<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<?covid-19-tdm?>
<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.2024.1392628</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>Mathematical modeling and optimal control of multi-strain COVID-19 spread in discrete time</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Elqaddaoui</surname> <given-names>Ahmed</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-review-editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>El Bhih</surname> <given-names>Amine</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c002"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/2640563/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-review-editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Laarabi</surname> <given-names>Hassan</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-review-editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Abta</surname> <given-names>Abdelhadi</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3"><sup>3</sup></xref>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-review-editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Rachik</surname> <given-names>Mostafa</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/2664043/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-review-editing/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Laboratory of Analysis Modeling and Simulation, Department of Mathematics and Computer Science, Faculty of Sciences Ben M&#x00027;Sik, Hassan II University</institution>, <addr-line>Casablanca</addr-line>, <country>Morocco</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Multidisciplinary Research and Innovation Laboratory (LPRI), Moroccan School of Engineering Sciences</institution>, <addr-line>Casablanca</addr-line>, <country>Morocco</country></aff>
<aff id="aff3"><sup>3</sup><institution>Department of Mathematics and Computer Science, Poly-disciplinary Faculty, Cadi Ayyad University</institution>, <addr-line>Safi</addr-line>, <country>Morocco</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Sayooj Aby Jose, Phuket Rajabhat University, Thailand</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Amine El Koufi, Ibn Tofail University, Morocco</p>
<p>Adil El Alami Laaroussi, Abdelmalek Essaadi University, Morocco</p></fn>
<corresp id="c001">&#x0002A;Correspondence: Ahmed Elqaddaoui <email>ahelqaddaoui&#x00040;gmail.com</email></corresp>
<corresp id="c002">Amine El Bhih <email>elbhihamine&#x00040;gmail.com</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>15</day>
<month>04</month>
<year>2024</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2024</year>
</pub-date>
<volume>10</volume>
<elocation-id>1392628</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>27</day>
<month>02</month>
<year>2024</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>21</day>
<month>03</month>
<year>2024</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2024 Elqaddaoui, El Bhih, Laarabi, Abta and Rachik.</copyright-statement>
<copyright-year>2024</copyright-year>
<copyright-holder>Elqaddaoui, El Bhih, Laarabi, Abta and Rachik</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>This research article presents a mathematical model that tracks and monitors the spread of COVID-19 strains in a discrete time frame. The study incorporates two control strategies to reduce the transmission of these strains: vaccination and providing appropriate treatment and medication for each strain separately. Optimal controls were established using Pontryagin&#x00027;s maximum principle in discrete time, and the optimality system was solved using an iterative method. To validate the effectiveness of the theoretical findings, numerical simulations were conducted to demonstrate the impact of the implemented strategies in limiting the spread of COVID-19 mutant strains.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>mathematical modeling</kwd>
<kwd>optimal control theory</kwd>
<kwd>COVID-19</kwd>
<kwd>Pontryagin&#x00027;s maximum principle</kwd>
<kwd>discrete time system control</kwd>
</kwd-group>
<counts>
<fig-count count="9"/>
<table-count count="1"/>
<equation-count count="37"/>
<ref-count count="28"/>
<page-count count="10"/>
<word-count count="6013"/>
</counts>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Mathematical Biology</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>Optimal Control Theory is a significant framework for optimizing dynamic systems. It was developed in the mid-twentieth century to find the best way to control systems over time while considering constraints and specific goals. Dynamic programming was introduced by Richard Bellman in the 1950&#x00027;s, and Lev Pontryagin developed the maximum principle in the 1960&#x00027;s, both of which were breakthroughs in the field. Since its inception, optimal control theory has become increasingly important in various fields, including engineering, epidemiology, and economics, owing to advancements in computing and mathematics. It is a crucial tool for decision making and improving system performance, making it essential for designing and optimizing dynamic processes.</p>
<p>In epidemiology, the optimal control theory is a valuable tool for enhancing control strategies against infectious diseases. Unlike conventional methods, which often rely on fixed interventions, optimal control theory adopts a dynamic approach that considers changing control measures over time. By considering factors such as transmission rates, intervention costs, and resource limits, optimal control models can identify strategies that maximize intervention impact while minimizing costs. This perspective provides a more comprehensive understanding of how epidemics work, which helps identify the best timing and intensity for interventions. Consequently, optimal control theory can lead to more adaptable, efficient, and personalized strategies that ultimately help manage and contain infectious diseases more effectively in populations. There have been several studies that utilized this method, such as Zakary et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>] who provided a comprehensive assessment of the impact of the Ebola virus and examined strategies for combating it using the optimal control approach. This approach also plays a role in transferring knowledge and raising awareness about serious diseases. Laarabi et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B2">2</xref>] utilized a mathematical model of an SIR epidemic model with a saturated incidence rate and used optimal vaccination strategies to reduce the number of infected individuals and susceptible people while increasing the number of recovered individuals. Furthermore, many studies have focused on continuous modeling [<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>].</p>
<p>In this research, we employ discrete-time modeling, which is highly applicable in practical contexts. This is because numerous real systems naturally operate in discrete time, making discrete-time modeling a more precise representation. The accuracy of this method enhances the usefulness of the results in real-world situations, allowing for more effective decision-making in diverse circumstances. The data collected for this study were obtained at regular intervals, such as daily, weekly, monthly, or annual periods. Furthermore, providing treatment and medication for infected individuals and administering vaccinations for susceptible individuals were also conducted at specific times. Additionally, the use of discrete-time models streamlines the mathematical analysis by avoiding the intricate issues encountered in continuous-time modeling, such as the need to choose functional domains and ensure solution uniformity. Discrete-time models operate at precise intervals, such as days, weeks, months, or years. The discrete nature of these time intervals guarantees solution uniformity.</p>
<p>The appropriateness of numerical simulation methods for accurately simulating discrete-time optimal control systems and the computational efficiency of these methods for implementing discrete-time optimal control models are examined. Several studies have been conducted on the discrete-time modeling of dynamic systems. For instance, Kouidere et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>] proposed a discrete mathematical model that described the dynamics of a population of diabetics, emphasizing the impact of the living environment, such as unhealthy food and poor health habits, on diabetics without complications. El Bhih et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>] presented a study on optimal control strategies for a discrete model of the spread of Novel Coronavirus Disease, where the population is categorized into six compartments, representing different stages of infection, and an optimal strategy is proposed to combat the spread, utilizing controls such as media and education for sensitization and prevention, home quarantine for infected individuals, hospital quarantine for those with complications, and specialized hospital quarantine for individuals with multiple health conditions requiring breathing assistance. Balatif et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>] introduced a discrete mathematical model capturing citizens&#x00027; dynamics and electoral behavior during awareness programs or election campaigns. The authors El Bhih et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>] proposed a mathematical model to analyze the spread of rumors in a social network. This model comprises four compartments, each representing a subpopulation&#x00027;s reaction to the rumor. They introduced control measures to curb the spread of the rumor. Toufga et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B12">12</xref>] introduced a spatiotemporal discrete model for tuberculosis (TB), dividing individuals into susceptible, infected, exposed, and recovered categories. They proposed a control strategy that aims to reduce the number of infected and exposed individuals. Three controls were implemented: a public awareness campaign to educate the public about TB symptoms, signs, and treatments; chemoprophylaxis efforts for latently infected individuals; and treatment efforts for actively infected individuals. Several studies have focused on related topics [<xref ref-type="bibr" rid="B13">13</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>].</p>
<p>The emergence and evolution of SARS-CoV-2 variants have posed significant challenges to global public health efforts combatting the COVID-19 pandemic. Notable variants include Alpha (B.1.1.7), first identified in the United Kingdom in September 2020 and designated as a variant of concern (VOC) in December 2020. Beta (B.1.351), which originated in South Africa in May 2020, was labeled as a VOC in December 2020. Gamma (P.1), which emerged in Brazil in November 2020, was designated as a VOC in January 2021. Delta (B.1.617.2), first detected in India in October 2020, was initially classified as a Variant of Interest (VOI) in April 2021 and later upgraded to a VOC in May 2021. Finally, the Omicron parent lineage (B.1.1.529), identified in multiple countries in November 2021, was initially classified as a variant under monitoring (VUM) in November 2021 and was later designated as a VOC in November 2021. These classifications and designations reflect the evolving understanding of SARS-CoV-2 variants and their potential impact on global public health, as documented by the World Health Organization. To access the WHO link and view the document on Historical working definitions and primary actions for SARS-CoV-2 variants [<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.who.int/publications/m/item/historical-working-definitions-and-primary-actions-for-SARS-CoV-2-variants">the World Health Organization</ext-link>].</p>
<p>Multiple studies have been conducted on the dynamics of population and transmission of different strains of COVID-19 with optimal control. Khajji et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>] proposed control strategies to reduce the number of infectious people and minimize the cost spent on vaccination and awareness programs. They divided the population into <italic>n</italic>&#x0002B;5 compartments: Susceptible, Exposed, Infected with <italic>i</italic><sup><italic>th</italic></sup> strain <italic>I</italic><sub><italic>i</italic></sub>, Hospitalized, Quarantined, and Recovered. The optimal control problem and related optimality conditions of the Pontryagin&#x00027;s maximum principle type were discussed to minimize the number of infected individuals. Gao et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>] developed a multi-strain model with infectious asymptomatic classes and applied it to COVID-19 dynamics in the US. They obtained the basic reproduction numbers for the two strains and interpreted their biological significance. Rigorous analyzes of the local and global stability of DFE were performed. Explicit formulas for two strain-dominant equilibria were also derived and analyzed for their local and global stability. Khajji et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>] formulated a multi-region discrete mathematical model that describes the dynamics of the transmission of COVID-19 between humans and animals in a region and between different regions. The strategies used in this study include awareness programs, health measures, and security campaigns. Efforts were made to encourage exposed and infected individuals to join quarantine centers. The last control is the disposal of infected animals to reduce the number of infected individuals and infected animals. Elqaddaoui et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>] developed a stochastic model that describes the propagation of COVID-19 variants, they assumed that the transmission rates of variants change over time due to the fluctuation of the weather and the temperature. Many studies have focused on this aspect [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B21">21</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B23">23</xref>].</p>
<sec>
<title>1.1 Problem statement</title>
<p>Based on the advantages we previously mentioned of discrete-time mathematical modeling, as well as its compatibility with other mathematical theories, and its suitability for numerical simulation, in addition, noting the absence of the researches addressing this mathematical mechanism for monitoring the evolution and propagation of mutated strains of the COVID-19 virus. This study employed mathematical modeling in discrete time to track developments in the spread of COVID-19 variants. Due to the emergence of several COVID-19 variants that were mentioned previously, as mentioned on The World Health Organization website [<xref ref-type="bibr" rid="B24">24</xref>], in this study, the population is divided into <italic>n</italic>&#x0002B;2 compartments, <italic>S</italic> presents the susceptible, <italic>I</italic><sub><italic>j</italic></sub> presents the <italic>j</italic><sup><italic>th</italic></sup> strain, where <italic>j</italic> &#x0003D; 1, 2, 3, ..., <italic>n</italic>, and <italic>R</italic> represents the recovered people. In addition, we proposed two strategies: a vaccination strategy for the susceptible and a strategy of providing the appropriate treatment and medication for individuals infected with each strain separately to control and limit the spread of these strains at the minimum costs possible, deliberately avoiding the quarantine strategy because of its negative economic effects on individuals and different areas of economy, society, and life, and most studies used this strategy such that El Bhih et al. and Khajji et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>]. The goal was to evaluate the efficiency of the two strategies used to fight the spread of mutant strains by developing a discrete-time mathematical model that approximates a realistic picture of the spread of these strains by integrating the two aforementioned strategies into this model, which leads to an optimal control problem. In the followings sections, we used some mechanisms of optimal control theory, especially Pontryagin&#x00027;s maximum principle is used to obtain the desired results.</p>
<p>The remainder of this study is organized as follows. Section 2 introduces a discrete-time mathematical model, describes the model, and presents an optimal control problem. Section 3 describes the existence of optimal controls and characterizes them using Pontryagin&#x00027;s maximum principle in discrete time. Section 4 presents numerical simulations to further illustrate the model. Finally, Section 5 concludes the study.</p></sec>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 A Mathematical model and description of the model</title>
<p>In this study, we assume that there are n mutant strains that are denoted by <italic>I</italic><sub>1</sub>, <italic>I</italic><sub>2</sub>, <italic>I</italic><sub>3</sub>, ..., <italic>I</italic><sub><italic>n</italic></sub>. Note that each strain <italic>I</italic><sub><italic>i</italic></sub> spreads at transmission rate &#x003B2;<sub><italic>i</italic></sub>. The proportions <italic>P</italic>(<italic>i</italic>), <italic>S</italic>(<italic>i</italic>), <italic>I</italic><sub><italic>j</italic></sub>(<italic>i</italic>), (<italic>j</italic> &#x0003D; 1, 2, ..., <italic>n</italic>), and <italic>R</italic>(<italic>i</italic>) represent the number of the entire population, the number susceptible to infection, the number of people infected with strain <italic>I</italic><sub><italic>j</italic></sub>, and the number of people recovered respectively at time <italic>i</italic>. We consider the population denoted by <inline-formula><mml:math id="M1"><mml:mi>P</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</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>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref> describes interactions between all compartments with their rates of this population.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>Description diagram of the multi-strains spread.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-10-1392628-g0001.tif"/>
</fig>
<p>The following dynamic system represents the mathematical model that describes the spread of all mutant strains of this disease.</p>
<disp-formula id="E1"><label>(1)</label><mml:math id="M2"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>&#x0039B;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>j</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:mi>n</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><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>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003BC; is the natural death rate, &#x0039B; is the recruitment rate, &#x003B2;<sub><italic>j</italic></sub> is the transmission rate of strain <italic>I</italic><sub><italic>j</italic></sub>, &#x003B3;<sub><italic>j</italic></sub> is the recovery rate from strain <italic>I</italic><sub><italic>j</italic></sub>, and &#x003C9;<sub><italic>j</italic></sub> is the death rate due to strain <italic>I</italic><sub><italic>j</italic></sub>. <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> shows the spread of two strains in the natural state, that is, without any interventionist policy to limit the spread of these strains.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p>The states variables without controls.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-10-1392628-g0002.tif"/>
</fig>
<sec>
<title>2.1 The optimal control problem</title>
<p>This study aimed to evaluate the evolution of the spread of mutant strains using strategies that do not have negative effects on other areas to limit the excessive spread of these strains, such as the vaccination strategy and the strategy of providing appropriate treatment and medication while avoiding strategies that might have negative repercussions in other areas. In this study, we intentionally avoided the quarantine strategy due to its negative impacts on the economic sector for both individuals and society and the service sector and other areas. The important role of this study is to assess the efficiency of both strategies, vaccination <italic>u</italic>, and the provision of appropriate treatment and medication <italic>v</italic><sub><italic>j</italic></sub> for strain <italic>I</italic><sub><italic>j</italic></sub> in limiting the spread of mutant strains, without relying on quarantine strategy measures. We incorporate both strategies into this model (<xref ref-type="disp-formula" rid="E1">Equation 1</xref>). Then, we obtain the following:</p>
<disp-formula id="E2"><label>(2)</label><mml:math id="M3"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>j</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:mi>n</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><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>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</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>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The quantities <italic>S</italic>(0) &#x0003D; <italic>S</italic><sub>0</sub>, <italic>I</italic><sub><italic>j</italic></sub>(0) &#x0003D; <italic>I</italic><sub><italic>j</italic>, 0</sub>, (<italic>j</italic> &#x0003D; 1, 2....<italic>n</italic>), and <italic>R</italic>(0) &#x0003D; <italic>R</italic><sub>0</sub> are the initial conditions.</p>
<p>The objective function is defined, and the purpose of the optimal control problem is to find the control inputs that minimize this objective function while satisfying System Dynamic <xref ref-type="disp-formula" rid="E2">Equation (2)</xref> and its initial conditions.</p>
<disp-formula id="E3"><label>(3)</label><mml:math id="M4"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</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:mn>...</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><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:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>C</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>A</italic><sub><italic>j</italic></sub> &#x0003E; 0, <italic>B</italic> &#x0003E; 0, <italic>C</italic> &#x0003E; 0, and <italic>D</italic><sub><italic>j</italic></sub> &#x0003E; 0 for <italic>j</italic> &#x02208; {, 1, ...<italic>T</italic>} are cost coefficients. We chose these constants to weigh their relative importance of <italic>I</italic><sub>1</sub>(<italic>i</italic>), <italic>I</italic><sub>2</sub>(<italic>i</italic>), ..., <italic>I</italic><sub><italic>n</italic></sub>(<italic>i</italic>), <italic>R</italic>(<italic>i</italic>), <italic>u</italic>(<italic>i</italic>), <italic>v</italic><sub>1</sub>(<italic>i</italic>), <italic>v</italic><sub>2</sub>(<italic>i</italic>), ..., and <italic>v</italic><sub><italic>n</italic></sub>(<italic>i</italic>) at time <italic>i</italic>, and <italic>T</italic> is the final time. Our objective is to reduce the number of infected persons while also reducing systemic expenses by striving to maximize the number of people recovered from each <italic>I</italic><sub><italic>j</italic></sub> strain. In other words, we are looking for the optimal control <inline-formula><mml:math id="M5"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that:</p>
<disp-formula id="E4"><mml:math id="M6"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</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>,</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>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>U</italic> and <italic>V</italic><sub><italic>j</italic></sub>, <italic>j</italic> &#x0003D; 1, 2..., <italic>n</italic> are admissible control sets defined as follows:</p>
<p><inline-formula><mml:math id="M7"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>u</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:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
<p><inline-formula><mml:math id="M8"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0007B;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>&#x0007D;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</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:mn>.....</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></p>
</sec>
<sec>
<title>2.2 Existence of the optimal control</title>
<p>The sufficient condition for the existence of an optimal controls for problem (<xref ref-type="disp-formula" rid="E2">Equation 2</xref>) comes from the following theorem.</p>
<p><bold>Theorem 2.1</bold>. <italic>There exist the optimal controls</italic> <inline-formula><mml:math id="M9"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>such that:</italic></p>
<disp-formula id="E5"><mml:math id="M10"><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</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>,</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>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p><italic>subject to the discrete-time control system (</italic><italic><xref ref-type="disp-formula" rid="E2">Equation 2</xref></italic><italic>) with initial conditions</italic>.</p>
<p><italic>Proof</italic>: Because the number of time steps is finite and the coefficients of all the states of the equations are bounded, <italic>S</italic> &#x0003D; (<italic>S</italic><sub>0</sub>, <italic>S</italic><sub>1</sub>, ..., <italic>S</italic><sub><italic>T</italic></sub>), for <italic>j</italic> &#x0003D; 1, 2, ..., <italic>n</italic>, we have <inline-formula><mml:math id="M11"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> and <italic>R</italic> &#x0003D; (<italic>R</italic><sub>0</sub>, <italic>R</italic><sub>1</sub>, ..., <italic>R</italic><sub><italic>T</italic></sub>) are uniformly bounded for all <italic>u</italic> &#x02208; <italic>U</italic> and <italic>v</italic><sub><italic>j</italic></sub> &#x02208; <italic>V</italic><sub><italic>j</italic></sub>, <italic>j</italic> &#x0003D; 1, 2, ..., <italic>n</italic>. Thus, <italic>J</italic>(<italic>u, v</italic><sub>1</sub>, <italic>v</italic><sub>2</sub>..., <italic>v</italic><sub><italic>n</italic></sub>) is bounded for all <italic>u</italic> &#x02208; <italic>U</italic> and <italic>v</italic><sub><italic>j</italic></sub> &#x02208; <italic>V</italic><sub><italic>j</italic></sub>, <italic>j</italic> &#x0003D; 1, 2, ..., <italic>n</italic>. Because <italic>J</italic>(<italic>u, v</italic><sub>1</sub>, <italic>v</italic><sub>2</sub>..., <italic>v</italic><sub><italic>n</italic></sub>) is bounded,</p>
<disp-formula id="E6"><mml:math id="M12"><mml:mrow><mml:munder><mml:mrow><mml:mi>inf</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><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>,</mml:mo><mml:mn>...</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x0220F;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>V</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:munder><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>,</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:mn>...</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;is&#x000A0;finite</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Moreover, there exists a sequence <inline-formula><mml:math id="M13"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> with <italic>u</italic> &#x02208; <italic>U</italic> and <italic>v</italic><sub><italic>j</italic></sub>&#x02208;<italic>V</italic><sub><italic>j</italic></sub>, <italic>j</italic> &#x0003D; 1, 2, ..., <italic>n</italic> such that:</p>
<disp-formula id="E7"><mml:math id="M14"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">inf</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><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>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:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x0220F;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</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>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</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>,</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>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and the corresponding sequences of the states <inline-formula><mml:math id="M15"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and <italic>R</italic><sup><italic>k</italic></sup>. Because there are a finite number of uniformly bounded sequences, there exist <inline-formula><mml:math id="M16"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <italic>u</italic> &#x02208; <italic>U, v</italic><sub><italic>j</italic></sub> &#x02208; <italic>V</italic><sub><italic>j</italic></sub> with <italic>j</italic> &#x0003D; 1, 2, ..., <italic>n</italic> and <inline-formula><mml:math id="M17"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and <italic>R</italic><sup>&#x0002A;</sup> &#x02208; &#x0211D;<sup><italic>T</italic>&#x0002B;1</sup> such that, on a subsequence, <inline-formula><mml:math id="M18"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> ,<inline-formula><mml:math id="M19"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and <italic>R</italic><sup><italic>k</italic></sup>&#x02192;<italic>R</italic><sup>&#x0002A;</sup>. In the last, due to the finite dimensional structure of system (<xref ref-type="disp-formula" rid="E2">Equation 2</xref>) and the objective function, <italic>J</italic>(<italic>u, v</italic><sub>1</sub>, <italic>v</italic><sub>2</sub>..., <italic>v</italic><sub><italic>n</italic></sub>) and <inline-formula><mml:math id="M20"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are optimal controls with corresponding states <inline-formula><mml:math id="M21"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and <italic>R</italic><sup>&#x0002A;</sup>. Therefore :</p>
<disp-formula id="E8"><mml:math id="M22"><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">inf</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><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>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:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x0220F;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</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>V</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</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>,</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>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>We utilized the discrete form of Pontryagin&#x00027;s maximum principle, as detailed in references [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>]. The main concept involves introducing a co-state function that links the set of difference equations representing the system to the objective function. This linkage results in the creation of the Hamiltonian function. Essentially, this principle transforms the task of determining the optimal control to enhance the objective function (<xref ref-type="disp-formula" rid="E3">Equation 3</xref>) by considering the state difference equation with an initial condition. The objective is to identify the control that optimizes the Hamiltonian at each point concerning the control, so the Hamiltonian <italic>H</italic> at time step <italic>k</italic> is defined as follows:</p>
<disp-formula id="E9"><label>(4)</label><mml:math id="M23"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>H</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</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>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>C</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</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>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>f</italic><sub><italic>j, k</italic>&#x0002B;1</sub> represents the right side of the equation in a dynamic system (<xref ref-type="disp-formula" rid="E2">Equation 2</xref>) of the <italic>j</italic><sup><italic>th</italic></sup> state variable at time step <italic>k</italic>&#x0002B;1.</p>
<p>By replacing <italic>f</italic><sub><italic>j, k</italic>&#x0002B;1</sub> with its expression found in system (<xref ref-type="disp-formula" rid="E2">Equation 2</xref>) in the Hamiltonian (<xref ref-type="disp-formula" rid="E9">Equation 4</xref>) we get:</p>
<disp-formula id="E10"><mml:math id="M24"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>C</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></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;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>&#x003A3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></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;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The states <inline-formula><mml:math id="M25"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula>, and <italic>R</italic><sup>&#x0002A;</sup> describe the evolution of the system&#x00027;s state variables of (<xref ref-type="disp-formula" rid="E2">Equation 2</xref>) over time under the influence of the optimal controls <inline-formula><mml:math id="M26"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> . These state variables represent different compartments of a population.</p>
<p><bold>Theorem 2.2</bold>. <italic>Given optimal controls</italic> <inline-formula><mml:math id="M27"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>and the associated solutions</italic> <inline-formula><mml:math id="M28"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula><italic>, and</italic> <italic>R</italic><sup>&#x0002A;</sup> <italic>of the corresponding states system (</italic><italic><xref ref-type="disp-formula" rid="E2">Equation 2</xref></italic><italic>)</italic>,</p>
<p><italic>there exists co-states</italic> &#x003BB;<sub>1, <italic>k</italic></sub>, &#x003BB;<sub>2, <italic>k</italic></sub>, ..., &#x003BB;<sub><italic>n</italic>&#x0002B;2, <italic>k</italic></sub> <italic>satisfying:</italic></p>
<p><bold><italic>i)</italic> </bold><italic>The co-state equations:</italic></p>
<disp-formula id="E11"><label>(5)</label><mml:math id="M29"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><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>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</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:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><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:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</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:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</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:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</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:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><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;&#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;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><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;&#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;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><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;&#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;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p><bold><italic>ii)</italic> </bold><italic>The transversality conditions at time</italic> <italic>T</italic><italic>:</italic></p>
<disp-formula id="E12"><mml:math id="M30"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>...</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><bold><italic>iii)</italic> </bold><italic>The optimal controls:</italic></p>
<p><italic>For</italic> <italic>k</italic> &#x0003D; 0, 1, ..., <italic>T</italic>&#x02212;1<italic>, the expressions of optimal controls</italic> <inline-formula><mml:math id="M31"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>*</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> <italic>were obtained as follows:</italic></p>
<disp-formula id="E13"><mml:math id="M32"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><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:mi>max</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><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:mi>max</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>j</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: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;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>j</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:mn>...</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><italic>Proof:</italic> <bold><italic>i)</italic> </bold>For the co-state equations:</p>
<p>The Hamiltonian of the optimal control problem at time step <italic>k</italic> is given as follows:</p>
<disp-formula id="E14"><mml:math id="M33"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>H</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>C</mml:mi><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow></mml:mstyle></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:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x0039B;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></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;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003B2;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003B3;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>According to Pontryagin&#x00027;s maximum principle version in discrete time, given in Ding et al., Zhang and Shi, Guibout and Bloch, Hwang and Fan [<xref ref-type="bibr" rid="B25">25</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B28">28</xref>], by taking the derivatives of the Hamiltonian with respect to the state variables as follows:</p>
<disp-formula id="E15"><mml:math id="M34"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</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:mn>...</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><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;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>H</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>With calculation, the co-state variables (<xref ref-type="disp-formula" rid="E11">Equation 5</xref>) will be obtained.</p>
<p><bold><italic>ii)</italic> </bold>For the transversality conditions:</p>
<p>Transversality conditions are necessary for ensuring that the terminal states of the system aligns with the objective of the optimization problem. We put <inline-formula><mml:math id="M35"><mml:mtext>&#x003A8;</mml:mtext><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:mstyle displaystyle='true'><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</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>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</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:mi>B</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi><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:mstyle></mml:math></inline-formula> by using also Pontryagin&#x00027;s maximum principle, in discrete time, such that:</p>
<disp-formula id="E16"><mml:math id="M36"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003A8;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003A8;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>...</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>&#x003A8;</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x02202;</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p><bold><italic>iii)</italic> </bold>For the optimal controls:</p>
<p>For <italic>k</italic> &#x0003D; 1, 2, ..., <italic>T</italic>&#x02212;1, the optimal controls <italic>u</italic>(<italic>k</italic>), <italic>v</italic><sub><italic>j</italic></sub>(<italic>k</italic>), <italic>j</italic> &#x0003D; 1, 2, ..., <italic>n</italic>, can be solved from the following optimality condition:</p>
<disp-formula id="E17"><mml:math id="M37"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula>
<p>With calculation we obtained</p>
<disp-formula id="E18"><mml:math id="M38"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</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>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula>
<p>therefore</p>
<disp-formula id="E19"><mml:math id="M39"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><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:mi>max</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>S</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></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="E20"><mml:math id="M40"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>H</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></disp-formula>
<p>With calculation, we obtained</p>
<disp-formula id="E21"><mml:math id="M41"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</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>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</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:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>Therefore,</p>
<disp-formula id="E22"><mml:math id="M42"><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>*</mml:mo></mml:msubsup><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><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:mi>max</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo><mml:mo>&#x02212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy='false'>(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy='false'>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>D</mml:mi><mml:mi>j</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: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;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>j</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:mn>...</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Numerical simulation</title>
<p>This section explores the role of numerical simulations in analyzing the behavior and spread of two strains of an infectious disease. These simulations are crucial for enhancing our understanding of disease dynamics, assessing intervention strategies, and shaping effective public health policies, highlighting their critical importance in epidemiological research. In this section, we present a comprehensive analysis of the results obtained through numerical simulation of the optimality system in our control problem. Our methodology is characterized by defined initial conditions for the state variables and terminal conditions for the co-state variables, forming a two-point boundary value problem with specific boundary conditions at the start (time step <italic>i</italic> &#x0003D; 0) and end (time step <italic>i</italic> &#x0003D; <italic>T</italic>) of the process. To address this optimality, we used an iterative method. This begins with a forward simulation of the state system followed by a backward simulation of the co-state system. The procedure begins with a preliminary estimation of the control variables, which are then attractively refined based on their behavior in the simulation. This iterative process was maintained until a pattern of convergence in successive iterations was observed, signifying the achievement of an optimal solution. To facilitate and validate our findings, we developed and executed specialized MATLAB code tailored to the nuances of our control problem. The <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref> presents the values of the parameters that were used in the numerical simulation.</p>
<table-wrap position="float" id="T1">
<label>Table 1</label>
<caption><p>Parameter values used in numerical simulation.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr style="background-color:#919498;color:#ffffff">
<th valign="top" align="left"><bold>Parameter</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>Description</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>Value</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">&#x003BC;</td>
<td valign="top" align="left">Natural death rate</td>
<td valign="top" align="left">0.001</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x0039B;</td>
<td valign="top" align="left">Recruitment rate</td>
<td valign="top" align="left">100</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003B2;<sub>1</sub></td>
<td valign="top" align="left">Infection rate with strain <italic>I</italic><sub>1</sub></td>
<td valign="top" align="left">0.0000011</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003B2;<sub>2</sub></td>
<td valign="top" align="left">Infection rate with strain <italic>I</italic><sub>2</sub></td>
<td valign="top" align="left">0.000001</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003B3;<sub>1</sub></td>
<td valign="top" align="left">Normal Recovered rate from Strain <italic>I</italic><sub>1</sub></td>
<td valign="top" align="left">0.002</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003B3;<sub>2</sub></td>
<td valign="top" align="left">Normal Recovered rate from Strain <italic>I</italic><sub>2</sub></td>
<td valign="top" align="left">0.001</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003C9;<sub>1</sub></td>
<td valign="top" align="left">Death rate due to Strain <italic>I</italic><sub>1</sub></td>
<td valign="top" align="left">0.0015</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003C9;<sub>2</sub></td>
<td valign="top" align="left">Death rate due to Strain <italic>I</italic><sub>2</sub></td>
<td valign="top" align="left">0.001</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left"><italic>S</italic>(0)</td>
<td valign="top" align="left">Number of susceptible at initial time <italic>t</italic><sub>0</sub></td>
<td valign="top" align="left">10<sup>5</sup></td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left"><italic>I</italic><sub>1</sub>(0)</td>
<td valign="top" align="left">Number of infected individual with Strain <italic>I</italic><sub>1</sub> at initial time <italic>t</italic><sub>0</sub></td>
<td valign="top" align="left">300</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left"><italic>I</italic><sub>2</sub>(0)</td>
<td valign="top" align="left">Number of infected individual with Strain <italic>I</italic><sub>2</sub> at initial time <italic>t</italic><sub>0</sub></td>
<td valign="top" align="left">400</td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>R</italic>(0)</td>
<td valign="top" align="left">Number of recovered individual from Strains <italic>I</italic><sub>1</sub> and <italic>I</italic><sub>2</sub> at initial time <italic>t</italic><sub>0</sub></td>
<td valign="top" align="left">00</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>In this section, we employed three distinct control strategies, denoted as <italic>u</italic>(<italic>t</italic>), <italic>v</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>), and <italic>v</italic><sub>2</sub>(<italic>t</italic>), with the primary objective of mitigating infections caused by both strains 1 and strain 2, while concurrently increasing the number of individuals who have recuperated. To identify the specific impact of each control strategy, we examine the following three scenarios:</p>
<list list-type="bullet">
<list-item><p>The first scenario applies only control <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) and compares the results with those of the uncontrolled case.</p></list-item>
<list-item><p>In the second scenario, we exclusively applied control <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) with <italic>v</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>) and <italic>v</italic><sub>2</sub>(<italic>t</italic>) separately, allowing for a comparative analysis with the uncontrolled case.</p></list-item>
<list-item><p>The third scenario integrates all three control strategies <italic>u</italic>(<italic>t</italic>), <italic>v</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>), and <italic>v</italic><sub>2</sub>(<italic>t</italic>), resulting in a comprehensive assessment of their combined impact.</p></list-item>
</list>
<sec>
<title>3.1 Scenario 1: application the control <italic>u</italic>(<italic>t</italic>)</title>
<p>This scenario depends on the vaccination strategy <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) for susceptible people, where <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) represents the number of individuals vaccinated at moment <italic>t</italic>, and the following figures show the evolution of individuals in all compartments under the influence of this scenario.</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> shows two curves representing the progression of strain <italic>I</italic><sub>1</sub>. The blue curve illustrates the evolution of the strain in a scenario with no medical intervention, peaking at approximately 50,000 cases on day 85, followed by a gradual decline in infection rates. In contrast, the yellow curve shows the progression of the same strain under the vaccination strategy. This curve initially mirrors the trajectory of the blue curve for the first 40 days. Subsequently, a noticeable slowdown in the spread of the strain was observed, reflecting the protective impact of the vaccination. Approximately 70 days after the implementation of vaccination, the infection rate of the strain was halved compared with the non-vaccination scenario, indicating the efficacy of vaccination in mitigating the spread of this particular strain.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>Strain <italic>I</italic><sub>1</sub> without and with control <italic>u</italic>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-10-1392628-g0003.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> shows two curves representing the progression of the Strain <italic>I</italic><sub>2</sub>. The blue curve illustrates the evolution of the strain in the absence of any intervention to limit its spread, peaking at &#x0007E;40,000 cases on day 90, followed by a gradual decline in infection rates. In contrast, the green curve depicts the progression of the same strain under vaccination strategy <italic>u</italic>. This curve initially mirrors the trajectory of the blue curve for the first 30 days. Subsequently, a noticeable slowdown in the spread of the strain is observed, reflecting the protective impact of vaccination. Approximately 70 days after the implementation of the vaccination strategy, the infection rate of the strain is halved compared with the non-vaccination scenario, indicating the efficacy of vaccination in mitigating the spread of this particular strain.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p>Strain <italic>I</italic><sub>2</sub> without controls and with controls <italic>u</italic>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-10-1392628-g0004.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> contains two curves, where the Gold Curve shows the number of people who recovered from Strains <italic>I</italic><sub>1</sub> and <italic>I</italic><sub>2</sub> over time without using any treatment or infection control strategies. This curve indicates that the number of recoveries increased significantly over time; the explanation for this is that the lethality of these strains is not very dangerous. The brown curve represents the number of recoveries from these strains when a vaccination strategy is employed. This curve shows that the number of recoveries is significantly lower than that of the first curve. The explanation for this is that the vaccination strategy is effective and has prevented many people from contracting the disease, which might have been caused by the absence of vaccination and, after a number of them have recovered, would have been counted among the recoveries. Therefore, the number of recoveries was higher in the scenario without vaccination than in that with vaccination.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p>Recovered with and without control <italic>u</italic>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-10-1392628-g0005.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>3.2 Scenario 2: application the controls <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) and <italic>v</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>) for <italic>I</italic><sub>1</sub> and <italic>v</italic><sub>2</sub>(<italic>t</italic>) for <italic>I</italic><sub>2</sub></title>
<p>In addition to the vaccination strategy, this scenario depends on a strategy specific to the strain <italic>I</italic><sub>1</sub> depends on providing the appropriate treatment and medications <italic>v</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>) for individuals infected with strain <italic>I</italic><sub>1</sub>, and a strategy specific to the strain <italic>I</italic><sub>2</sub> depends on providing the treatment and appropriate medications <italic>v</italic><sub>2</sub>(<italic>t</italic>) for individuals infected with strain <italic>I</italic><sub>2</sub>; the following figures show the evolution of number of infected people with each strain separately under the influence of scenario 2.</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref> shows the two curves for Strain I1. The blue curve shows the natural development of Strain I1 in the absence of any intervention to limit its spread, as mentioned in the previous analysis. Conversely, the green curve displays the development of the strain under the influence of two strategies: vaccination and providing appropriate treatment and medication to those infected with this strain. From <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>, we observe that the period of overlap between the two curves becomes shorter than that in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>. Additionally, there was a noticeable decrease in the number of infections, with a peak at &#x0007E;16,000 cases on the 70th day, followed by a gradual decline. This pattern highlights the effectiveness of an integrated intervention strategy in reducing the spread of this strain.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>Figure 6</label>
<caption><p>Strain <italic>I</italic><sub>1</sub> without controls and with controls <italic>u</italic>, <italic>v</italic><sub>1</sub>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-10-1392628-g0006.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> shows two curves for Strain <italic>I</italic><sub>2</sub>. The curve colored in blue shows the natural development of this strain in the absence of any interventions to limit its spread, as mentioned in the previous analysis. In contrast, the olive curve displays the development of the strain under the influence of two strategies: vaccination <italic>u</italic> and appropriate treatment and medication <italic>v</italic><sub>2</sub> for those infected with this strain. <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> shows a shorter period of overlap between the two curves compared with <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref>. The number of infections peaked at &#x0007E;11,000 cases on the 60th day, followed by a significant reduction in the number of infected individuals, indicating the effectiveness of the integrated intervention strategy in reducing the spread of this strain.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>Figure 7</label>
<caption><p>Strain <italic>I</italic><sub>2</sub> without controls and with controls <italic>u</italic>, <italic>v</italic><sub>2</sub>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-10-1392628-g0007.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec>
<title>3.3 Scenario 3: application the controls <italic>u</italic>(<italic>t</italic>), <italic>v</italic><sub>1</sub>(<italic>t</italic>) and <italic>v</italic><sub>2</sub>(<italic>t</italic>)</title>
<p>In this scenario, all strategies were simultaneously implemented. The following figures illustrate the evolution of the number of individuals in all compartments under this scenario.</p>
<p><xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> contains two curves: The Gold Curve shows the number of people who have recovered from Strains <italic>I</italic><sub>1</sub> and <italic>I</italic><sub>2</sub> over time without using any treatment or infection control strategies, as previously mentioned above. The purple curve represents the number of recoveries from these two strains, involving both vaccination (<italic>u</italic>) and the provision of appropriate medication and treatment (<italic>v</italic><sub>1</sub> and <italic>v</italic><sub>2</sub> ) for each strain. From this figure, we observe that the purple curve is above the gold curve, in contrast to what we observed in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>. This is due to the use of the controls <italic>v</italic><sub>1</sub> and <italic>v</italic><sub>2</sub>, which increased the number of recoveries.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>Figure 8</label>
<caption><p>Recovered with and without control <italic>u</italic>, <italic>v</italic><sub>1</sub>, and <italic>v</italic><sub>2</sub>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-10-1392628-g0008.tif"/>
</fig>
<p><xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref> presents four distinct curves illustrating the progression of all population compartments, encompassing susceptible individuals (<italic>S</italic>), individuals infected with each strain (<italic>I</italic><sub>1</sub> and <italic>I</italic><sub>2</sub>), and the recovered individuals (<italic>R</italic>). These trajectories are depicted under the influence of a comprehensive vaccination strategy (<italic>u</italic>) and the administration of appropriate medications (<italic>v</italic><sub>1</sub> and <italic>v</italic><sub>2</sub>) tailored to each <italic>I</italic><sub>1</sub> and <italic>I</italic><sub>2</sub> category. In comparison to the baseline scenario depicted in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figures 1</xref>, <xref ref-type="fig" rid="F8">8</xref> unveils a stark reduction in the number of infections for both strains, along with a notable and continuously increasing count of recovered individuals. This unequivocally underscores the efficacy of the implemented intervention strategies within this context.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>Figure 9</label>
<caption><p>The states with controls <italic>u</italic>, <italic>v</italic><sub>1</sub>, and <italic>v</italic><sub>2</sub>.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-10-1392628-g0009.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusions" id="s4">
<title>4 Conclusion</title>
<p>In conclusion, this study introduced a mathematical model describing the dynamics of transmission for mutant strains of COVID-19 and proposed optimal strategies to combat their spread. Our strategies aim to minimize the number of infected individuals with each strain while maximizing the number of recovered individuals and minimizing associated costs. We incorporated two control strategies: a vaccination strategy for susceptible individuals and providing appropriate treatment and medication tailored to those infected with each strain separately. Through the application of Pontryagin&#x00027;s maximum principle in discrete time, we proved the existence of optimal controls and solved the optimality system using an iterative method. Furthermore, numerical simulations were conducted to evaluate the effectiveness of these strategies in managing the spread of mutant strains. Graphical representations were provided to illustrate the impact of control strategies on limiting the propagation of these strains. The simulations enabled us to compare different scenarios and observe the effectiveness of control strategies in a concrete manner. Despite the absence of the quarantine strategy, our findings indicate that these strategies effectively limit the spread of COVID-19 variants.</p></sec>
<sec sec-type="data-availability" id="s5">
<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="s6">
<title>Author contributions</title>
<p>AE: Writing - original draft, Writing - review &#x00026; editing. AEB: Writing - original draft, Writing - review &#x00026; editing. HL: Writing - original draft, Writing - review &#x00026; editing. AA: Writing - original draft, Writing - review &#x00026; editing. MR: Writing - original draft, Writing - review &#x00026; editing.</p></sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="funding-information" id="s7">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that no financial support was received for the research, authorship, and/or publication of this article.</p>
</sec>
<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="s8">
<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>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zakary</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Rachik</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Elmouki</surname> <given-names>I</given-names></name></person-group>. <article-title>A multi-regional epidemic model for controlling the spread of Ebola: awareness, treatment, and travel-blocking optimal control approaches</article-title>. <source>Math Methods Appl Sci</source>. (<year>2017</year>) <volume>40</volume>:<fpage>1265</fpage>&#x02013;<lpage>79</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/mma.4048</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Laarabi</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Rachik</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Kaddar</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Optimal control of an epidemic model with a saturated incidence rate</article-title>. <source>Nonlin Anal</source>. (<year>2012</year>) <volume>17</volume>:<fpage>448</fpage>&#x02013;<lpage>59</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.15388/NA.17.4.14050</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>El Bhih</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Yaagoub</surname> <given-names>Z</given-names></name> <name><surname>Rachik</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Allali</surname> <given-names>K</given-names></name> <name><surname>Abdeljawad</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <article-title>Controlling the dissemination of rumors and antirumors in social networks: a mathematical modeling and analysis approach</article-title>. <source>Eur Phys J Plus</source>. (<year>2024</year>) <volume>139</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>23</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/s13360-023-04844-y</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Goswami</surname> <given-names>NK</given-names></name> <name><surname>Olaniyi</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Abimbade</surname> <given-names>SF</given-names></name> <name><surname>Chuma</surname> <given-names>FM</given-names></name></person-group>. <article-title>A mathematical model for investigating the effect of media awareness programs on the spread of COVID-19 with optimal control</article-title>. <source>Healthc Analyt</source>. (<year>2024</year>) <volume>2024</volume>:<fpage>100300</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.health.2024.100300</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Castiglione</surname> <given-names>F</given-names></name> <name><surname>Piccoli</surname> <given-names>B</given-names></name></person-group>. <article-title>Cancer immunotherapy, mathematical modeling and optimal control</article-title>. <source>J Theoret Biol</source>. (<year>2007</year>) <volume>247</volume>:<fpage>723</fpage>&#x02013;<lpage>32</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jtbi.2007.04.003</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">17543345</pub-id></citation></ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Danane</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Meskaf</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Allali</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Optimal control of a delayed hepatitis B viral infection model with HBV DNA&#x02013;containing capsids and CTL immune response</article-title>. <source>Opt Contr Appl Methods</source>. (<year>2018</year>) <volume>39</volume>:<fpage>1262</fpage>&#x02013;<lpage>72</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/oca.2407</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Fantaye</surname> <given-names>AK</given-names></name> <name><surname>Birhanu</surname> <given-names>ZK</given-names></name></person-group>. <article-title>Mathematical model and analysis of corruption dynamics with optimal control</article-title>. <source>J Appl Math</source>. (<year>2022</year>) <volume>2022</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>16</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2022/3844885</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kouidere</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Balatif</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Ferjouchia</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Boutayeb</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Rachik</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Optimal control strategy for a discrete time to the dynamics of a population of diabetics with highlighting the impact of living environment</article-title>. <source>Discr Dyn Nat Soc</source>. (<year>2019</year>) <volume>2019</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2019/6342169</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>El Bhih</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Benfatah</surname> <given-names>Y</given-names></name> <name><surname>Kouidere</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Rachik</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>A discrete mathematical modeling of transmission of COVID-19 pandemic using optimal control</article-title>. <source>Commun Math Biol Neurosci</source>. (<year>2020</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.28919/cmbn/4780</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Balatif</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Khajji</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Rachik</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Mathematical modeling, analysis, and optimal control of abstinence behavior of registration on the electoral lists</article-title>. <source>Discr Dyn Nat Soc</source>. (<year>2020</year>) <volume>2020</volume>:<fpage>9738934</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2020/9738934</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>El Bhih</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Ghazzali</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Ben Rhila</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Rachik</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>El Alami Laarroussi</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>A discrete mathematical modeling and optimal control of the rumor propagation in online social network</article-title>. <source>Discr Dyn Nat Soc</source>. (<year>2020</year>) <volume>2020</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>12</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2020/4386476</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Toufga</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Benahmadi</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Sakkoum</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Lhous</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Optimal control of a spatiotemporal discrete tuberculosis model</article-title>. <source>Int J Biomath</source>. (<year>2024</year>) <volume>2024</volume>:<fpage>2350110</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S1793524523501103</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Labzai</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Kouidere</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Khajji</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Balatif</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Rachik</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Mathematical modeling and optimal control strategy for a discrete time drug consumption model</article-title>. <source>Discr Dyn Nat Soc</source>. (<year>2020</year>) <volume>2020</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>10</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2020/5671493</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Khajji</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Kada</surname> <given-names>D</given-names></name> <name><surname>Balatif</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Rachik</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>A multi-region discrete time mathematical modeling of the dynamics of COVID-19 virus propagation using optimal control</article-title>. <source>J Appl Math Comput</source>. (<year>2020</year>) <volume>64</volume>:<fpage>255</fpage>&#x02013;<lpage>81</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s12190-020-01354-3</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">32390786</pub-id></citation></ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gao</surname> <given-names>Z</given-names></name></person-group>. <article-title>On discrete time optimal control: a closed-form solution</article-title>. In: <source>Proceedings of the 2004 American Control Conference, Vol. 1</source>. <publisher-loc>IEEE</publisher-loc> (<year>2004</year>). p. <fpage>52</fpage>&#x02013;<lpage>8</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.23919/acc.2004.1383578</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Yakowitz</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Rutherford</surname> <given-names>B</given-names></name></person-group>. <article-title>Computational aspects of discrete-time optimal control</article-title>. <source>Appl Math Comput</source>. (<year>1984</year>) <volume>15</volume>:<fpage>29</fpage>&#x02013;<lpage>45</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lhous</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Rachik</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Laarabi</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Abdelhak</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>Discrete mathematical modeling and optimal control of the marital status: the monogamous marriage case</article-title>. <source>Adv Diff Eq</source>. (<year>2017</year>) <volume>2017</volume>:<fpage>1</fpage>&#x02013;<lpage>16</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1186/s13662-017-1390-0</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Khajji</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Boujallal</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Balatif</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Rachik</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Mathematical modelling and optimal control strategies of a multistrain COVID-19 spread</article-title>. <source>J Appl Math</source>. (<year>2022</year>) <volume>2022</volume>:<fpage>9071890</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2022/9071890</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Gao</surname> <given-names>S</given-names></name> <name><surname>Shen</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Wang</surname> <given-names>J</given-names></name> <name><surname>Martcheva</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Rong</surname> <given-names>L</given-names></name></person-group>. <article-title>A multi-strain model with asymptomatic transmission: application to COVID-19 in the US</article-title>. <source>J Theoret Biol</source>. (<year>2023</year>) <volume>565</volume>:<fpage>111468</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jtbi.2023.111468</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">36940811</pub-id></citation></ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Elqaddaoui</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>El Bhih</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Laarabi</surname> <given-names>H</given-names></name> <name><surname>Rachik</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Abta</surname></name> <name><surname>A</surname></name></person-group>. <article-title>A stochastic optimal control strategy for multi-strain COVID-19 spread</article-title>. <source>Commun Math Biol Neurosci</source>. (<year>2023</year>) <volume>2023</volume>:<fpage>2052</fpage>&#x02013;<lpage>541</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.28919/cmbn/8223</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B21">
<label>21.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Otunuga</surname> <given-names>OM</given-names></name></person-group>. <article-title>Analysis of multi-strain infection of vaccinated and recovered population through epidemic model: application to COVID-19</article-title>. <source>PLoS ONE</source>. (<year>2022</year>) <volume>17</volume>:<fpage>e0271446</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pone.0271446</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">35905113</pub-id></citation></ref>
<ref id="B22">
<label>22.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Arruda</surname> <given-names>EF</given-names></name> <name><surname>Das</surname> <given-names>SS</given-names></name> <name><surname>Dias</surname> <given-names>CM</given-names></name> <name><surname>Pastore</surname> <given-names>DH</given-names></name></person-group>. <article-title>Modelling and optimal control of multi strain epidemics, with application to COVID-19</article-title>. <source>PLoS ONE</source>. (<year>2021</year>) <volume>16</volume>:<fpage>e0257512</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1371/journal.pone.0257512</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">34529745</pub-id></citation></ref>
<ref id="B23">
<label>23.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Khyar</surname> <given-names>O</given-names></name> <name><surname>Allali</surname> <given-names>K</given-names></name></person-group>. <article-title>Global dynamics of a multi-strain SEIR epidemic model with general incidence rates: application to COVID-19 pandemic</article-title>. <source>Nonlin Dyn</source>. (<year>2020</year>) <volume>102</volume>:<fpage>489</fpage>&#x02013;<lpage>509</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11071-020-05929-4</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">32921921</pub-id></citation></ref>
<ref id="B24">
<label>24.</label>
<citation citation-type="web"><person-group person-group-type="author"><collab>The World Health Organization</collab></person-group>. <source>Definitions</source> (<year>2019</year>). Available online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.who.int/publications/m/item/historical-working-definitions-and-primary-actions-for-SARS-CoV-2-variants">https://www.who.int/publications/m/item/historical-working-definitions-and-primary-actions-for-SARS-CoV-2-variants</ext-link> (accessed June 16, 2024).</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<label>25.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ding</surname> <given-names>W</given-names></name> <name><surname>Hendon</surname> <given-names>R</given-names></name> <name><surname>Cathey</surname> <given-names>B</given-names></name> <name><surname>Lancaster</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Germick</surname> <given-names>R</given-names></name></person-group>. <article-title>Discrete time optimal control applied to pest control problems</article-title>. <source>Involve J Math</source>. (<year>2014</year>) <volume>7</volume>:<fpage>479</fpage>&#x02013;<lpage>89</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.2140/involve.2014.7.479</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B26">
<label>26.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Zhang</surname> <given-names>DC</given-names></name> <name><surname>Shi</surname> <given-names>B</given-names></name></person-group>. <article-title>Oscillation and global asymptotic stability in a discrete epidemic model</article-title>. <source>J Math Anal Appl</source>. (<year>2003</year>) <volume>278</volume>:<fpage>194</fpage>&#x02013;<lpage>202</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/S0022-247X(02)00717-5</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B27">
<label>27.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Guibout</surname> <given-names>V</given-names></name> <name><surname>Bloch</surname> <given-names>A</given-names></name></person-group>. <article-title>A discrete maximum principle for solving optimal control problems</article-title>. In: <source>2004 43rd IEEE Conference on Decision and Control (CDC)(IEEE Cat. No. 04CH37601), Vol. 2</source>. <publisher-loc>IEEE</publisher-loc> (<year>2004</year>). p. <fpage>1806</fpage>&#x02013;<lpage>11</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/cdc.2004.1430309</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B28">
<label>28.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hwang</surname> <given-names>CL</given-names></name> <name><surname>Fan</surname> <given-names>LT</given-names></name></person-group>. <article-title>A discrete version of Pontryagin&#x00027;s maximum principle</article-title>. <source>Operat Res</source>. (<year>1967</year>) <volume>15</volume>:<fpage>139</fpage>&#x02013;<lpage>46</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1287/opre.15.1.139</pub-id></citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>