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Caputo分數階導數

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Caputo分數階導數Caputo fractional derivative),又名Caputo型分數階導數(Caputo-type fractional derivative),是一種非整數階導數的推廣,以Michele Caputo的名字命名。 Caputo於1967年首次定義了該形式的分數階導數。 [1]

動機

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Caputo分數階導數源自黎曼-劉維爾分數階積分。設上連續 ,則黎曼-劉維爾分數次積分如下:

其中Gamma函數

定義,滿足。若那麼 。故,若亦屬於 , 則有

上式稱為Caputo型分數階導數,通常寫為

定義

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Caputo型分數階導數的首個定義由Caputo給出:

其中[2]

一個常見的等效定義是:

其中上限函數。通過換元法,令,則,可以得到上述式子。 [3]

另一個常見的等效定義如下:

其中

上述定義存在問題:它們只適用於 。可以通過將積分下限替換為來解決: 。新的定義域是 .

性質和定理

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基本性質和定理

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該算子的一些基本性質如下: [4]

基本性質和定理表
特性 條件
定義
線性
指數律
半群性質

非交換律

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指數律並不總是滿足交換律:

其中

分數萊布尼茨法則

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Caputo分數階導數的萊布尼茨法則如下:

其中是二項式係數。 [5] [6]

與其他分數階微分算子的關係

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Caputo型分數階導數的定義與黎曼-劉維爾分數階積分密切相關:

此外,還適用以下關係:

其中是黎曼-劉維爾分數階導數。

拉普拉斯變換

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Caputo型分數階導數的拉普拉斯變換如下:

其中 . [7]

一些函數的Caputo分數階導數

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常數的Caputo分數階導數由下式給出:

冪函數的Caputo分數階導數由下式給出:

指數函數的Caputo分數階導數由下式給出:

其中-函數,是下不完全Gamma函數[8]

參考文獻

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  1. ^ Diethelm, Kai. https://opus4.kobv.de/opus4-fhws/frontdoor/index/index/year/2023/docId/3212 |chapterurl=缺少標題 (幫助). 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可免費查閱. 
  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可免費查閱. 
  6. ^ Weisstein, Eric W. Binomial Coefficient. mathworld.wolfram.com. 2024 [2024-05-20] (英語). 
  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]. (原始內容存檔於2022-03-25) (英語). 

拓展閱讀

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