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]
Caputo分数阶导数源自黎曼-刘维尔分数阶积分。设
在
上连续 ,则黎曼-刘维尔分数次积分
如下:
其中
是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
。
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
,
是上限函数。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
.
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
|
|
|
|
指数律并不总是满足交换律:
其中
。
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]
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。
Caputo型分数阶导数的拉普拉斯变换如下:
其中
. [7]
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
是
-函数,
是下不完全Gamma函数。 [8]
- ^ Diethelm, Kai. https://opus4.kobv.de/opus4-fhws/frontdoor/index/index/year/2023/docId/3212. 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.
- ^ 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
.
- ^ Lazarević, Mihailo; Rapaić, Milan Rade; Šekara, Tomislav. Introduction to Fractional Calculus with Brief Historical Background. ResearchGate. 2014: 8.
- ^ Sikora, Beata. Remarks on the Caputo fractional derivative (PDF). Matematyka I Informatyka Na Uczelniach Technicznych. 2023, (5): 78–79.
- ^ 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
.
- ^ Weisstein, Eric W. Binomial Coefficient. mathworld.wolfram.com. 2024 [2024-05-20] (英语).
- ^ 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.
- ^ 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).