Oke and Ntiamoah</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license> </permissions>
<abstract>
<p>Malaria is a mosquito-borne disease spread by an infected vector (infected female Anopheles mosquito) or through transfusion of plasmodium-infected blood to susceptible individuals. The disease burden has resulted in high global mortality, particularly among children under the age of five. Many intervention responses have been implemented to control malaria disease transmission, including blood screening, Long-Lasting Insecticide Bed Nets (LLIN), treatment with an anti-malaria drug, spraying chemicals/pesticides on mosquito breeding sites, and indoor residual spray, among others. As a result, the SIR (Susceptible&#x02014;Infected&#x02014;Recovered) model was developed to study the impact of various malaria control and mitigation strategies. The associated basic reproduction number and stability theory is used to investigate the stability analysis of the model equilibrium points. By constructing an appropriate Lyapunov function, the global stability of the malaria-free equilibrium is investigated. By determining the direction of bifurcation, the implicit function theorem is used to investigate the stability of the model endemic equilibrium. The model is fitted to malaria data from Benue State, Nigeria, using R and MATLAB. Estimates of parameters were made. Following that, an optimal control model is developed and analyzed using Pontryaging&#x00027;s Maximum Principle. The malaria-free equilibrium point is locally and globally stable if the basic reproduction number (<italic>R</italic><sub>0</sub>) and the blood transfusion reproduction number (<italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub>) are both less or equal to unity. The study of the sensitive parameters of the model revealed that the transmission rate of malaria from mosquito-to-human (&#x003B2;<sub><italic>mh</italic></sub>), transmission rate from humans-to-mosquito (&#x003B2;<sub><italic>hm</italic></sub>), blood transfusion reproduction number (<italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub>) and recruitment rate of mosquitoes (<italic>b</italic><sub><italic>m</italic></sub>) are all sensitive parameters capable of increasing the basic reproduction number (<italic>R</italic><sub>0</sub>) thereby increasing the risk in spreading malaria disease. The result of the optimal control shows that five possible controls are effective in reducing the transmission of malaria. The study recommended the combination of five controls, followed by the combination of four and three controls is effective in mitigating malaria transmission. The result of the optimal simulation also revealed that for communities or areas where resources are scarce, the combination of Long Lasting Insecticide Treated Bednets (<italic>u</italic><sub>2</sub>), Treatment (<italic>u</italic><sub>3</sub>), and Indoor insecticide spray (<italic>u</italic><sub>5</sub>) is recommended. Numerical simulations are performed to validate the model&#x00027;s analytical results.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>malaria</kwd>
<kwd>optimal control</kwd>
<kwd>stability</kwd>
<kwd>transfusion</kwd>
<kwd>parameter estimation</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<fig-count count="8"/>
<table-count count="3"/>
<equation-count count="96"/>
<ref-count count="36"/>
<page-count count="22"/>
<word-count count="11795"/>
</counts>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1. Introduction</title>
<p>Malaria is a protozoan disease, and the intermediate host is a female Anopheles mosquito infected with Plasmodium falciparum, Plasmodium vivax, Plasmodium ovale, or Plasmodium malariae. In addition to the bite of an infected female Anopheles mosquito, malaria can also be transmitted by the donation of blood from a donor who is infected with the disease [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>]. The World Health Organization (WHO) recommends screening blood donors for malaria in malaria-endemic areas [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. Few blood banks in Sub-Saharan Africa have implemented malaria screening due to a lack of data on the cost-effectiveness of screening technology [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>]. Blood is a special kind of organic fluid produced by living organisms that are vital to their existence and everyday functioning [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>]. Transfusions of human blood will continue to be a clinically essential medical treatment for a long time since, despite medical advancements, humanity has not been able to manufacture a functioning substitute for human blood [<xref ref-type="bibr" rid="B5">5</xref>]. Because of injuries, operations, anemia, and problems during pregnancy, half of all people will require a blood transfusion at some point in their lives. Although blood transfusions have been used for centuries, they have also been linked to the spread of disease when inadequate checks are made on blood donations [<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>]. In Kitchen and Chiodini [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] and Hirigo et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], it was established that every drop of blood collected in blood banks be tested for major Transfusion Transmitted Infections (TTIs) like Human Immunodeficiency Virus (HIV), hepatitis B virus (HBV), hepatitis C virus (HCV), and syphilis before transfusion.</p>
<p>According to available data, the global incidence and occurrence of transfusion-transmitted infected blood with malaria is around 100 cases per year, with the majority of cases being limited to endemic countries [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>]. Having malaria in a donor blood sample increases the risk of transfusion-transmitted malaria in Sub-Saharan African nations [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. Because malaria infection after transfusion may be due to either spontaneous infection (infection through bites from an infected female (<italic>Anopheles</italic> mosquito) or transfusion transmission, distinguishing between the two is difficult in regions where malaria is widespread. This explains why the number of infected blood transfusions among malaria patients in endemic countries is underreported. An expanding challenge brought on by worldwide travel and immigration is the transmission of the malaria parasite through blood donations. In malaria-endemic areas, it is therefore more difficult to devise an optimal method to limit the danger of transfusion-transmitted contaminated blood without needless exclusion of blood donation, which remains a subject of discussion.</p>
<p>About 76 percent of the Nigerian population lives in areas with high malaria transmission and 24 percent in areas with low malaria transmission [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>]. The transmission season in the south may last all year, whereas it is only 3 months or less in the north. Because malaria is widespread in Nigeria, blood donors may be more susceptible to infection. Although there are established practices for malaria screening, which have been put on the test menus at blood banks, there is a risk of non-screening, according to World Health Organization [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>]. Current strategies such as testing and screening of donor&#x00027;s blood in non-endemic countries were reviewed in Reesink [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>] and Reesink et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>]. The results of the study revealed that the current measures are sufficient while also suggesting that surveillance of transfusion-transmitted malaria is necessary for the future. Most nations have established a stringent donor deferral system based on an individual&#x00027;s travel history. However, this policy is not optimal because of the fact that many healthy donors differ, which may result in donation loss because lengthy deferrals may discourage donors from returning [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>]. The ideal malaria control plan for a country or region may therefore differ depending on the baseline malaria risk experienced by the donor and the recipient population in relation to the available resources [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>].</p>
<p>Many studies have been conducted on the mechanisms of malaria transmission. Agusto et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>] studied a deterministic system of differential equations for the transmission of malaria. Their work investigates optimal strategies for controlling the spread of malaria disease using treatment, insecticide-treated bed nets, and the spray of mosquito insecticide. Blayneh et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>], studied the dynamics of a vector-transmitted disease using two deterministic models. A further study investigates the effects of prevention and treatment controls on malaria disease while keeping the implementation cost at a minimum. In Adeniyi and Aderele [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>], a mathematical model for the dynamics of the Transfusion-Transmitted Malaria model with optimal control was studied. A recent study by Zhao and Liu [<xref ref-type="bibr" rid="B16">16</xref>] focused on dynamical behavior and optimal control of a vector-borne diseases model on bipartite networks, while mathematical modeling and projections of a vector-borne disease with optimal control strategies: a case study of the Chikungunya in Chad was discussed in Abboubakar et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>]. With the help of a seven-dimensional ordinary differential equation and non-linear forces of infection in the form of saturation incidence rates, Olaniyi and Obabiyi [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] modeled the transmission of malaria between humans and mosquitoes. It was shown that the presence of malaria-causing parasites triggers the production of antibodies in both humans and mosquitoes. The only way to combat a parasite invasion of the circulatory system is for humans to produce more antibodies. The affected person&#x00027;s immunological condition, including their general health and diet, also has a role in whether or not the disease progresses. Using a deterministic mathematical model, the effects of different sanitation strategies on malaria were analyzed in Oluyo and Adeniyi [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>] and Oluyo and Adeniyi [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>]. The results showed that the malaria model exhibits a backward bifurcation, suggesting that other criteria, such as maintaining adequate sanitation, are necessary for eradicating malaria beyond simply reducing <italic>R</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0003C; 1. Improved hygienic conditions lead to fewer mosquito bites and thus fewer malaria cases. To better understand and combat malaria in communities, the team at [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>] created and analyzed a model of the disease&#x00027;s transmission dynamics. It was determined qualitatively whether or not the model accounted for the timing of events. All of the studies mentioned above did not consider malaria acquired through transfusion, hence, the present study is aimed at studying the dynamics of transfusion-transmitted and vector-borne malaria while also investigating the efficacy of various intervention strategies for preventing the spread of transfusion-transmitted and mosquito-borne malaria. Some of these strategies are blood screening, Long-Lasting Insecticide Bed Nets (LLIN), treatment with anti-malaria drugs, spraying chemicals or pesticides on places where mosquitoes breed, and indoor residual spray.</p>
<p>This paper is organized as follows; Section 2 entails the mathematical formulation of the malaria transfusion transmitted model. In Section 3, the mathematical analysis of the model is sub-sectioned into Section 3.1 where the feasible region and well-posedness of the model are discussed, and Section 3.2, which focuses on the equilibrium analysis of the model. The basic reproduction number of the model is discussed in Section 3.3, stability analysis of the malaria model is the focus in Section 4 while Section 5, presents the optimal control problem and its solutions. The statistical data analysis is discussed in Section 6. Numerical simulations, discussion of results, and concluding remarks are presented in Section 7.</p></sec>
<sec id="s2">
<title>2. Mathematical formulation</title>
<p>The study uses a deterministic model to analyze the dynamics of malaria disease transmission dynamics taking into account transmissions <italic>via</italic> mosquitoes and blood transfusion. The overall human and mosquito populations at any given time <italic>t</italic> are given by <italic>N</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>) and <italic>N</italic><sub><italic>m</italic></sub>(<italic>t</italic>), respectively. Further decomposition of <italic>N</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>) and <italic>N</italic><sub><italic>m</italic></sub>(<italic>t</italic>) yield <italic>N</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>) &#x0003D; <italic>S</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>) &#x0002B; <italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>) &#x0002B; <italic>R</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>) and <italic>N</italic><sub><italic>m</italic></sub>(<italic>t</italic>) &#x0003D; <italic>S</italic><sub><italic>m</italic></sub>(<italic>t</italic>) &#x0002B; <italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub>(<italic>t</italic>), where <italic>S</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>), <italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>), <italic>R</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>), <italic>S</italic><sub><italic>m</italic></sub>(<italic>t</italic>), and <italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub>(<italic>t</italic>) denote the susceptible humans, infected humans, recovered humans, susceptible mosquito, and infected mosquito classes, respectively.</p>
<p>The force of transmitting malaria infection from an infected mosquito to humans, &#x003BB;<sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>) is given as the product of the transmission rate &#x003B2;<sub><italic>mh</italic></sub> from an infected mosquito in <italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub>(<italic>t</italic>) compartment to the proportion of susceptible humans in <italic>S</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>) compartment. This is written mathematically as</p>
<disp-formula id="E1"><label>(2.1)</label><mml:math id="M1"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The recruitment and natural death rates of humans are given as <italic>b</italic><sub><italic>h</italic></sub> and &#x003BC;<sub><italic>h</italic></sub>, respectively. Humans who recovered from malaria infection progress to the susceptible class at rate &#x003B4; with the recovery of humans given as &#x003C0;. Human mortality due to malaria occurs at rate &#x003C3;.</p>
<p>The force of infection from human-to-mosquito, &#x003BB;<sub><italic>m</italic></sub>(<italic>t</italic>) is the multiplication of the transmission rate &#x003B2;<sub><italic>hm</italic></sub> from an infected humans to a susceptible mosquito in <italic>S</italic><sub><italic>m</italic></sub>(<italic>t</italic>) class expressed as</p>
<disp-formula id="E2"><label>(2.2)</label><mml:math id="M2"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Susceptible mosquitoes , <italic>S</italic><sub><italic>m</italic></sub>(<italic>t</italic>) are recruited at the rate <italic>b</italic><sub><italic>m</italic></sub> while both <italic>S</italic><sub><italic>m</italic></sub>(<italic>t</italic>) and <italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub>(<italic>t</italic>) classes are depopulated by natural death at rate &#x003BC;<sub><italic>m</italic></sub>.</p>
<p>To account for the force of infection as a result of blood transfusion, we have the term <italic>p</italic><sub>1</sub>&#x003B1;<italic>b</italic><sub><italic>h</italic></sub><italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>), where <italic>p</italic><sub>1</sub> is the probability of effectively transfusing infected blood to a susceptible human, &#x003B1; is the transfusion term.</p>
<p>Consequently, within the scope of our analysis from this point on, the use of the time <italic>t</italic> dependency is suppressed. Given the submissions above, the discussion is presented in the following system of non-linear ordinary differential equations:</p>
<disp-formula id="E3"><label>(2.3)</label><mml:math id="M3"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>A</italic><sub>0</sub> &#x0003D; (&#x003C3; &#x0002B; &#x003C0; &#x0002B; &#x003BC;<sub><italic>h</italic></sub>), <italic>A</italic><sub>1</sub> &#x0003D; (&#x003B4; &#x0002B; &#x003BC;<sub><italic>h</italic></sub>).</p>
<p>The model in Equation (2.3) above is based on the following assumptions:</p>
<list list-type="roman-lower">
<list-item><p>Malaria can be transmitted <italic>via</italic> infected mosquitoes and through transfusion of infected blood from a donor to a susceptible human;</p></list-item>
<list-item><p>The probability of survival till the infected stage for both humans and vectors is unity. Hence, the exposed compartments for both humans and vectors are not considered;</p></list-item>
<list-item><p>The term <italic>p</italic><sub>1</sub>&#x003B1;<italic>b</italic><sub><italic>h</italic></sub><italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>) is assumed to capture individuals who become infected with malaria due to transfusion.</p></list-item>
</list></sec>
<sec id="s3">
<title>3. Model dynamics</title>
<p>Let the total human population at any time t be <italic>N</italic><sub><italic>h</italic></sub> such that</p>
<disp-formula id="E4"><label>(3.1)</label><mml:math id="M4"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The derivative of Equation (3.1) w.r.t t is</p>
<disp-formula id="E5"><label>(3.2)</label><mml:math id="M5"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>since the term &#x003C3;<italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub> is non-negative, then</p>
<disp-formula id="E6"><label>(3.3)</label><mml:math id="M6"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, the solution of Equation (3.3) as <italic>t</italic> &#x02192; &#x0221E; yields</p>
<disp-formula id="E7"><label>(3.4)</label><mml:math id="M7"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Similarly, the total mosquito population is <italic>N</italic><sub><italic>m</italic></sub></p>
<disp-formula id="E8"><label>(3.5)</label><mml:math id="M8"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, over time, the total mosquito population is</p>
<disp-formula id="E9"><label>(3.6)</label><mml:math id="M9"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<sec>
<title>3.1. Positivity and boundedness of solutions</title>
<p>The model (Equation 2.3) will be analyzed in the region</p>
<disp-formula id="E10"><label>(3.7)</label><mml:math id="M10"><mml:mrow><mml:mtext>&#x003A9;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo> <mml:mrow><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>:</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow> <mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Thus in this region, system (Equation 2.3) is mathematically and epidemiologically well-posed.</p></sec>
<sec>
<title>3.2. Equilibrium points</title>
<p>In this section, the general equilibrium point of the system (Equation 2.3) is considered. This is achieved by solving the system (Equation 2.3) at steady states. Particularly, system (Equation 2.3) have the general equilibrium denoted by <italic>M</italic><sup>&#x022C6;</sup> as:</p>
<disp-formula id="E11"><label>(3.8)</label><mml:math id="M11"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1.4</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo> <mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E12"><label>(3.9)</label><mml:math id="M12"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Details of how <italic>M</italic><sup>&#x022C6;</sup> is obtained are given in the <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix</xref>. To be precise, the following feasible steady states are obtained:</p>
<list list-type="simple">
<list-item><p>(<italic>i</italic>) Malaria Free Equilibrium (<italic>MFE</italic>) denoted by <italic>M</italic><sub>0</sub>. This depicts the solution of system (Equation 2.3) corresponding to the scenario where there is no presence of malaria disease (whether mosquito or blood transfusion induced) in the population. The feasibility of <italic>M</italic><sub>0</sub> depends on whether the thresholds <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> and <italic>R</italic><sub>0</sub> corresponding to the blood transfusion-induced reproduction number and the basic reproduction number are less than unity or otherwise. Hence,</p>
<p><disp-formula id="E13"><label>(3.10)</label><mml:math id="M13"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>where</p>
<p><disp-formula id="E14"><label>(3.11)</label><mml:math id="M14"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>In the following section, a detailed explanation of the thresholds <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> and <italic>R</italic><sub>0</sub> is provided.</p>
</list-item>
<list-item><p>(<italic>ii</italic>) Malaria Endemic Equilibrium (<italic>MEE</italic>) written as <italic>M</italic><sup>&#x022C6;</sup> in Equation (3.8) is a situation where malaria disease transmission persists in the population and is only possible if <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> &#x0003C; 1 and <italic>R</italic><sub>0</sub> &#x0003E; 1</p></list-item>
</list>
<p><bold>Remarks 1</bold>. <italic>Detailed calculations on the determination of the equilibrium points in</italic> (3.8) <italic>and</italic> (3.10) <italic>are given in the</italic> <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Appendix</xref>.</p></sec>
<sec>
<title>3.3. Analysis of the basic reproduction number, <italic>R</italic><sub>0</sub></title>
<p><italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> and <italic>R</italic><sub>0</sub> are thresholds called the blood transfusion-induced reproduction number and the basic reproduction number, respectively. <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> and <italic>R</italic><sub>0</sub> represent the average number of secondary infections caused by transfusing infected blood to a susceptible human or a single infected mosquito when introduced into a population of only susceptible. <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> captures the dynamics of the model when malaria disease is transmitted <italic>via</italic> infected blood transfusion while <italic>R</italic><sub>0</sub> represents the dynamic of the model whenever malaria is propagated through an infected vector. The theory on the calculation of the basic reproduction number <italic>R</italic><sub>0</sub> is popularly based on the next-generation method explained in Diekmann et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>] and Van den Driessche and Watmough [<xref ref-type="bibr" rid="B22">22</xref>] and implemented in Adeniyi et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>] and Chukwu et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>].</p>
<p>Studies in Olabisi and Olaniyi [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>] and Buonomo and Lacitignola [<xref ref-type="bibr" rid="B26">26</xref>] have shown that for disease eradication, reducing the basic reproduction number below unity may not be sufficient, rather it may depend on other parameters or thresholds such as <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> as we have in this case. For a good insight into the thresholds <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> and <italic>R</italic><sub>0</sub>, we shall decompose the expressions for <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> and <italic>R</italic><sub>0</sub> to see how they both and individually impact malaria transmission. It is easy to decompose <italic>R</italic><sub>0</sub> into:</p>
<disp-formula id="E15"><mml:math id="M15"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>which can be written compactly as</p>
<disp-formula id="E16"><label>(3.12)</label><mml:math id="M16"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>We explain below how each factor of Equation (3.12) impacts the basic reproduction number <italic>R</italic><sub>0</sub>, thereby giving us an insight on the disease control :</p>
<list list-type="roman-lower">
<list-item><p>The first quantity of Equation (3.12), <inline-formula><mml:math id="M17"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, i.e the ratio of the human natural death rate to the human recruitment rate, is normally less than unity since recruitment rate of humans <italic>b</italic><sub><italic>h</italic></sub> is always greater than natural death rate &#x003BC;<sub><italic>h</italic></sub>, thus the quantity <italic>R</italic><sub>1</sub> will not increase the reproduction number, <italic>R</italic><sub>0</sub>.</p></list-item>
<list-item><p>The second quantity, <inline-formula><mml:math id="M18"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> is monotonically decreasing with regards to humans malaria induced mortality, &#x003C3; plus the human recovery rate from malaria and the natural mortality rate in humans, is always greater than zero. This submission is true if the transmission of malaria from mosquito to humans is less than one and the denominator of <italic>R</italic><sub>2</sub> increases. As this may sound, increasing &#x003C3; and &#x003BC;<sub><italic>h</italic></sub> is not realistic in a real-life scenario, hence, the quantity <italic>R</italic><sub>2</sub> provides no control over <italic>R</italic><sub>0</sub>.</p></list-item>
<list-item><p>The term <inline-formula><mml:math id="M19"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> is a critical quantity that must be controlled to ensure <italic>R</italic><sub>0</sub> is not increased. This is because the human-to-mosquito transmission probability, &#x003B2;<sub><italic>hm</italic></sub> is always greater compared to the vector natural death rate &#x003BC;<sub><italic>m</italic></sub>, thus <italic>R</italic><sub>3</sub> &#x0003E; 1 which implies <italic>R</italic><sub>3</sub> will increase <italic>R</italic><sub>0</sub>.</p></list-item>
<list-item><p>From other studies , <inline-formula><mml:math id="M20"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> is greater than unity since <italic>b</italic><sub><italic>m</italic></sub> &#x0003E; &#x003BC;<sub><italic>m</italic></sub>, thus <italic>R</italic><sub>4</sub> will produce a positive effect on <italic>R</italic><sub>0</sub>. This implies that decreasing the recruitment rate and increasing the fatality rate of the mosquitoes will provide good control.</p></list-item>
<list-item><p><italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> captures the contribution of humans infected with malaria through blood transfusion. For <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> &#x0003C; 1, the quantity <inline-formula><mml:math id="M21"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> impact <italic>R</italic><sub>0</sub> positively, therefore, the quantity <italic>R</italic><sub>5</sub> should be controlled by ensuring <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> &#x02192; 0.</p></list-item>
</list>
<p>The impact of each parameter in the basic reproduction number, <italic>R</italic><sub>0</sub> also provides insight into which parameters should be controlled in order to interrupt the transmission of malaria, and is discussed below:</p>
<list list-type="order">
<list-item><p>The transmission probability from mosquito to human, &#x003B2;<sub><italic>mh</italic></sub> as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1A</xref> increases the basic reproduction number, <italic>R</italic><sub>0</sub>. Thus, it is important to mitigate this by ensuring that effective strategies such as the use of insecticide spray and sleeping under Long-Lasting Insecticide Treated Bednets (LLITBs) are in place to reduce the contact between humans and mosquitoes.</p>
</list-item>
<list-item><p>&#x003B2;<sub><italic>hm</italic></sub>, denote the transmission probability of infection from human-to-mosquito. The basic reproduction number, <italic>R</italic><sub>0</sub> increases as &#x003B2;<sub><italic>hm</italic></sub> increases (see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1B</xref>) which suggest that this parameter must be controlled. Just as in the of &#x003B2;<sub><italic>mh</italic></sub>, the use of controls such as insecticide spray and the of LLINs should be encouraged.</p>
</list-item>
<list-item><p>In <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1C</xref>, the impact of <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> on <italic>R</italic><sub>0</sub> is shown. <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> is the reproduction number for malaria acquired through blood transfusion. If <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> is allowed to increase, it will lead to an increase in the basic reproduction number, <italic>R</italic><sub>0</sub>, hence control such as blood screening must be ensured to reduce the risk of transfusing infected blood to susceptible humans.</p></list-item>
<list-item><p>The recruitment rate of susceptible mosquitoes, <italic>b</italic><sub><italic>m</italic></sub> will increase <italic>R</italic><sub>0</sub> as shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1D</xref>. This is indeed the case if mosquitoes are allowed to breed freely in the environment and humans are exposed to malaria-infected humans, then the chances that more susceptible mosquitoes may become infected are very high, thus leading to the spread of malaria disease through the mosquitoes&#x00027; quest for blood meals from humans. Given this, it is important to control the mosquito&#x00027;s recruitment rate, <italic>b</italic><sub><italic>m</italic></sub> to ensure <italic>R</italic><sub>0</sub> is brought below unity.</p></list-item>
<list-item><p>&#x003C0; denotes the recovery rate of humans after treatment from malaria bouts. The recovery rate &#x003C0; is critical in the control of malaria disease. As shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2B</xref>, &#x003C0; will reduce the basic reproduction number, <italic>R</italic><sub>0</sub>.</p>
</list-item>
<list-item><p>&#x003BC;<sub><italic>m</italic></sub>, represent the natural mortality rate of mosquitoes. As displayed in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2C</xref>, an increase in &#x003BC;<sub><italic>m</italic></sub> results in a decrease in <italic>R</italic><sub>0</sub>. This is a clear indication that strategies that will effectively increase the mortality rate of the mosquitoes such as pesticide spray and larvicide spray on mosquitoes and larva breeding sites are suggested.</p></list-item>
<list-item><p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2D</xref>, the parameter &#x003C3; which signifies malaria-induced death rate decreases the basic reproduction number <italic>R</italic><sub>0</sub> as &#x003C3; increases, however, this is unrealistic and hence, it cannot be used to control <italic>R</italic><sub>0</sub> and thus the disease spread.</p></list-item>
<list-item><p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2A</xref>, increasing the natural death rate &#x003BC;<sub><italic>h</italic></sub> of humans decreases <italic>R</italic><sub>0</sub> significantly, this is not practical in a real-life scenario, thus, &#x003BC;<sub><italic>h</italic></sub> does not provide any control <italic>R</italic><sub>0</sub> and disease control.</p></list-item>
</list>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>Simulation showing the impact of <bold>(A)</bold> transmission rate from mosquito-to-humans (&#x003B2;<sub><italic>mh</italic></sub>), <bold>(B)</bold> transmission rate from human-to-mosquito (&#x003B2;<sub><italic>hm</italic></sub>), <bold>(C)</bold> transfusion induced reproduction number (<italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub>), and <bold>(D)</bold> recruitment rate of mosquitoes (<italic>b</italic><sub><italic>m</italic></sub>) on the basic Reproduction number (<italic>R</italic><sub>0</sub>) with parameters set given in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1105543-g0001.tif"/>
</fig>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p>Simulation showing the impact of <bold>(A)</bold> natural death rate of humans <bold>(B)</bold> human recovery rate from malaria (&#x003C0;), <bold>(C)</bold> mortality rate of mosquitoes (&#x003BC;<sub><italic>m</italic></sub>), <bold>(D)</bold> malaria induced death rate (&#x003C3;) with parameters set given in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1105543-g0002.tif"/>
</fig>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, varying values of the transfussion term &#x003B1; is simulated to see the impact on the susceptible humans, infected humans, recovered humans, and infected mosquitoes. It can be seen from <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> that as &#x003B1; increases more individual become susceptible to malaria leading to increase in the number of infected humans recovered individuals. In <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3D</xref>, the number of infected mosquitoes also increased as &#x003B1; increases.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>Simulation showing the impact of transfusion term <italic>alpha</italic> on <bold>(A)</bold> susceptible humans, <bold>(B)</bold> infected humans, <bold>(C)</bold> recovered humans, and <bold>(D)</bold> infected mosquitoes, with parameters set given in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1105543-g0003.tif"/>
</fig>
<p>Following the above discussion, the optimal control of the model will be studied in Section 5 taking into account the impact of the parameters on the basic reproduction number, <italic>R</italic><sub>0</sub>.</p></sec></sec>
<sec id="s4">
<title>4. Stability analysis of the model</title>
<sec>
<title>4.1. Local stability analysis of malaria free equilibrium, <italic>M</italic><sub>0</sub></title>
<p>When <inline-formula><mml:math id="M22"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> in (3.8) yield the malaria-free equilibrium denoted by <italic>M</italic><sub>0</sub>,</p>
<disp-formula id="E17"><label>(4.1)</label><mml:math id="M23"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The Jacobian matrix of system (2.3) at <italic>M</italic><sub>0</sub> is</p>
<disp-formula id="E18"><label>(4.2)</label><mml:math id="M24"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>It is easy to see that the eigenvalues of Equation (4.2) are &#x003BB;<sub>1</sub> &#x0003D; &#x02212;&#x003BC;<sub><italic>h</italic></sub>, &#x003BB;<sub>2</sub> &#x0003D; &#x02212;<italic>A</italic><sub>1</sub> and &#x003BB;<sub>3</sub> &#x0003D; &#x02212;&#x003BC;<sub><italic>m</italic></sub> with the other two obtained from the 2 &#x000D7; 2 matrix M namely:</p>
<disp-formula id="E19"><label>(4.3)</label><mml:math id="M25"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>By Routh-Hurwithz condition [<xref ref-type="bibr" rid="B27">27</xref>], the eigenvalues of M are real negative if (<italic>i</italic>)<italic>Tr</italic>(<italic>M</italic>) &#x0003C; 0 and (<italic>ii</italic>)<italic>Det</italic>(<italic>M</italic>) &#x0003E; 0. Simple manipulation shows that</p>
<disp-formula id="E20"><label>(4.4)</label><mml:math id="M26"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>and</p>
<disp-formula id="E21"><label>(4.5)</label><mml:math id="M27"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, the two eigenvalues of M are negative. Hence, the eigenvalues of Equation (4.2) are real and negative if <italic>R</italic><sub>0</sub> &#x0003C; 1 and <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> &#x0003C; 1 thus establishing that the malaria free equilibrium, <italic>M</italic><sub>0</sub> is locally asymptotically stable if <italic>R</italic><sub>0</sub> &#x0003C; 1 and <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> &#x0003C; 1, otherwise unstable. The foregoing discussion is summarized in the following theorem:</p>
<p><bold>Theorem 1</bold>. <italic>The malaria free equilibrium</italic> <italic>M</italic><sub>0</sub> <italic>of system (Equation 2.3) is locally asymptotically stable if</italic> <italic>R</italic><sub>0</sub> &#x0003C; 1 and <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> &#x0003C; 1, <italic>otherwise unstable</italic>.</p>
<p><bold>Remark 1</bold>. <italic>R</italic><sub>0</sub> <italic>is the basic reproduction number representing the average number of secondary infections caused by transfusing infected blood to a susceptible human or a single infected mosquito when introduced into a population of only susceptibles</italic>.</p></sec>
<sec>
<title>4.2. Global stability analysis of malaria free equilibrium, <italic>M</italic><sub>0</sub></title>
<p>Suppose the stability of <italic>M</italic><sub>0</sub> does not depend on the initial size of the infected population, then it is important to consider the global stability of <italic>M</italic><sub>0</sub> of the system (Equation 2.3). This is motivated through the method of Lyapunov function [<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]. The Lyapunov function technique has been widely used by many researchers [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>] to prove the global stability of equilibrium points.</p>
<p>Let us consider a Lyapunov function defined as follows:</p>
<disp-formula id="E22"><label>(4.6)</label><mml:math id="M28"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>then the derivative of Equation (5.12) yield</p>
<disp-formula id="E23"><label>(4.7)</label><mml:math id="M29"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Taking into account of the values of <inline-formula><mml:math id="M30"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M31"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math></inline-formula> from Equation (2.3), then Equation (4.7) lead to</p>
<disp-formula id="E24"><label>(4.8)</label><mml:math id="M32"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>After expanding and rearranging, then</p>
<disp-formula id="E25"><mml:math id="M33"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>so that at DFE, <inline-formula><mml:math id="M34"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x021D2;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">and&#x000A0;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. Thus,</p>
<disp-formula id="E26"><label>(4.9)</label><mml:math id="M35"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>&#x000A0;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Hence, for <italic>R</italic><sub>0</sub> &#x02264; 1, and <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> &#x02264; 1, then <inline-formula><mml:math id="M36"><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This implies that the malaria-free equilibrium, <italic>M</italic><sub>0</sub> is globally asymptotically stable if <italic>R</italic><sub>0</sub> &#x02264; 1 and <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> &#x02264; 1, otherwise unstable.</p></sec>
<sec>
<title>4.3. Stability analysis of the endemic equilibrium <italic>M</italic><sup>&#x0002A;</sup> and bifurcation</title>
<p>If <italic>R</italic><sub>0</sub> &#x0003E; 1 when conditions that favor disease thrive in the host population, then an endemic equilibrium may emerge. More importantly, it is crucial and necessary to carefully study the stability of the malaria endemic equilibrium <italic>M</italic><sup>&#x0002A;</sup> by considering the direction of bifurcation whether it is sub-critical or trans-critical. Bifurcation is a phenomenon that describes a situation where both the disease-free equilibrium and the endemic equilibrium co-exist. The method of implicit function theorem [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>] is invoked to investigate this scenario.</p>
<p>Firstly, let &#x003B1; &#x0003D; &#x003B1;<sup>&#x0002A;</sup> be a bifurcation parameter at <italic>R</italic><sub>0</sub> &#x0003D; 1, then</p>
<disp-formula id="E27"><label>(4.10)</label><mml:math id="M37"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Let the infected component of the system (Equation 2.3) be denoted by <italic>m</italic> and <italic>m</italic><sub>0</sub> be the jacobian matrix of the infected components of the system (Equation 2.3) evaluated at <inline-formula><mml:math id="M38"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002A;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be defined respectively as</p>
<disp-formula id="E28"><mml:math id="M39"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and</p>
<disp-formula id="E29"><mml:math id="M40"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>With the following eigenvalues <inline-formula><mml:math id="M41"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">&#x000A0;and&#x000A0;</mml:mtext></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> at &#x003B1;<sup>&#x0002A;</sup>. Thus, &#x003BB;<sub>1</sub> &#x0003D; 0 is a simple zero eigenvalue. Furthermore, denote by <inline-formula><mml:math id="M42"><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> a right eigenvector associated with &#x003BB;<sub>1</sub> &#x0003D; 0. It follows that</p>
<disp-formula id="E30"><label>(4.11)</label><mml:math id="M43"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E31"><label>(4.12)</label><mml:math id="M44"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>It follows from Equation (4.11) that</p>
<disp-formula id="E32"><mml:math id="M45"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Where <italic>w</italic><sub>2</sub> is a free right eigenvector i.e., <italic>w</italic><sub>2</sub> &#x0003E; 0, so that</p>
<disp-formula id="E33"><label>(4.13)</label><mml:math id="M46"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Similarly, the left eigenvector denoted by <italic>V</italic> &#x0003D; (<italic>V</italic><sub>1</sub>, <italic>V</italic><sub>2</sub>) is given by</p>
<disp-formula id="E34"><label>(4.14)</label><mml:math id="M47"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E35"><label>(4.15)</label><mml:math id="M48"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Hence,</p>
<disp-formula id="E36"><mml:math id="M49"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>so that</p>
<disp-formula id="E37"><label>(4.16)</label><mml:math id="M50"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>According to Boldin [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>], after dividing out the trivial equilibrium solution, the local dynamics of the system (Equation 2.3) around the disease-free equilibrium <italic>M</italic><sub>0</sub> is completely determined by</p>
<disp-formula id="E38"><label>(4.17)</label><mml:math id="M51"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>z</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Where <italic>w</italic> and <italic>V</italic> denote the right and left eigenvectors, respectively. Note that <italic>z</italic> &#x0003D; (<italic>S</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>S</italic><sub><italic>m</italic></sub>) and <italic>y</italic> &#x0003D; (<italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub>). The non-zero partial derivatives of Equation (4.17) are</p>
<disp-formula id="E39"><label>(4.18)</label><mml:math id="M52"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, in view of Equation (4.18), <italic>M</italic> reduces to</p>
<disp-formula id="E40"><mml:math id="M53"><mml:mtable columnalign='center'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>11</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>21</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>22</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, simplifying to give</p>
<disp-formula id="E41"><label>(4.19)</label><mml:math id="M54"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>V</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>B</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Where <inline-formula><mml:math id="M55"><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> and <italic>B</italic> &#x0003D; &#x003B2;<sub><italic>hm</italic></sub><italic>b</italic><sub><italic>h</italic></sub>(&#x003BC;<sub><italic>m</italic></sub><italic>b</italic><sub><italic>h</italic></sub>&#x0002B;&#x003B2;<sub><italic>mh</italic></sub><italic>b</italic><sub><italic>m</italic></sub>&#x003BC;<sub><italic>h</italic></sub>).</p>
<p>According to the Boldin [<xref ref-type="bibr" rid="B29">29</xref>], the direction of bifurcation is completely dependent on the sign of <italic>M</italic>, more importantly, if the ratio <inline-formula><mml:math id="M56"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, then the direction of bifurcation is supercritical (forward) which implies that the endemic equilibrium <italic>M</italic><sup>&#x0002A;</sup> of the system (Equation 2.3) is locally asymptotically stable if <italic>R</italic><sub>0</sub> &#x0003E; 1. Further, if the ratio <inline-formula><mml:math id="M57"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> such that <italic>M</italic> &#x0003E; 0, then the direction of bifurcation is subcritical (backward) which implies that the epidemiological requirement of having <italic>R</italic><sub>0</sub> &#x0003C; 1 is necessary but no longer sufficient for effective disease eradication.</p>
<p><bold>Theorem 2</bold>. <italic>The endemic equilibrium</italic> <italic>M</italic><sup>&#x0002A;</sup> <italic>of system (Equation 2.3) undergoes: [i] supercritical (forward) bifurcation if </italic> <inline-formula><mml:math id="M58"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> <italic>[ii] subcritical (backward) bifurcation if</italic> <inline-formula><mml:math id="M59"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>.</p></sec></sec>
<sec id="s5">
<title>5. Optimal control problem</title>
<p>Following the explanation of how some parameters of the model can impact the basic reproduction number and how we can mitigate against it, the following recommended malaria treatment and preventative interventions are suggested to control malaria. Depending on the level of malaria transmission in the area determines the choice of interventions.</p>
<sec>
<title>5.1. Blood screening</title>
<p>Rapid and accurate identification of malaria is essential for the implementation of effective therapy to reduce related morbidity and mortality. Accurate malaria detection is also essential for epidemiologic screening and monitoring to guide malaria control strategies, for testing the efficacy of antimalarial medications and vaccines in research, and for blood bank screening.</p></sec>
<sec>
<title>5.2. Long lasting insecticide bed net</title>
<p>Insecticide-treated bed nets (ITNs) are a form of personal protection that has been shown to reduce malaria-related illness, severe disease, and mortality in endemic areas. Community-wide studies in many African contexts have shown that the use of ITNs reduces the death rate of children under the age of five by about 20 percent.</p></sec>
<sec>
<title>5.3. Treatment using anti-malaria drug</title>
<p>When used for both prevention and treatment, anti-malarial medications can make a substantial contribution to the control of malaria in endemic regions.</p></sec>
<sec>
<title>5.4. Spraying chemicals/pesticides on mosquito breeding sites</title>
<p>Space spraying is the application of a liquid insecticide fog to an outdoor region to kill adult insects. It has been utilized frequently in public health and pest control programs, particularly as an emergency response to malaria epidemics.</p></sec>
<sec>
<title>5.5. Indoor insecticide spray</title>
<p>Indoor residual spraying (IRS) is a critical method for controlling and eradicating malaria by focusing on vectors. To aid in the development of effective intervention strategies, it is critical to understand the impact of vector control instruments on malaria incidence and the spread of pesticide resistance. The World Health Organization (WHO) recommended in 2006 that nations report on the coverage and impact of indoor residual spray (IRS), but data on IRS coverage remains limited and imprecise. IRS subnational coverage in Sub-Saharan Africa for the four major pesticide classes was estimated between 1997 and 2017.</p>
<p>Our main focus in this study is to investigate how these interventions impact the transmission of malaria disease thereby bringing the reproduction number below unity. Consequently, an optimal control model with time-dependent controls 0 &#x0003C; <italic>u</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>), <italic>u</italic><sub>2</sub>(<italic>t</italic>), <italic>u</italic><sub>3</sub>(<italic>t</italic>), <italic>u</italic><sub>4</sub>(<italic>t</italic>), <italic>u</italic><sub>5</sub>(<italic>t</italic>) &#x0003C; 1 is formulated, where</p>
<p><italic>u</italic><sub>1</sub> is the time control by screening the blood of donors before transfusion.</p>
<p><italic>u</italic><sub>2</sub> is the time preventive control using Long Lasting Insecticide Treated Bed nets by susceptible individuals.</p>
<p><italic>u</italic><sub>3</sub> is the time control due to the treatment of an infected individual.</p>
<p><italic>u</italic><sub>4</sub> is the time control using pesticides on mosquito breeding/larva sites.</p>
<p><italic>u</italic><sub>5</sub> is the time control using indoor insecticide spray.</p>
<p>Thus, the optimal control model is described by the following nonautonomous system:</p>
<disp-formula id="E42"><label>(5.1)</label><mml:math id="M60"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='right'><mml:mtr columnalign='right'><mml:mtd columnalign='right'><mml:mrow><mml:mtable columnalign='right'><mml:mtr columnalign='right'><mml:mtd columnalign='right'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='right'><mml:mtd columnalign='right'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='right'><mml:mtd columnalign='right'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='right'><mml:mtd columnalign='right'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='right'><mml:mtd columnalign='right'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='right'><mml:mtd columnalign='right'><mml:mrow><mml:mtable columnalign='right'><mml:mtr columnalign='right'><mml:mtd columnalign='right'><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003BC;(<italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>4</sub>, <italic>u</italic><sub>5</sub>) &#x0003D; &#x003BC;<sub><italic>m</italic></sub> &#x0002B; (<italic>u</italic><sub>2</sub> &#x0002B; <italic>u</italic><sub>4</sub> &#x0002B; <italic>u</italic><sub>5</sub>)&#x003BC;<sub><italic>max</italic></sub>.</p>
<p>We seek to find controls <italic>u</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>), <italic>u</italic><sub>2</sub>(<italic>t</italic>), <italic>u</italic><sub>3</sub>(<italic>t</italic>), <italic>u</italic><sub>4</sub>(<italic>t</italic>), and <italic>u</italic><sub>5</sub>(<italic>t</italic>) that minimizes the total number of susceptible humans, infected individuals, and infected mosquitoes while reducing their relative costs. Thus, a minimizing objective functional <italic>J</italic>(<italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub>) is defined such that</p>
<disp-formula id="E43"><label>(5.2)</label><mml:math id="M61"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='false'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy='true'>(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>W</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='true'>)</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>subject to the nonautonomous system (Equation 5.1), where the final time is denoted by <italic>t</italic><sub><italic>f</italic></sub>. The objective functional used here takes into account the total susceptible humans, infected humans with malaria, and the infected mosquitoes to the cost of implementing the controls <italic>u</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>), <italic>u</italic><sub>2</sub>(<italic>t</italic>), <italic>u</italic><sub>3</sub>(<italic>t</italic>), <italic>u</italic><sub>4</sub>(<italic>t</italic>), and <italic>u</italic><sub>5</sub>(<italic>t</italic>). In the literature [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>], quadratic objective functions have been used to measure the intervention costs. Thus, a similar quadratic function is adopted here. A carefully chosen positive coefficients <italic>W</italic><sub>1</sub>, <italic>W</italic><sub>2</sub>, <italic>W</italic><sub>3</sub>, <italic>w</italic><sub>1</sub>, <italic>w</italic><sub>2</sub>, <italic>w</italic><sub>3</sub>, <italic>w</italic><sub>4</sub>, and <italic>w</italic><sub>5</sub> to balance the weights. The controls <italic>u</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>), <italic>u</italic><sub>2</sub>(<italic>t</italic>), <italic>u</italic><sub>3</sub>(<italic>t</italic>), <italic>u</italic><sub>4</sub>(<italic>t</italic>), and <italic>u</italic><sub>5</sub>(<italic>t</italic>) are bounded, Lebesgue integrable functions. The aim here is to find an optimal control pair <inline-formula><mml:math id="M62"><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, such that</p>
<disp-formula id="E44"><label>(5.3)</label><mml:math id="M63"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>min</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> <mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>t</italic>&#x02208;(0, <italic>t</italic><sub><italic>f</italic></sub>).</p>
<p>The necessary conditions that must be satisfied by the five optimal controls and the associated state variables are derived. The Pontryagins maximum principle [<xref ref-type="bibr" rid="B30">30</xref>] discussed in Flemings and Rishel [<xref ref-type="bibr" rid="B31">31</xref>] will be used to establish the necessary conditions that must be satisfied by optimal control and its associated states system.</p></sec>
<sec>
<title>5.6. Existence of an optimal control</title>
<p>The controls <italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>4</sub>, and <italic>u</italic><sub>5</sub> are linked to the objective function and the adjoint variables by the following Hamiltonian:</p>
<disp-formula id="E45"><label>(5.4)</label><mml:math id="M64"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Where &#x003B8;<sub><italic>i</italic></sub>, <italic>i</italic> &#x0003D; 1, 2, .., 5 are the adjoint variables (otherwise called co-state variables). The co-state variables are obtained by taking the correct partial derivatives of the Hamiltonian with respect to the associated state variable. In the following, the adjoint and the control characterization are presented.</p>
<p><bold>Theorem 3</bold>. <italic>Consider an optimal control</italic> <inline-formula><mml:math id="M65"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M66"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M67"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M68"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M69"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <italic>and the coressponding state variable solutions</italic> (<italic>S</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>R</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>S</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub>) <italic>of system (Equation 5.1), then there exists adjoint variables</italic> <inline-formula><mml:math id="M70"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x0211C;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <italic>i</italic> &#x0003D; 1, 2, .., 5 <italic>satisfying the following equation</italic></p>
<disp-formula id="E46"><label>(5.5)</label><mml:math id="M71"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Where <italic>k</italic> &#x0003D; <italic>S</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>R</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>S</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub> and with the transversality conditions &#x003B8;<sub>1</sub>(<italic>t</italic><sub><italic>f</italic></sub>) &#x0003D; &#x003B8;<sub>2</sub>(<italic>t</italic><sub><italic>f</italic></sub>) &#x0003D; &#x003B8;<sub>3</sub>(<italic>t</italic><sub><italic>f</italic></sub>) &#x0003D; &#x003B8;<sub>4</sub>(<italic>t</italic><sub><italic>f</italic></sub>) &#x0003D; &#x003B8;<sub>5</sub>(<italic>t</italic><sub><italic>f</italic></sub>) &#x0003D; 0. The controls <inline-formula><mml:math id="M72"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M73"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M74"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M75"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M76"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> satisfy the following optimality conditions</p>
<disp-formula id="E47"><label>(5.6)</label><mml:math id="M77"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><italic>Proof</italic>. Thus, the adjoint system is obtained as the differential equations associated with the adjoint variables, determined by differentiating the Hamiltonian function with the corresponding state variables.</p>
<disp-formula id="E48"><mml:math id="M78"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E49"><mml:math id="M79"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E50"><label>(5.7)</label><mml:math id="M80"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E51"><mml:math id="M81"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E52"><mml:math id="M82"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>With transversality condition (at zero final time, <italic>t</italic><sub><italic>f</italic></sub>) &#x003B8; <sub><italic>k</italic></sub> (<italic>t</italic><sub><italic>f</italic></sub>) &#x0003D; 0 for <italic>k</italic> &#x0003D; 1, 2, 3, 4, 5. Further, the optimality condition is obtained by differentiating the Hamiltonian with respect to each of the controls <italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>4</sub>, and <italic>u</italic><sub>5</sub> at a steady state, thus,</p>
<disp-formula id="E53"><label>(5.8)</label><mml:math id="M83"><mml:mtable columnalign='right'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign='right'><mml:mtr columnalign='right'><mml:mtd columnalign='right'><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='right'><mml:mtd columnalign='right'><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='right'><mml:mtd columnalign='right'><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='right'><mml:mtd columnalign='right'><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='right'><mml:mtd columnalign='right'><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='right'><mml:mtd columnalign='right'><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign='right'><mml:mtr columnalign='right'><mml:mtd columnalign='right'><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Given the above equations, we obtain the optimal condition:</p>
<disp-formula id="E54"><label>(5.9)</label><mml:math id="M84"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, (<italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>4</sub>, <italic>u</italic><sub>5</sub>) satisfy the optimality conditions</p>
<disp-formula id="E55"><label>(5.10)</label><mml:math id="M85"><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo> <mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>max</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo> <mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>min</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow> <mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>max</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo> <mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>min</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow> <mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;&#x0200B;</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>max</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo> <mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>min</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow> <mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>max</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo> <mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>min</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow> <mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>max</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo> <mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>min</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>max</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mtext>I</mml:mtext><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow> <mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow> </mml:mrow></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x025A1;</p>
<p>The following theorem is used to show that there exists an optimal control <italic>u</italic><sup>&#x022C6;</sup> for the optimal control problem.</p>
<p><bold>Theorem 4</bold>. <italic>[</italic><xref ref-type="bibr" rid="B32">32</xref><italic>]</italic>. <italic>There exists an optimal control given the objective functional</italic> <italic>J</italic> <italic>defined on the control set</italic> <italic>U</italic> <italic>and subject to the state system with positive initial conditions at</italic> <italic>t</italic> &#x0003D; 0, <inline-formula><mml:math id="M86"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M87"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M88"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M89"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M90"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula><mml:math id="M91"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x022C6;</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo class="qopname">min</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>holds when the following properties are satisfied:</italic></p>
<list list-type="simple">
<list-item><p><italic>(1) The permissible control set</italic> <italic>U</italic> <italic>is convex and closed</italic></p></list-item>
<list-item><p><italic>(ii) The state system is constrained by a linear function in the states and control variables</italic></p></list-item>
<list-item><p><italic>(iii) The integrand of the objective functional</italic> <italic>J</italic> <italic>in Equation (5.2) is convex with respect to the control.</italic></p></list-item>
<list-item><p><italic>(iv) The Lagrangian is bounded below by</italic></p></list-item>
</list>
<disp-formula id="E56"><mml:math id="M92"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p><italic>for constants</italic> <italic>a</italic><sub>0</sub>, <italic>a</italic><sub>1</sub> &#x0003E; 0 <italic>and</italic> <italic>a</italic><sub>2</sub> &#x0003E; 1.</p>
<p><italic>Proof</italic>. Let the control set <italic>U</italic> &#x0003D;[0, <italic>U</italic><sub><italic>max</italic></sub>], <italic>U</italic><sub><italic>max</italic></sub> &#x02264; 1, <italic>u</italic> &#x02208; <italic>U</italic>, <italic>x</italic> &#x0003D; (<italic>S</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>R</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>S</italic><sub><italic>m</italic></sub>, <italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub>) and <italic>G</italic><sub>0</sub>(<italic>t, x, u</italic>) be the right-hand side of the non-autonomous system (5.1) given by</p>
<disp-formula id="E57"><label>(5.11)</label><mml:math id="M93"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='center'><mml:mtr columnalign='center'><mml:mtd columnalign='center'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnalign='center'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>for <italic>u</italic> &#x0003D; (<italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>4</sub>, <italic>u</italic><sub>5</sub>) &#x02208; <italic>U</italic>. We next verify the four properties in theorem 4:</p>
<list list-type="simple">
<list-item><p>(i) Given the control set <italic>U</italic> &#x0003D; [0, <italic>U</italic><sub><italic>max</italic></sub>]. By definition, <italic>U</italic> is closed. Further, let <italic>v</italic><sub>1</sub>, <italic>v</italic><sub>2</sub> &#x02208; <italic>U</italic>, where <italic>v</italic><sub>1</sub> and <italic>v</italic><sub>2</sub> are any two arbitrary points. It follows from the definition of a convex set, that</p>
<p><disp-formula id="E58"><mml:math id="M94"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Consequently, &#x003BB;<italic>v</italic><sub>1</sub> &#x0002B; (1&#x02212;&#x003BB;)<italic>v</italic><sub>2</sub> &#x02208; <italic>U</italic>, which implies the convexity of <italic>U</italic>.</p></list-item>
<list-item><p>(ii) Clearly, <italic>G</italic><sub>0</sub>(<italic>t, x, u</italic>) can be decomposed as</p>
<p><disp-formula id="E59"><label>(5.12)</label><mml:math id="M95"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>where</p>
<p><disp-formula id="E60"><label>(5.13)</label><mml:math id="M96"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='center'><mml:mtr columnalign='center'><mml:mtd columnalign='center'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mtable columnalign='center'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p><disp-formula id="E61"><label>(5.14)</label><mml:math id="M97"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='center'><mml:mtr columnalign='center'><mml:mtd columnalign='center'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>The norm of Equation (5.12) is</p>
<p><disp-formula id="E62"><label>(5.15)</label><mml:math id="M98"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>&#x0007C;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Where <italic>a</italic><sub>0</sub> and <italic>a</italic><sub>1</sub> are positive constants obtained as follows:</p>
<p>Let the components of the upper bound for <italic>G</italic><sub>1</sub>(<italic>t, x</italic>) using the superposition approach be</p>
<p><disp-formula id="E63"><label>(5.16)</label><mml:math id="M99"><mml:mtable columnalign="right"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtable style="text-align:axis;" equalrows="false" columnlines="none none none none none none none none none" equalcolumns="false" class="array"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Let the bound on the state variables be <italic>K</italic> &#x0003D; <italic>max</italic>{<italic>K</italic><sub><italic>S</italic><sub><italic>h</italic></sub></sub>, <italic>K</italic><sub><italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub></sub>, <italic>K</italic><sub><italic>R</italic><sub><italic>h</italic></sub></sub>, <italic>K</italic><sub><italic>S</italic><sub><italic>m</italic></sub></sub>, <italic>K</italic><sub><italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub></sub>}, then</p>
<p><disp-formula id="E64"><label>(5.17)</label><mml:math id="M100"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:msup><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mi>K</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>By using the inequality concept</p>
<p><disp-formula id="E65"><label>(5.18)</label><mml:math id="M101"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>yields</p>
<p><disp-formula id="E66"><label>(5.19)</label><mml:math id="M102"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M103"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, <italic>A</italic><sub>2</sub> &#x0003D; 2<italic>b</italic><sub><italic>h</italic></sub>&#x003B4;, <italic>A</italic><sub>3</sub> &#x0003D; <italic>A</italic><sub>4</sub> &#x0003D; 1.</p>
<p>Further, the sum of the squares of each component of <italic>G</italic><sub>2</sub>(<italic>t, x</italic>) is</p>
<p><disp-formula id="E67"><label>(5.20)</label><mml:math id="M104"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Note that the upper bound for the state variables i.e., <inline-formula><mml:math id="M105"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M106"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. By replacing each variable by its upper bound in Equation (5.20) leads to</p>
<p><disp-formula id="E68"><label>(5.21)</label><mml:math id="M107"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M108"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M109"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M110"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy='true'>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>9</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy='true'>)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M111"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>54</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>18</mml:mn><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>9</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Applying the concept introduced in Equation (5.18) yields</p>
<p><disp-formula id="E69"><label>(5.22)</label><mml:math id="M112"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p></list-item>
<list-item><p>(iii) Recall the integrand of the objective function defined in Equation (5.2) written as</p>
<p><disp-formula id="E70"><label>(5.23)</label><mml:math id="M113"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>G</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>for <italic>i</italic> &#x0003D; 1, 2, ...5, <italic>G</italic><sub><italic>W</italic></sub>(<italic>t, x</italic>) &#x0003D; <italic>W</italic><sub>1</sub><italic>S</italic><sub><italic>h</italic></sub> &#x0002B; <italic>W</italic><sub>2</sub><italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub> &#x0002B; <italic>W</italic><sub>3</sub><italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub>, and <inline-formula><mml:math id="M114"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>. It is sufficient to prove that <inline-formula><mml:math id="M115"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is convex on <italic>u</italic><sub><italic>i</italic></sub> i.e., we need to show that</p>
<p><disp-formula id="E71"><label>(5.24)</label><mml:math id="M116"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>for <italic>v</italic><sub>1</sub>, <italic>v</italic><sub>2</sub> &#x02208; <italic>U</italic> and &#x003BB;<sub><italic>i</italic></sub> &#x02208; [0, <italic>U</italic><sub><italic>max</italic></sub> &#x0003D; 1]. By definition, it implies that</p>
<p><disp-formula id="E72"><label>(5.25)</label><mml:math id="M117"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo> <mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='false'><mml:msubsup><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='false'><mml:msubsup><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='false'><mml:msubsup><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:msubsup><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow> </mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p>Thus in view of (5.25), Equation (5.24) becomes</p>
<p>
<disp-formula id="E73"><mml:math id="M118"><mml:mtable columnalign="right"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>since &#x003BB;<sub><italic>i</italic></sub> &#x02208; [0, <italic>U</italic><sub><italic>max</italic></sub> &#x0003D; 1], this then implies that the integrand <italic>H</italic>(<italic>t, x, u</italic><sub><italic>i</italic></sub>) of the objective functional <italic>J</italic> is convex.</p></list-item>
<list-item><p>(iv) The fourth property is proved as follows:</p>
<p><disp-formula id="E74"><mml:math id="M119"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>W</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>5</mml:mn></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p></list-item>
</list>
<p>where <italic>a</italic><sub>0</sub> &#x0003D; <italic>min</italic>{<italic>w</italic><sub><italic>i</italic></sub>}, <italic>a</italic><sub>1</sub> &#x0003E; 0, and <italic>a</italic><sub>2</sub> &#x0003D; 2. This completes the proof. &#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x025A1;</p></sec>
<sec>
<title>5.7. Parameter estimation</title>
<p>The parameters of the model were estimated directly from the real monthly data collected on malaria cases from Benue State in Nigeria. Some of the parameters are estimated, some were assumed and some were adopted from the literature. The results of the estimated parameters and other parameters are displayed in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>. The parameters are estimated based on the relationship already established among the variables from the dynamic system in Equation (2.3) at a steady state. It should be noted that <italic>S</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>R</italic><sub><italic>h</italic></sub>, <italic>S</italic><sub><italic>m</italic></sub>, and <italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub> are time dependent variables, <italic>t</italic> = 1, 2, . . ., <italic>n</italic>. It should be noted that &#x00398; &#x0003E; 0, where &#x00398; is the parameter space at any given time. The natural death rate for humans, &#x003BC;<sub><italic>h</italic></sub> is directly obtained from demographic data, and it is given by</p>
<table-wrap position="float" id="T1">
<label>Table 1</label>
<caption><p>Parameters and their estimates.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold>Symbols</bold></th>
<th valign="top" align="center" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold>Description</bold></th>
<th valign="top" align="center" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold>Estimates (per month)</bold></th>
<th valign="top" align="center" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold>Range</bold></th>
<th valign="top" align="left" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold>Source</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">&#x003C0;</td>
<td valign="top" align="center">Recovery rate of infected human after treatment</td>
<td valign="top" align="center">0.7585</td>
<td valign="top" align="center">(0, 0.997)</td>
<td valign="top" align="left">Estimated from data</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003C3;</td>
<td valign="top" align="center">Malaria induced death rate</td>
<td valign="top" align="center">0.0008</td>
<td valign="top" align="center">(0, 0.01)</td>
<td valign="top" align="left">Estimated from data</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left"><italic>p</italic><sub>1</sub></td>
<td valign="top" align="center">Probability that a human is infected through blood transfusion</td>
<td valign="top" align="center">0.5979</td>
<td valign="top" align="center">(0.2, 1)</td>
<td valign="top" align="left">Estimated from data</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003B1;</td>
<td valign="top" align="center">Transfusion term</td>
<td valign="top" align="center">0.6626</td>
<td valign="top" align="center">(0, 1)</td>
<td valign="top" align="left">Estimated from data</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003B4;</td>
<td valign="top" align="center">Rate of progression to susceptible group</td>
<td valign="top" align="center">0.7615</td>
<td valign="top" align="center">(0.25, 1)</td>
<td valign="top" align="left">Estimated from data</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left"><italic>b</italic><sub><italic>h</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">Human recruitment rate</td>
<td valign="top" align="center">0.00011</td>
<td valign="top" align="center">(0, 0.05)</td>
<td valign="top" align="left">[<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>]</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left"><italic>b</italic><sub><italic>m</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">Mosquito recruitment rate</td>
<td valign="top" align="center">0.071</td>
<td valign="top" align="center">(0, 0.1)</td>
<td valign="top" align="left">[<xref ref-type="bibr" rid="B33">33</xref>]</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003BC;<sub><italic>h</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">Natural death of human</td>
<td valign="top" align="center">0.0015</td>
<td valign="top" align="center">(0, 0.05)</td>
<td valign="top" align="left">Demographic data</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003BC;<sub><italic>m</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">Natural death of mosquito</td>
<td valign="top" align="center">0.067</td>
<td valign="top" align="center">(0, 0.1)</td>
<td valign="top" align="left">[<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>]</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003B2;<sub><italic>mh</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">Transmission rate from mosquito to human</td>
<td valign="top" align="center">0.3</td>
<td valign="top" align="center">(0, 0.8)</td>
<td valign="top" align="left">[<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>]</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003B2;<sub><italic>hm</italic></sub></td>
<td valign="top" align="center">Transmission rate from human to mosquito</td>
<td valign="top" align="center">0.09</td>
<td valign="top" align="center">(0, 0.2)</td>
<td valign="top" align="left">[<xref ref-type="bibr" rid="B34">34</xref>]</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<disp-formula id="E75"><label>(5.26)</label><mml:math id="M120"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>12</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Where &#x003BC;<sub>0</sub> &#x0003D; 55.12 is the average life expectancy of Nigeria at the time the data was collected. Note that &#x003BC;<sub><italic>h</italic></sub> was calibrated to a monthly rate. Thus the value of &#x003BC;<sub>0</sub> is 0.0015, which implies that the natural death rate is approximately 15 out of 10,000 persons monthly. In simple terms, on average 15 out of 10,000 people die every month naturally. Without loss of generality, we can denote <italic>S</italic><sub><italic>h</italic></sub>(<italic>t</italic>) by just <italic>S</italic><sub><italic>ht</italic></sub> and the same for other variables. The recovery rate of infected humans after treatment, &#x003C0; is estimated by</p>
<disp-formula id="E76"><label>(5.27)</label><mml:math id="M121"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Where <italic>t</italic>, <italic>t</italic> &#x0003D; 1, 2, ..., <italic>n</italic> is time measured in months and <italic>n</italic> is the number of months covered. The variables <italic>R</italic><sub><italic>ht</italic></sub> and <italic>I</italic><sub><italic>ht</italic></sub> are the number of recovered humans and the number of infected humans at time <italic>t</italic> respectively.</p>
<p>Malaria induced death rate of infected humans, &#x003C3; is estimated by</p>
<disp-formula id="E77"><label>(5.28)</label><mml:math id="M122"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003C3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The variable <italic>D</italic><sub><italic>ht</italic></sub> is the number of malaria induced deaths at time <italic>t</italic>. The probability that a human is infected through blood transfusion, <italic>p</italic><sub>1</sub> is given by</p>
<disp-formula id="E78"><label>(5.29)</label><mml:math id="M123"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Where <italic>E</italic><sub><italic>ht</italic></sub> is the number of exposed humans to malaria through exposure to an infected mosquito bite or <italic>via</italic> infected blood transfusion. The transfusion rate, &#x003B1; is given by</p>
<disp-formula id="E79"><label>(5.30)</label><mml:math id="M124"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Where <italic>T</italic><sub><italic>ht</italic></sub> number of humans whose blood was tested and screened for malaria. Based on Equations (5.29), (5.30), it should be noted that <italic>E</italic>(<italic>t</italic>) &#x0003E; <italic>T</italic>(<italic>t</italic>) for all <italic>t</italic>, so that &#x003B1; &#x0003E; <italic>p</italic><sub>1</sub>. This is enforced because the blood transfusion rate should be greater than the probability that a human is infected through blood transfusion. Recall from Equation (2.3) that</p>
<disp-formula id="E80"><mml:math id="M125"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x02032;</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>at steady state, we have</p>
<disp-formula id="E81"><mml:math id="M126"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Solving for &#x003B4; gives</p>
<disp-formula id="E82"><label>(5.31)</label><mml:math id="M127"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Where <inline-formula><mml:math id="M128"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the estimate of the rate of progression to the susceptible group, &#x003B4;; <inline-formula><mml:math id="M129"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is the period average for the number of recovered humans, and the term <inline-formula><mml:math id="M130"><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> account for the force of infection as a result of blood transfusion, <italic>p</italic><sub>1</sub> is the probability of effectively transfusing infected blood to a susceptible human, &#x003B1; is the transfusion term, <italic>b</italic><sub><italic>h</italic></sub> is the recruit rate of humans, and <inline-formula><mml:math id="M131"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>&#x00304;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the average force of transmitting malaria infection from an infected mosquito-to-human, and it is given in Equation (2.1).</p></sec></sec>
<sec id="s6">
<title>6. Statistical data analysis</title>
<sec>
<title>6.1. Exploratory data analysis</title>
<p>The data analyzed is a time series of secondary data on the monthly incident of malaria in Benue State collected from the Benue State Ministry of Health from June 2013 to September 2016, spanning 40 months of data points. All the values of the variables are monthly and the parameters estimated are per month. <xref ref-type="fig" rid="F4">Figures 4</xref>&#x02013;<bold>7</bold> are plotted in this study directly based on the Benue State malaria available data.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p>Monthly incident of malaria in benue.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1105543-g0004.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> shows that the incidence of malaria in Benue State depicts a seasonal variation. The incidence of malaria is always high at a particular time of the year (June to October) and always low from December to March. This variation is seen over the 4 years under study. <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> shows the cumulative incidence of malaria. All the variables do not show any sign of flattened curves, except for deaths.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p>Monthly cumulative incident of malaria in benue.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1105543-g0005.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> depicts the distribution of monthly incidents of malaria in Benue State. The histograms show that the susceptible population is asymptotically uniformly distributed, the exposed population is negatively skewed, the tested population is approximately normally distributed, the infected and total infected have multiple local maximum points and death is positively skewed.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>Figure 6</label>
<caption><p>Distribution of monthly incident of malaria in benue.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1105543-g0006.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> shows the spread of the malaria incident in Benue State. The boxplots show that all the variables are highly spread as can be seen in the values of their standard deviations in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>Figure 7</label>
<caption><p>Spread of monthly incident of malaria in benue.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1105543-g0007.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>6.2. Variables predicted</title>
<p>Some of the variables used in the model are predicted using the parameters and the formulated models at a steady state. The ones where the data are available were not predicted and are shown in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>, but the ones whose real data are not available were predicted as displayed in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>. The results of the predicted variables are displayed in <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref>.</p>
<table-wrap position="float" id="T2">
<label>Table 2</label>
<caption><p>Predicted variables summary statistic.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold>Symbols</bold></th>
<th valign="top" align="left" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold>Description</bold></th>
<th valign="top" align="left" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold>Monthly mean</bold></th>
<th valign="top" align="left" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold>Std error</bold></th>
<th valign="top" align="left" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold>Range</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>R</italic><sub><italic>h</italic></sub></td>
<td valign="top" align="left">Recovered humans</td>
<td valign="top" align="left">13,124</td>
<td valign="top" align="left">741.2</td>
<td valign="top" align="left">(3,724, 21,740)</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left"><italic>N</italic><sub><italic>h</italic></sub></td>
<td valign="top" align="left">Total human population</td>
<td valign="top" align="left">5,326,174</td>
<td valign="top" align="left">21,458.9</td>
<td valign="top" align="left">(5,091,749, 5,556,041)</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left"><italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub></td>
<td valign="top" align="left">Infected mosquitoes</td>
<td valign="top" align="left">33,475</td>
<td valign="top" align="left">134.9</td>
<td valign="top" align="left">(32,001, 34,919)</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left"><italic>S</italic><sub><italic>m</italic></sub></td>
<td valign="top" align="left">Susceptible mosquitoes</td>
<td valign="top" align="left">10,104,630</td>
<td valign="top" align="left">40711.1</td>
<td valign="top" align="left">(9,659,888, 10,540,726)</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<table-wrap position="float" id="T3">
<label>Table 3</label>
<caption><p>Initial values of all variables of interest.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold>Date</bold></th>
<th valign="top" align="left" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold><italic>S</italic><sub><italic>h</italic></sub></bold></th>
<th valign="top" align="left" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold><italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub></bold></th>
<th valign="top" align="left" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold><italic>R</italic><sub><italic>h</italic></sub></bold></th>
<th valign="top" align="left" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold><italic>S</italic><sub><italic>m</italic></sub></bold></th>
<th valign="top" align="left" style="background-color:#919497;color:#ffffff"><bold><italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub></bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">June 2013</td>
<td valign="top" align="left">5,084,288</td>
<td valign="top" align="left">3,737</td>
<td valign="top" align="left">3,724</td>
<td valign="top" align="left">9,659,888</td>
<td valign="top" align="left">32001.31</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<p><xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref> shows the initial parameters used to fit the dynamic model. The initial values are the values in the initial month of the data collected. It should be noted that the data are monthly data.</p></sec>
<sec>
<title>6.3. Model fitting</title>
<p>The model fitting was performed using a genetic algorithm (GA) [<xref ref-type="bibr" rid="B35">35</xref>] for our function optimizer, using MATLAB; the GA helps us find the correct region of attraction, which provides the starting values for the parameters to be estimated in the fmincon function in the Optimization Toolbox of MATLAB. Hence, we shall be combining two optimization algorithms for our data fitting, a GA and the fmincon algorithm in MATLAB to get a more accurate estimate. Our model fitting is implemented for a malaria data set of Benue State, Nigeria from June 2013 to September 2016 (see <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>).</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>Figure 8</label>
<caption><p>Model fitting using GA and the fmincon algorithm.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-09-1105543-g0008.tif"/>
</fig></sec></sec>
<sec id="s7">
<title>7. Numerical simulations and discussion of results</title>
<p>This section is devoted to numerically illustrating the theoretical results obtained in the model analysis. <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref> present the parameter values and their sources. Where the parameter values are not available from literature or estimation, realistic values were assumed in the simulation. In the following, we simulate different combinations of treatment and preventive control measures to investigate their impact on malaria transmission. We have excluded simulating single controls following the recommendation of WHO [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>] that a combination of controls is recommended to control/interrupt malaria transmission. Thus, we shall simulate to investigate the following scenarios:</p>
<list list-type="roman-lower">
<list-item><p>Possible combinations using two (2) controls only.</p></list-item>
<list-item><p>Possible combinations using three (3) controls only.</p></list-item>
<list-item><p>Possible combinations using four (4) controls only.</p></list-item>
<list-item><p>Possible combinations using all five (5) controls.</p></list-item>
</list>
<p>To perform the simulation, we assumed that the weight functions <italic>W</italic><sub><italic>i</italic></sub>, <italic>i</italic> &#x0003D; 1, 2, ..5, associated with the controls are unity. Also, the initial values for the state variables and parameter values are given in <xref ref-type="table" rid="T1">Tables 1</xref>, <xref ref-type="table" rid="T3">3</xref>, respectively. The <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figures 7.1&#x02013;7.26</xref> represent the various scenarios described below can be seen on the <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM1">Supplementary material</xref>. We next discuss the various scenarios arising from the simulations:</p>
<sec>
<title>7.1. Optimal blood screening (<italic>u</italic><sub>1</sub>) and long lasting insecticide treated bednets (<italic>u</italic><sub>2</sub>)</title>
<p>Using this strategy, we optimize the objective function using the controls <italic>u</italic><sub>1</sub> and <italic>u</italic><sub>2</sub> when <italic>u</italic><sub>3</sub> &#x0003D; <italic>u</italic><sub>4</sub> &#x0003D; <italic>u</italic><sub>5</sub> &#x0003D; 0, it can be seen from <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.1</xref> that without the controls, there is a sharp decline in the number of susceptible humans that progresses to the infected humans. This is indeed the case as we have a high increase in the number of infected mosquitoes. In the presence of controls <italic>u</italic><sub>1</sub> and <italic>u</italic><sub>2</sub>, susceptible humans maintained a constant level after about 50 months while the number of infected humans and infected vectors are reduced significantly after 50 months. It can also be observed from <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.1</xref> that little or no humans are recovered.</p></sec>
<sec>
<title>7.2. Optimal blood screening (<italic>u</italic><sub>1</sub>) and treatment (<italic>u</italic><sub>3</sub>)</title>
<p>In this case, we simulated only <italic>u</italic><sub>1</sub> and <italic>u</italic><sub>3</sub> while other controls remain zero. Specifically, it can be noticed from <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.2</xref> that the intervention strategies lead to a decrease in the number of both infected humans and mosquitoes as against an increase observed in the uncontrolled case, while at the same time, susceptible humans maintained a steady level and more humans recovered.</p></sec>
<sec>
<title>7.3. Optimal blood screening (<italic>u</italic><sub>1</sub>) and pesticide/chemicals spray (<italic>u</italic><sub>4</sub>)</title>
<p>Using this strategy, <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.3</xref> shows that the adopted strategy does not have an impact on susceptible, infected, and recovered humans, respectively. It can also be observed from <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.3</xref> that the combination of the controls <italic>u</italic><sub>1</sub> and <italic>u</italic><sub>4</sub> had little impact on the infected mosquito population, which explains why this strategy does not provide control on susceptible, infected and recovered humans.</p></sec>
<sec>
<title>7.4. Optimal blood screening (<italic>u</italic><sub>1</sub>) and indoor insecticide spray (<italic>u</italic><sub>5</sub>)</title>
<p>With this strategy, it was observed in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.4</xref> that there is a significant difference in <italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub> and <italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub> using controls <italic>u</italic><sub>1</sub> and <italic>u</italic><sub>5</sub> compared to <italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub> and <italic>I</italic><sub><italic>m</italic></sub> without control. This strategy also shows a significant difference in optimal Susceptible <italic>S</italic><sub><italic>h</italic></sub> compared to <italic>S</italic><sub><italic>h</italic></sub> in the uncontrolled case. Since there is no treatment strategy (<italic>u</italic><sub>3</sub> &#x0003D; 0) in place, this strategy does not have control over recovered humans.</p></sec>
<sec>
<title>7.5. Optimal LLITBs (<italic>u</italic><sub>2</sub>) and treatment (<italic>u</italic><sub>3</sub>)</title>
<p>In <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.5</xref>, this strategy, when applied, shows a significant decrease in the number of infected humans and infected mosquitoes as against an increase observed in the uncontrolled case. Also, in the uncontrolled case, susceptible individuals stabilize for around 50 months while in the uncontrolled case, susceptible individuals are further depleted increasing the number of infected humans <italic>I</italic><sub><italic>h</italic></sub>. The strategy, also revealed that it is potent for recovered humans as shown in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.5</xref>.</p></sec>
<sec>
<title>7.6. Optimal LLITBs (<italic>u</italic><sub>2</sub>) and pesticides/chemicals spray (<italic>u</italic><sub>4</sub>)</title>
<p>Here, the controls <italic>u</italic><sub>2</sub> and <italic>u</italic><sub>4</sub> are used to optimize the objective function with other controls <italic>u</italic><sub>1</sub> &#x0003D; <italic>u</italic><sub>3</sub> &#x0003D; <italic>u</italic><sub>5</sub> &#x0003D; 0. The implementation of this strategy revealed in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.6</xref> that the number of infected humans and infected mosquitoes differs significantly from the uncontrolled case. The figure further showed that there is no significant impact on recovered individuals since treatment <italic>u</italic><sub>3</sub> &#x0003D; 0 is not considered in this strategy. This strategy shows a close difference between controlled and uncontrolled susceptible humans.</p></sec>
<sec>
<title>7.7. Optimal LLITBs (<italic>u</italic><sub>2</sub>) and indoor insecticide spray (<italic>u</italic><sub>5</sub>)</title>
<p>In this scenario, the controls <italic>u</italic><sub>2</sub> and <italic>u</italic><sub>5</sub> are used to optimize the objective function, with other controls set to zero. <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.7</xref> shows that this strategy has little effect on susceptible humans becoming infected. It can be seen that the number of susceptible humans in both controlled and uncontrolled cases is very close. This strategy also provides no control over the recovered humans. In <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.7</xref>, there is little difference in the number of infected humans between the controlled and uncontrolled cases. Further, the number of infected mosquitoes is reduced for the controlled case when compared to the uncontrolled case.</p></sec>
<sec>
<title>7.8. Optimal treatment (<italic>u</italic><sub>3</sub>) and pesticides/chemicals spray (<italic>u</italic><sub>4</sub>)</title>
<p>The objective function is optimized in this case by <italic>u</italic><sub>3</sub> and <italic>u</italic><sub>4</sub> while other controls <italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub>, and <italic>u</italic><sub>5</sub> are set to zero. In <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.8</xref>, by using this strategy, there is a significant difference in the number of susceptible humans in the controlled case compared to the uncontrolled case. This strategy also shows that there is a significant difference in the number of infected mosquitoes compared to the uncontrolled case. Similarly, using this strategy, there is a sharp difference in the number of infected humans with fluctuations before finally settling down around 60 months. This account for the considerable difference in the number of recovered humans using this strategy. It is also observed in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.8</xref>, the recovery of individuals occurs with oscillations before finally settling to a steady state around 60 months.</p></sec>
<sec>
<title>7.9. Optimal treatment (<italic>u</italic><sub>3</sub>) and indoor insecticide spray (<italic>u</italic><sub>5</sub>)</title>
<p>This strategy involves the optimization of the objective function using <italic>u</italic><sub>3</sub> and <italic>u</italic><sub>5</sub> while other controls are set to zero. In <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.9</xref>, it is shown that there is a significant difference in the number of susceptible individuals in the controlled case compared to the uncontrolled case. This strategy shows that it is effective for recovered humans as there are few or no individuals left to recover from the disease. The number of infected humans and infected mosquitoes is significantly reduced in the controlled case as against when there is no control.</p></sec>
<sec>
<title>7.10. Optimal pesticides/chemicals spray (<italic>u</italic><sub>4</sub>) and indoor insecticide spray (<italic>u</italic><sub>5</sub>)</title>
<p>The objective function is optimized using the controls <italic>u</italic><sub>4</sub> and <italic>u</italic><sub>5</sub> with <italic>u</italic><sub>1</sub> &#x0003D; <italic>u</italic><sub>2</sub> &#x0003D; <italic>u</italic><sub>3</sub> &#x0003D; 0. The result of this strategy as shown in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.10</xref> revealed that it impact the reduction of infected mosquitoes significantly as compared to the uncontrolled case. With control, the number of infected individuals dropped significantly to about 500, 000 infected individuals as against 2<italic>Million</italic> infected individuals in the uncontrolled case. However, this strategy does not have any impact on recovered individuals. The simulation in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.10</xref>, revealed that in the uncontrolled case, more susceptible humans progress significantly to the infected class when compared to the controlled case.</p></sec>
<sec>
<title>7.11. Optimal blood screening (<italic>u</italic><sub>1</sub>), LLITBs <italic>u</italic><sub>2</sub> and treatment (<italic>u</italic><sub>3</sub>)</title>
<p>The combination of the controls <italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub>, and <italic>u</italic><sub>3</sub> are used to optimize the objective function while keeping <italic>u</italic><sub>4</sub> and <italic>u</italic><sub>5</sub> to be zero. Using this intervention strategy, it can be seen in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.11</xref>, for the controlled case, the number of infected humans and infected mosquitoes is reduced significantly while a considerable increase is observed when control is not in place. It can be seen in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.11</xref>, that for the strategy, the recovered class display oscillations which may suggest that disease transmission may increase/decrease during certain months of the year. With control in place, the number of susceptible individuals is maintained at a steady level as against the sharp decline in the number of susceptible when there is no control.</p></sec>
<sec>
<title>7.12. Optimal blood screening (<italic>u</italic><sub>1</sub>), LLITBs <italic>u</italic><sub>2</sub> and pesticide/chemical spray (<italic>u</italic><sub>4</sub>)</title>
<p>The objective function is optimized using the controls <italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub>, and <italic>u</italic><sub>4</sub> with <italic>u</italic><sub>3</sub> &#x0003D; 0 and <italic>u</italic><sub>5</sub> &#x0003D; 0 is not effective to aid human recovery from the disease, however, a significant decrease is observed in the number of infected humans and infected mosquitoes when this strategy is implemented as compared when there is no control. This strategy can keep the number of susceptible humans at a steady level while the number decreases significantly when there is no control in place.</p></sec>
<sec>
<title>7.13. Optimal blood screening (<italic>u</italic><sub>1</sub>), LLITBs <italic>u</italic><sub>2</sub> and indoor insecticide spray (<italic>u</italic><sub>5</sub>)</title>
<p>The controls <italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub> and <italic>u</italic><sub>5</sub> are used to optimize the objective function while setting <italic>u</italic><sub>3</sub> and <italic>u</italic><sub>4</sub> to zero. From <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.13</xref>, it can be seen that there is little difference in the number of susceptible individuals between the controlled and uncontrolled cases, while the strategy does not affect number of recovered humans. There is little difference in the number of infected humans with control and when control is not in place. With control, it is observed in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.3</xref> that the number of infected mosquitoes is reduced by half while the number of infected mosquitoes is doubled in the absence of controls.</p></sec>
<sec>
<title>7.14. Optimal blood screening (<italic>u</italic><sub>1</sub>), treatment <italic>u</italic><sub>3</sub>, and pesticides/chemicals spray (<italic>u</italic><sub>4</sub>)</title>
<p>The objective function in this case is optimized using <italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub> and <italic>u</italic><sub>4</sub> with <italic>u</italic><sub>2</sub> &#x0003D; 0 and <italic>u</italic><sub>5</sub> &#x0003D; 0. <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.14</xref>, shows that the strategy has significant control on susceptible humans and infected mosquitoes, respectively. It can also be seen that the control has a significant effect on the number of infected humans and recovered humans, respectively. The oscillations observed in the controlled cases for both infected and recovered humans may be a result of the varying transmission of the disease during certain months of the year.</p></sec>
<sec>
<title>7.15. Optimal blood screening (<italic>u</italic><sub>1</sub>), treatment <italic>u</italic><sub>3</sub>, and indoor insecticide spray (<italic>u</italic><sub>5</sub>)</title>
<p>In this instance, only the controls <italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub> and <italic>u</italic><sub>5</sub> are used to optimize the objective function. In <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.15</xref>, the strategy shows that the number of susceptible and recovered humans is increased compared to the uncontrolled case. It is also observed using this strategy, decreases the number of infected humans and vectors for the controlled case as against the increase observed when there is no control.</p></sec>
<sec>
<title>7.16. Optimal blood screening (<italic>u</italic><sub>1</sub>), pesticides/chemicals <italic>u</italic><sub>4</sub> spray, and indoor insecticide spray (<italic>u</italic><sub>5</sub>)</title>
<p>The objective function is optimized using combination of controls <italic>u</italic>1, <italic>u</italic>4, and <italic>u</italic>5 with <italic>u</italic>2 &#x0003D; <italic>u</italic>3 &#x0003D; 0. As shown in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.16</xref>, the strategy has little impact on susceptible humans while it has no impact on recovered humans. It can be seen in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.16</xref>, that the strategy has an impact in reducing the number of infected mosquitoes as against the uncontrolled case. The number of infected humans in the controlled case is about half of the uncontrolled case.</p></sec>
<sec>
<title>7.17. Optimal LLITBs (<italic>u</italic><sub>2</sub>), treatment <italic>u</italic><sub>3</sub>, and pesticides/chemicals spray (<italic>u</italic><sub>4</sub>)</title>
<p>This strategy optimizes the objective function using the combination of the controls <italic>u</italic>2, <italic>u</italic>3, and <italic>u</italic>4. In <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.17</xref>, this strategy has a significant impact in controlling the number of susceptible humans, infected humans, recovered humans, and infected mosquitoes compared to the uncontrolled case.</p></sec>
<sec>
<title>7.18. Optimal LLITBs (<italic>u</italic><sub>2</sub>), treatment <italic>u</italic><sub>3</sub>, and indoor insecticide spray (<italic>u</italic><sub>5</sub>)</title>
<p>The combination of the controls (<italic>u</italic><sub>2</sub>), (<italic>u</italic><sub>3</sub>), and (<italic>u</italic><sub>5</sub>) with (<italic>u</italic><sub>1</sub> &#x0003D; <italic>u</italic><sub>4</sub> &#x0003D; 0) are used to optimize the objective function in this instance. From <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.18</xref>, this strategy has a significant impact on controlling malaria disease. Using this strategy, the number of infected humans and mosquitoes is significantly reduced with more individuals recovering from the disease after treatment. In the controlled case, the progression of susceptible humans is significantly reduced compared to the uncontrolled case.</p></sec>
<sec>
<title>7.19. Optimal LLITBs (<italic>u</italic><sub>2</sub>), treatment (<italic>u</italic><sub>3</sub>), and indoor insecticide spray (<italic>u</italic><sub>5</sub>)</title>
<p>The objective function in this case is optimized using controls (<italic>u</italic><sub>2</sub>), (<italic>u</italic><sub>4</sub>), and (<italic>u</italic><sub>5</sub>) when <italic>u</italic><sub>1</sub> and <italic>u</italic><sub>3</sub> are zero. The simulation using this strategy revealed that it has very little impact in controlling malaria disease transmission. Specifically, it can be seen in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.19</xref> that the number of infected humans and mosquitoes is still high despite the control with no humans recovered. It can be observed that only a few susceptible humans are protected from getting infected as there is little difference between the controlled and uncontrolled cases for susceptible humans.</p></sec>
<sec>
<title>7.20. Optimal treatment (<italic>u</italic><sub>3</sub>), pesticide/chemicals spray (<italic>u</italic><sub>4</sub>), and indoor insecticide spray (<italic>u</italic><sub>5</sub>)</title>
<p>We optimize the objective function using the combination of the controls <italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>4</sub> and <italic>u</italic><sub>5</sub> with <italic>u</italic><sub>1</sub> and <italic>u</italic><sub>2</sub> assumed to be zero. The simulation result in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.20</xref> shows that this strategy is highly effective in controlling malaria disease transmission. With this strategy in place, it can be seen in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.20</xref> that the number of infected humans and mosquitoes is significantly reduced while a significant number of humans recovered from the disease. The simulation also indicates that more individuals are less susceptible to malaria as a result of this strategy.</p></sec>
<sec>
<title>7.21. Optimal blood screening (<italic>u</italic><sub>1</sub>), LLITBs (<italic>u</italic><sub>2</sub>), treatment (<italic>u</italic><sub>3</sub>), and pesticide/chemicals spray (<italic>u</italic><sub>4</sub>)</title>
<p>The objective function is optimized using the controls <italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub>, (<italic>u</italic><sub>3</sub>), and <italic>u</italic><sub>4</sub> with <italic>u</italic><sub>5</sub> &#x0003D; 0. We observe from <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.21</xref> that the number of recovered humans and susceptible individuals differ considerably compared to when there is no control. Furthermore, <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.21</xref>, reveals that the number of infected humans and infected mosquitoes is lower when compared with the case without control.</p></sec>
<sec>
<title>7.22. Optimal blood screening (<italic>u</italic><sub>1</sub>), LLITBs (<italic>u</italic><sub>2</sub>), treatment (<italic>u</italic><sub>3</sub>), and indoor insecticide spray (<italic>u</italic><sub>5</sub>)</title>
<p>With this strategy, the controls <italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub>, (<italic>u</italic><sub>3</sub>), and <italic>u</italic><sub>5</sub> are used to optimize the objective function with <italic>u</italic><sub>4</sub> &#x0003D; 0. For this strategy, shown in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.22</xref>, we observe a significant difference in the number of susceptible humans, infected humans, recovered humans, and infected mosquitoes with optimal strategy compared to susceptible humans, infected humans, recovered humans, and infected mosquitoes without control.</p></sec>
<sec>
<title>7.23. Optimal LLITBs (<italic>u</italic><sub>2</sub>), treatment (<italic>u</italic><sub>3</sub>), pesticide/chemicals spray ((<italic>u</italic><sub>4</sub>), and indoor insecticide spray (<italic>u</italic><sub>5</sub>)</title>
<p>With this strategy, the objective function is optimized using the combination of the controls <italic>u</italic><sub>2</sub>, (<italic>u</italic><sub>3</sub>),((<italic>u</italic><sub>4</sub>), and <italic>u</italic><sub>5</sub> while setting <italic>u</italic><sub>1</sub> to zero. Observe from <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.23</xref> that this optimal strategy shows a significant difference in the number of susceptible individuals, infected humans, and infected mosquitoes as against the uncontrolled case.</p></sec>
<sec>
<title>7.24. Optimal blood screening (<italic>u</italic><sub>1</sub>), LLITBs (<italic>u</italic><sub>2</sub>), treatment (<italic>u</italic><sub>3</sub>), pesticide/chemicals spray ((<italic>u</italic><sub>4</sub>), and indoor insecticide spray (<italic>u</italic><sub>5</sub>)</title>
<p>In this case, all the five controls <italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub>,<italic>u</italic><sub>4</sub>, and <italic>u</italic><sub>5</sub> are used to optimize the objective function. With this strategy, it is observed in <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.24</xref> that the control strategies resulted in a significant decrease in the number of infected humans and mosquitoes as against an increase in the number of infected humans and mosquitoes when no control is applied. Similarly, there is an increase in the number of recovered humans when controls are in place compared to the decrease in the number of required humans in the absence of no control. With optimal strategy, the number of susceptible humans differs considerably compared to the uncontrolled case.</p>
<p>In <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figures 7.25, 7.26</xref>, the control profiles are displayed. In <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.25</xref>, the control profile using blood screening, <italic>u</italic><sub>1</sub> became about 20% effective after 130<italic>months</italic> which was soon increased to around 39% effective in another 45 months before declining. The control <italic>u</italic><sub>2</sub>, became about 15% effective for over 150<italic>months</italic> before declining. For the first 170 months, <italic>u</italic><sub>3</sub> was 15% effective before experiencing a sharp decline for about 20 months and thereafter picked up again. About 40% effectiveness was achieved in the control of malaria using control <italic>u</italic><sub>4</sub> and <italic>u</italic><sub>5</sub> before steadily declining after 60 months and 90 months, respectively. In <xref ref-type="supplementary-material" rid="SM2">Supplementary Figure 7.26</xref>, the profiles for all the control are presented. It can be seen that controls <italic>u</italic><sub>4</sub> and <italic>u</italic><sub>5</sub> perform optimally, this is closely followed by <italic>u</italic><sub>1</sub> while both <italic>u</italic><sub>2</sub> and <italic>u</italic><sub>3</sub> are next.</p>
<p>From the foregoing discussion, it can be seen from our simulations that the combination of using all the five (5) controls (<italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>4</sub>, <italic>u</italic><sub>5</sub>), the combination of four (4) controls [(<italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>5</sub>) and (<italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>4</sub>, <italic>u</italic><sub>5</sub>)], and combination of three (3) controls [(<italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>5</sub>) and (<italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>4</sub>, <italic>u</italic><sub>5</sub>)] have the highest impact on malaria disease control. A further look into the suggested combinations shows that controls <italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub> and <italic>u</italic><sub>5</sub> are common to all the combinations, that is the combination (<italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>4</sub>, <italic>u</italic><sub>5</sub>)) where resources are scarce may be sufficient to control the spread of malaria.</p>
<p>The above scenarios of the controls can be best interpreted to mean that for malaria disease eradication, more combinations of the controls are suggested depending on the area and availability of resources. This submission is in line with World Health Organization&#x00027;s (WHO) position that only one control strategy is not sufficient to interrupt malaria transmission [<xref ref-type="bibr" rid="B36">36</xref>].</p></sec></sec>
<sec sec-type="conclusions" id="s8">
<title>8. Conclusion</title>
<p>A mathematical analysis of the blood transfusion-transmission dynamics of malaria disease has been rigorously studied in this work. The malaria model under investigation revealed that there exists a relationship between the reproduction number for malaria (<italic>R</italic><sub>0</sub>) and the reproduction number for malaria induced through blood transfusion <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub>. The study further revealed that the basic reproduction number is sensitive to parameters such as the transmission rate from mosquito-to-humans &#x003B2;<sub><italic>mh</italic></sub>, transmission rate from humans-to-mosquito &#x003B2;<sub><italic>hm</italic></sub> blood transfusion reproduction number <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub>, recruitment rate of the mosquitoes <italic>b</italic><sub><italic>m</italic></sub>. The malaria disease-free equilibrium, <italic>M</italic><sub>0</sub> is locally globally asymptotically stable if both <italic>R</italic><sub>0</sub> and <italic>R</italic><sub>&#x003B1;</sub> are less than or equal to unity. The implicit function theorem was used to investigate the local stability of the malaria endemic equilibrium <italic>M</italic><sup>&#x022C6;</sup>. The result revealed that <italic>M</italic><sup>&#x022C6;</sup> may undergo a supercritical (forward) bifurcation if the quantity <inline-formula><mml:math id="M132"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> or a subcritical (backward) bifurcation if the quantity <inline-formula><mml:math id="M133"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Consequently, an optimal control problem using both time-dependent preventive and treatment controls to mitigate the disease was studied using the Pontryagins Maximum Principle. The results revealed that the combination of all the five (5) controls (<italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>4</sub>, <italic>u</italic><sub>5</sub>), combination of four (4) controls [(<italic>u</italic><sub>1</sub>, <italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>5</sub>) and (<italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>4</sub>, <italic>u</italic><sub>5</sub>)], and combination of three (3) controls [(<italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>5</sub>] and <italic>u</italic><sub>3</sub>, <italic>u</italic><sub>4</sub>, <italic>u</italic><sub>5</sub>)] are recommended to mitigate against malaria transmission. In areas where resources are scarce, our study revealed that using the combination of <italic>u</italic><sub>2</sub>, <italic>u</italic><sub>3</sub>, and <italic>u</italic><sub>5</sub> is sufficient to effectively interrupt the transmission of malaria disease. Indeed, our results also agree with earlier studies in Blayneh et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>] and Agusto et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>] on malaria control, however, our results present five possible control strategies that are sufficient to minimize the transmission of malaria. Subsequently, exploratory data analysis (EDA) was performed on the malaria data from Benue State Nigeria. The model was fitted to data and it can be seen that our model gave a good fit.</p>
<p>In conclusion, the present study has provided us with a mathematical understanding of malaria dynamics taking into account transmission <italic>via</italic> blood transfusion and mosquitoes. As a suggestion for future research, it will be of interest to study the cost-effectiveness analysis of the controls studied in this work.</p></sec>
<sec sec-type="data-availability" id="s9">
<title>Data availability statement</title>
<p>The raw data supporting the conclusions of this article will be made available by the authors, without undue reservation.</p></sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s10">
<title>Author contributions</title>
<p>MA: conceptualization and writing original draft. OA: formal analysis. OO: literature review. ME: analysis and parameter estimation. MM: data curation and validation. SO: review and editing. DN: visualization. All authors contributed to the article and approved the submitted version.</p></sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="COI-statement" id="conf1">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s11">
<title>Publisher&#x00027;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<sec sec-type="supplementary-material" id="s12">
<title>Supplementary material</title>
<p>The Supplementary Material for this article can be found online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fams.2023.1105543/full#supplementary-material">https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fams.2023.1105543/full#supplementary-material</ext-link></p>
<supplementary-material xlink:href="Presentation_1.pdf" id="SM1" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_1.pdf" id="SM2" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_2.PDF" id="SM3" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_3.PDF" id="SM4" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_4.PDF" id="SM5" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_5.PDF" id="SM6" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_6.PDF" id="SM7" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_7.PDF" id="SM8" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_8.PDF" id="SM9" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_9.PDF" id="SM10" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_10.PDF" id="SM11" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_11.PDF" id="SM12" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_12.PDF" id="SM13" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_13.PDF" id="SM14" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_14.PDF" id="SM15" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_15.PDF" id="SM16" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_16.PDF" id="SM17" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Data_Sheet_17.PDF" id="SM18" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_1.EPS" id="SM19" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_2.EPS" id="SM20" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_3.EPS" id="SM21" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_4.EPS" id="SM22" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_5.EPS" id="SM23" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_6.EPS" id="SM24" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_7.EPS" id="SM25" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_8.EPS" id="SM26" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_9.EPS" id="SM27" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_10.EPS" id="SM28" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_11.EPS" id="SM29" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_12.EPS" id="SM30" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_13.EPS" id="SM31" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_14.EPS" id="SM32" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_15.EPS" id="SM33" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_16.EPS" id="SM34" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_17.EPS" id="SM35" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_18.EPS" id="SM36" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_19.EPS" id="SM37" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
<supplementary-material xlink:href="Image_20.EPS" id="SM38" mimetype="application/postscript" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Owusu</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Alex</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Christopher</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>Transmitted malaria in countries where malaria is endemic: a review of the literature from Sub-Saharan Africa</article-title>. <source>SAGE Open Med</source>. (<year>2010</year>) <volume>51</volume>:<fpage>1192</fpage>&#x02013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1086/656806</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">20929356</pub-id></citation></ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><collab>World Health Organization</collab></person-group>. <source>Screening Donated Blood for Transfusion-Transmissible Infections</source>. (<year>2010</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Mohammed</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>Bekele</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Seroprevalence of transfusion transmitted infection among blood donors at Jijiga blood bank, Eastern Ethiopia</article-title>. <source>BMC Res Notes</source>. (<year>2016</year>) <volume>9</volume>:<fpage>1199</fpage>&#x02013;<lpage>200</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1186/s13104-016-1925-6</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">26922241</pub-id></citation></ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bhat</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Desai</surname> <given-names>AS</given-names></name></person-group>. <article-title>Effectiveness of multimodal ayurvedic treatment in Vataja Pandu wsr nutritional deficiency anemia-a case report</article-title>. <source>Int J Ayurveda Pharma Res</source>. (<year>2022</year>) <volume>10</volume>:<fpage>32</fpage>&#x02013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.47070/ijapr.v10i1.1617</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kitchen</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Seed</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Davis</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>The current status and poten-tial role of laboratory testing to prevent transfusion-transmit-ted malaria</article-title>. <source>Transfus Med Rev</source>. (<year>2005</year>) <volume>1</volume>:<fpage>229</fpage>&#x02013;<lpage>40</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tmrv.2005.02.004</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16010653</pub-id></citation></ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><collab>World Health Organization</collab></person-group>. <source>National Standards for Blood Transfusion Service</source>. <publisher-loc>Thimphu</publisher-loc>: <publisher-name>Ministry of Health</publisher-name> (<year>2013</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kitchen</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Chiodini</surname> <given-names>L</given-names></name></person-group>. <article-title>Malaria and blood transfusion</article-title>. <source>VoxSang</source>. (<year>2006</year>) <volume>1</volume>:<fpage>77</fpage>&#x02013;<lpage>84</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1423-0410.2006.00733.x</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">16430664</pub-id></citation></ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hirigo</surname> <given-names>AT</given-names></name> <name><surname>Abiy</surname> <given-names>Z</given-names></name> <name><surname>Tsehay</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Hassen</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Desta</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Blood transfusion-transmissible malaria and its cost analysis in Hawassa regional blood bank, Southern Ethiopia</article-title>. <source>SAGE Open Med</source>. (<year>2020</year>) <volume>8</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>9</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/2050312120936930</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">32647577</pub-id></citation></ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Bruce</surname> <given-names>C</given-names></name></person-group>. <article-title>Transfusion malaria revisited</article-title> (<year>1982</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Olaniyi</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Obabiyi</surname> <given-names>O</given-names></name></person-group>. <article-title>Mathematical model for malaria transmission dynamics in human and mosquito populations with nonlinear forces of infection</article-title>. <source>Int J Pure Appl Math</source>. (<year>2013</year>) <volume>88</volume>:<fpage>125</fpage>&#x02013;<lpage>56</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.12732/ijpam.v88i1.10</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Reesink</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>European strategies against the parasite transfusion risk</article-title>. <source>Transfus Clin Biol</source>. (<year>2005</year>) <volume>12</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>4</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.tracli.2004.12.001</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">15814284</pub-id></citation></ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Reesink</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Panzer</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Wendel</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Levi</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Ullum</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Ekblom-Kullberg</surname> <given-names>S</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>The use of malaria antibody tests in the prevention of transfusion-transmitted malaria</article-title>. <source>Vox Sanguinis</source>. (<year>2010</year>) <volume>98</volume>:<fpage>468</fpage>&#x02013;<lpage>78</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1111/j.1423-0410.2009.01301.x</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">20136789</pub-id></citation></ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Agusto</surname> <given-names>FB</given-names></name> <name><surname>Marcus</surname> <given-names>N</given-names></name> <name><surname>Okosun</surname> <given-names>KO</given-names></name></person-group>. <article-title>Application of optimal control to the epidemiology of malaria</article-title> (<year>2012</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Blayneh</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Cao</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>Kwon</surname> <given-names>HD</given-names></name></person-group>. <article-title>Optimal control of vector-borne diseases: treatment and prevention</article-title>. <source>Discrete Contin Dyn Syst B</source>. (<year>2009</year>) <volume>11</volume>:<fpage>587</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3934/dcdsb.2009.11.587</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Adeniyi</surname> <given-names>MO</given-names></name> <name><surname>Aderele</surname> <given-names>OR</given-names></name></person-group>. <article-title>Mathematical analysis of transfusion&#x02013;transmitted malaria model with optimal control</article-title>. <source>Preprints</source>. (<year>2019</year>) <volume>2018</volume>:<fpage>2018090214</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.20944/preprints201809.0214.v2</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhao</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Liu</surname> <given-names>Q</given-names></name></person-group>. <article-title>Dynamical behavior and optimal control of a vector-borne diseases model on bipartite networks</article-title>. <source>Appl Math Model</source>. (<year>2022</year>) <volume>102</volume>:<fpage>540</fpage>&#x02013;<lpage>63</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.apm.2021.10.011</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Abboubakar</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Guidzava&#x000EF;</surname> <given-names>AK</given-names></name> <name><surname>Yangla</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Damakoa</surname> <given-names>I</given-names></name> <name><surname>Mouangue</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <article-title>Mathematical modeling and projections of a vector-borne disease with optimal control strategies: Aacase study of the Chikungunya in Chad</article-title>. <source>Chaos Solitons Fractals</source>. (<year>2021</year>) <volume>150</volume>:<fpage>111197</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.chaos.2021.111197</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Oluyo</surname> <given-names>TO</given-names></name> <name><surname>Adeniyi</surname> <given-names>MO</given-names></name></person-group>. <article-title>The mathematical analysis of malaria transmission: the effect of sanitation</article-title>. <source>Int J Sci Res</source>. (<year>2018</year>) <volume>7</volume>:<fpage>236</fpage>&#x02013;<lpage>44</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Oluyo</surname> <given-names>TO</given-names></name> <name><surname>Adeniyi</surname> <given-names>MO</given-names></name></person-group>. <article-title>Mathematical analysis of malaria-pneumonia model with mass action</article-title>. <source>Int J Appl Math</source>. (<year>2014</year>) <volume>29</volume>:<fpage>1333</fpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Oke</surname> <given-names>SI</given-names></name> <name><surname>Ojo</surname> <given-names>MM</given-names></name> <name><surname>Adeniyi</surname> <given-names>MO</given-names></name> <name><surname>Matadi</surname> <given-names>MB</given-names></name></person-group>. <article-title>Mathematical modeling of malaria disease with control strategy</article-title>. <source>Commun Math Biol Neurosci</source>. (<year>2020</year>) <volume>2020</volume>:<fpage>43</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.28919/cmbn/4513</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Diekmann</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Heesterbeek</surname> <given-names>JAP</given-names></name> <name><surname>Metz</surname> <given-names>JA</given-names></name></person-group>. <article-title>On the definition and the computation of the basic reproduction ratio R 0 in models for infectious diseases in heterogeneous populations</article-title>. <source>J Math Biol</source>. (<year>1990</year>) <volume>28</volume>:<fpage>365</fpage>&#x02013;<lpage>82</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/BF00178324</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">2117040</pub-id></citation></ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Van den Driessche</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Watmough</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Reproduction numbers and sub-threshold endemic equilibria for compartmental models of disease transmission</article-title>. <source>Math Biosci</source>. (<year>2002</year>) <volume>180</volume>:<fpage>29</fpage>&#x02013;<lpage>48</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0025-5564(02)00108-6</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">12387915</pub-id></citation></ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Adeniyi</surname> <given-names>MO</given-names></name> <name><surname>Oke</surname> <given-names>SI</given-names></name> <name><surname>Ekum</surname> <given-names>MI</given-names></name> <name><surname>Benson</surname> <given-names>T</given-names></name> <name><surname>Adewole</surname> <given-names>MO</given-names></name></person-group>. <article-title>Assessing the impact of public compliance on the use of non-pharmaceutical intervention with cost-effectiveness analysis on the transmission dynamics of COVID-19: insight from mathematical modeling</article-title>. In: <source>Modeling, control and Drug Development for COVID-19 Outbreak Prevention</source>. <publisher-loc>Springer</publisher-loc> (<year>2022</year>). p. <fpage>579</fpage>&#x02013;<lpage>618</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Adeniyi</surname> <given-names>MO</given-names></name> <name><surname>Ekum</surname> <given-names>MI</given-names></name> <name><surname>Iluno</surname> <given-names>C</given-names></name> <name><surname>Oke</surname> <given-names>SI</given-names></name></person-group>. <article-title>Dynamic model of COVID-19 disease with exploratory data analysis</article-title>. <source>Sci Afr</source>. (<year>2020</year>) <volume>9</volume>:<fpage>e00477</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.sciaf.2020.e00477</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">33521409</pub-id></citation></ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Chukwu</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Akinyemi</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Adeniyi</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Salawu</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>On the reproduction number and the optimal control of infectious diseases in a heterogenous population</article-title>. <source>Adv Diff Equat</source>. (<year>2020</year>) <volume>2020</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>14</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1186/s13662-020-03050-9</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Buonomo</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Lacitignola</surname> <given-names>D</given-names></name></person-group>. <article-title>On the backward bifurcation of a vaccination model with nonlinear incidence</article-title>. <source>Nonlinear Anal Model Control</source>. (<year>2011</year>) <volume>16</volume>:<fpage>30</fpage>&#x02013;<lpage>46</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.15388/NA.16.1.14113</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">22516532</pub-id></citation></ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>DeJesus</surname> <given-names>EX</given-names></name> <name><surname>Kaufman</surname> <given-names>C</given-names></name></person-group>. <article-title>Routh-Hurwitz criterion in the examination of eigenvalues of a system of nonlinear ordinary differential equations</article-title>. <source>Phys Rev A</source>. (<year>1987</year>) <volume>35</volume>:<fpage>5288</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1103/PhysRevA.35.5288</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">9898166</pub-id></citation></ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhou</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Hu</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Zhu</surname> <given-names>Z</given-names></name> <name><surname>Ma</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>What is the most suitable Lyapunov function?</article-title> <source>Chaos Solitons Fractals</source>. (<year>2021</year>) <volume>150</volume>:<fpage>111154</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.chaos.2021.111154</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B29">
<label>29.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Boldin</surname> <given-names>B</given-names></name></person-group>. <article-title>Introducing a population into a steady community: the critical case, the center manifold, and the direction of bifurcation</article-title>. <source>SIAM J Appl Math</source>. (<year>2006</year>) <volume>66</volume>:<fpage>1424</fpage>&#x02013;<lpage>53</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1137/050629082</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B30">
<label>30.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Pontryagin</surname> <given-names>LS</given-names></name></person-group>. <source>Mathematical Theory of Optimal Processes</source>. <publisher-loc>London</publisher-loc>: <publisher-name>Routledge</publisher-name> (<year>2018</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<label>31.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fleming</surname> <given-names>WH</given-names></name> <name><surname>Rishel</surname> <given-names>RW</given-names></name></person-group>. <source>Deterministic and Stochastic Optimal Control. Vol. 1</source>. Springer Science &#x00026; Business Media (<year>2012</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<label>32.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Abidemi</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Olaniyi</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Adepoju</surname> <given-names>OA</given-names></name></person-group>. <article-title>An explicit note on the existence theorem of optimal control problem</article-title>. <source>J Phys</source>.(<year>2022</year>) <volume>2199</volume>:<fpage>012021</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1742-6596/2199/1/012021</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B33">
<label>33.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Agusto</surname> <given-names>FB</given-names></name> <name><surname>Tchuenche</surname> <given-names>JM</given-names></name></person-group>. <article-title>Control strategies for the spread of malaria in humans with variable attractiveness</article-title>. <source>Math Populat Stud</source>. (<year>2013</year>) <volume>20</volume>:<fpage>82</fpage>&#x02013;<lpage>100</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/08898480.2013.777239</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B34">
<label>34.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Olaniyi</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Okosun</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Adesanya</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Lebelo</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <article-title>Modelling malaria dynamics with partial immunity and protected travellers: optimal control and cost-effectiveness analysis</article-title>. <source>J Biol Dyn</source>. (<year>2020</year>) <volume>14</volume>:<fpage>90</fpage>&#x02013;<lpage>115</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/17513758.2020.1722265</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">32046615</pub-id></citation></ref>
<ref id="B35">
<label>35.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>McCall</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Genetic algorithms for modelling and optimisation</article-title>. <source>J Comput Appl Math</source>. (<year>2005</year>) <volume>184</volume>:<fpage>205</fpage>&#x02013;<lpage>22</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cam.2004.07.034</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B36">
<label>36.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Aregawi</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Cibulskis</surname> <given-names>RE</given-names></name> <name><surname>Otten</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Williams</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <source>World Malaria Report 2009</source>. World Health Organization (<year>2009</year>).</citation>
</ref>
</ref-list> 
</back>
</article> 