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Caputo分数阶导数

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Caputo分数阶导数Caputo fractional derivative),又名Caputo型分数阶导数(Caputo-type fractional derivative),是一种非整数阶导数的推广,以Michele Caputo的名字命名。 Caputo于1967年首次定义了该形式的分数阶导数。 [1]

动机

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Caputo分数阶导数源自黎曼-刘维尔分数阶积分。设上连续 ,则黎曼-刘维尔分数次积分如下:

其中Gamma函数

定义,满足。若那么 。故,若亦属于 , 则有

上式称为Caputo型分数阶导数,通常写为

定义

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Caputo型分数阶导数的首个定义由Caputo给出:

其中[2]

一个常见的等效定义是:

其中上限函数。通过换元法,令,则,可以得到上述式子。 [3]

另一个常见的等效定义如下:

其中

上述定义存在问题:它们只适用于 。可以通过将积分下限替换为来解决: 。新的定义域是 .

性质和定理

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基本性质和定理

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该算子的一些基本性质如下: [4]

基本性质和定理表
特性 条件
定义
线性
指数律
半群性质

非交换律

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指数律并不总是满足交换律:

其中

分数莱布尼茨法则

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Caputo分数阶导数的莱布尼茨法则如下:

其中是二项式系数。 [5] [6]

与其他分数阶微分算子的关系

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Caputo型分数阶导数的定义与黎曼-刘维尔分数阶积分密切相关:

此外,还适用以下关系:

其中是黎曼-刘维尔分数阶导数。

拉普拉斯变换

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Caputo型分数阶导数的拉普拉斯变换如下:

其中 . [7]

一些函数的Caputo分数阶导数

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常数的Caputo分数阶导数由下式给出:

幂函数的Caputo分数阶导数由下式给出:

指数函数的Caputo分数阶导数由下式给出:

其中-函数,是下不完全Gamma函数[8]

参考文献

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  1. ^ Diethelm, Kai. https://opus4.kobv.de/opus4-fhws/frontdoor/index/index/year/2023/docId/3212 |chapterurl=缺少标题 (帮助). General theory of Caputo-type fractional differential equations. 2019: 1–20 [2023-08-10]. ISBN 978-3-11-057166-0. doi:10.1515/9783110571660-001. 
  2. ^ Caputo, Michele. Linear Models of Dissipation whose Q is almost Frequency Independent-II. ResearchGate. 1967, 13 (5): 530. Bibcode:1967GeoJ...13..529C. doi:10.1111/j.1365-246X.1967.tb02303.x可免费查阅. 
  3. ^ Lazarević, Mihailo; Rapaić, Milan Rade; Šekara, Tomislav. Introduction to Fractional Calculus with Brief Historical Background. ResearchGate. 2014: 8. 
  4. ^ Sikora, Beata. Remarks on the Caputo fractional derivative (PDF). Matematyka I Informatyka Na Uczelniach Technicznych. 2023, (5): 78–79. 
  5. ^ Huseynov, Ismail; Ahmadova, Arzu; Mahmudov, Nazim. Fractional Leibniz integral rules for Riemann-Liouville and Caputo fractional derivatives and their applications. ResearchGate. 2020: 1. arXiv:2012.11360可免费查阅. 
  6. ^ Weisstein, Eric W. Binomial Coefficient. mathworld.wolfram.com. 2024 [2024-05-20] (英语). 
  7. ^ Sontakke, Bhausaheb Rajba; Shaikh, Amjad. Properties of Caputo Operator and Its Applications to Linear Fractional Differential Equations (PDF). Journal of Engineering Research and Applications. 2015, 5 (5): 23–24. ISSN 2248-9622. 
  8. ^ Weisstein, Eric W. E_t-Function. mathworld.wolfram.com. 2024 [2024-05-20]. (原始内容存档于2022-03-25) (英语). 

拓展阅读

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