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]
Caputo分數階導數源自黎曼-劉維爾分數階積分。設
在
上連續 ,則黎曼-劉維爾分數次積分
如下:
其中
是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
。
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
,
是上限函數。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
.
該算子的一些基本性質如下: [4]
基本性質和定理表
特性
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條件
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定義
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線性
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指數律
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半群性質
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指數律並不總是滿足交換律:
其中
。
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]
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。
Caputo型分數階導數的拉普拉斯變換如下:
其中
. [7]
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
是
-函數,
是下不完全Gamma函數。 [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.
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.
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- ^ 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
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