Articulo de referencia

Derivada fraccionaria de Caputo

En matemáticas , la derivada fraccionaria de Caputo , también llamada derivada fraccionaria de tipo Caputo, es una generalización de las derivadas para órdenes no enteros que re...

En matemáticas , la derivada fraccionaria de Caputo , también llamada derivada fraccionaria de tipo Caputo, es una generalización de las derivadas para órdenes no enteros que recibe su nombre de Michele Caputo. Caputo definió por primera vez esta forma de derivada fraccionaria en 1967. [ 1 ]

Motivación

La derivada fraccionaria de Caputo está motivada por la integral fraccionaria de Riemann-Liouville . SeaF{\textstyle f}ser continuo en(0,){\displaystyle \left(0,\,\infty \right)}, entonces la integral fraccionaria de Riemann-LiouvilleRLI{\textstyle {^{\text{RL}}\operatorname {I} }}afirma que

0RLIincógnitaα[F(incógnita)]=1Γ(α)0incógnitaF(t)(incógnitat)1αdt{\displaystyle {_{0}^{\text{RL}}\operatorname {I} _{x}^{\alpha }}\left[f\left(x\right)\right]={\frac {1}{\Gamma \left(\alpha \right)}}\cdot \int \limits _{0}^{x}{\frac {f\left(t\right)}{\left(xt\right)^{1-\alpha }}}\,\operatorname {d} t}

dóndeΓ(){\textstyle \Gamma \left(\cdot \right)}es la función Gamma .

Vamos a definirDincógnitaα:=dαdincógnitaα{\textstyle \operatorname {D} _{x}^{\alpha }:={\frac {\operatorname {d} ^{\alpha }}{\operatorname {d} x^{\alpha }}}}, digamos queDincógnitaαDincógnitaβ=Dincógnitaα+β{\textstyle \operatorname {D} _{x}^{\alpha }\operatorname {D} _{x}^{\beta }=\operatorname {D} _{x}^{\alpha +\beta }}y esoDincógnitaα=RLIincógnitaα{\textstyle \operatorname {D} _{x}^{\alpha }={^{\text{RL}}\operatorname {I} _{x}^{-\alpha }}}Se aplica. Siα=metro+zRmetronorte00<z<1{\textstyle \alpha =m+z\in \mathbb {R} \wedge m\in \mathbb {N} _{0}\wedge 0<z<1}entonces podríamos decirDincógnitaα=Dincógnitametro+z=Dincógnitaz+metro=Dincógnitaz1+1+metro=Dincógnitaz1Dincógnita1+metro=RLIincógnita1zDincógnita1+metro{\textstyle \operatorname {D} _{x}^{\alpha }=\operatorname {D} _{x}^{m+z}=\operatorname {D} _{x}^{z+m}=\operatorname {D} _{x}^{z-1+1+m}=\operatorname {D} _{x}^{z-1}\operatorname {D} _{x}^{1+m}={^{\text{RL}}\operatorname {I} }_{x}^{1-z}\operatorname {D} _{x}^{1+m}}. Entonces siF{\displaystyle f}también lo esdometro(0,){\displaystyle C^{m}\left(0,\,\infty \right)}, entonces

Dincógnitametro+z[F(incógnita)]=1Γ(1z)0incógnitaF(1+metro)(t)(incógnitat)zdt.{\displaystyle {\operatorname {D} _{x}^{m+z}}\left[f\left(x\right)\right]={\frac {1}{\Gamma \left(1-z\right)}}\cdot \int \limits _{0}^{x}{\frac {f^{\left(1+m\right)}\left(t\right)}{\left(x-t\right)^{z}}}\,\operatorname {d} t.}

Esto se conoce como la derivada fraccionaria de tipo Caputo, que a menudo se escribe comodoDincógnitaα{\textstyle {^{\text{C}}\operatorname {D} }_{x}^{\alpha }}.

Definición

La primera definición de la derivada fraccionaria de tipo Caputo fue dada por Caputo como:

doDincógnitametro+z[F(incógnita)]=1Γ(1z)0incógnitaF(metro+1)(t)(incógnitat)zdt{\displaystyle {^{\text{C}}\operatorname {D} _{x}^{m+z}}\left[f\left(x\right)\right]={\frac {1}{\Gamma \left(1-z\right)}}\cdot \int \limits _{0}^{x}{\frac {f^{\left(m+1\right)}\left(t\right)}{\left(x-t\right)^{z}}}\,\operatorname {d} t}

dóndedometro(0,){\displaystyle C^{m}\left(0,\,\infty \right)}ymetronorte00<z<1{\textstyle m\in \mathbb {N} _{0}\wedge 0<z<1}. [ 2 ]

Una definición equivalente popular es:

doDincógnitaα[F(incógnita)]=1Γ(αα)0incógnitaF(α)(t)(incógnitat)α+1αdt{\displaystyle {^{\text{C}}\operatorname {D} _{x}^{\alpha }}\left[f\left(x\right)\right]={\frac {1}{\Gamma \left(\left\lceil \alpha \right\rceil -\alpha \right)}}\cdot \int \limits _{0}^{x}{\frac {f^{\left(\left\lceil \alpha \right\rceil \right)}\left(t\right)}{\left(x-t\right)^{\alpha +1-\left\lceil \alpha \right\rceil }}}\,\operatorname {d} t}

dóndeαR>0norte{\textstyle \alpha \in \mathbb {R} _{>0}\setminus \mathbb {N} }y{\textstyle \left\lceil \cdot \right\rceil }es la función techo . Esto se puede derivar sustituyendoα=metro+z{\textstyle \alpha =m+z}de modo queα=metro+1{\textstyle \left\lceil \alpha \right\rceil =m+1}se aplicaría yα+z=α+1{\textstyle \left\lceil \alpha \right\rceil +z=\alpha +1}sigue. [ 3 ]

Otra definición equivalente popular la proporciona:

doDincógnitaα[F(incógnita)]=1Γ(norteα)0incógnitaF(norte)(t)(incógnitat)α+1nortedt{\displaystyle {^{\text{C}}\operatorname {D} _{x}^{\alpha }}\left[f\left(x\right)\right]={\frac {1}{\Gamma \left(n-\alpha \right)}}\cdot \int \limits _{0}^{x}{\frac {f^{\left(n\right)}\left(t\right)}{\left(x-t\right)^{\alpha +1-n}}}\,\operatorname {d} t}

dóndenorte1<α<nortenorte.{\textstyle n-1<\alpha <n\in \mathbb {N} .}.

El problema con estas definiciones es que solo permiten argumentos en(0,){\textstyle \left(0,\,\infty \right)}Esto se puede solucionar reemplazando el límite inferior de la integral cona{\textstyle a}:adoDincógnitaα[F(incógnita)]=1Γ(αα)aincógnitaF(α)(t)(incógnitat)α+1αdt{\textstyle {_{a}^{\text{C}}\operatorname {D} _{x}^{\alpha }}\left[f\left(x\right)\right]={\frac {1}{\Gamma \left(\left\lceil \alpha \right\rceil -\alpha \right)}}\cdot \int \limits _{a}^{x}{\frac {f^{\left(\left\lceil \alpha \right\rceil \right)}\left(t\right)}{\left(x-t\right)^{\alpha +1-\left\lceil \alpha \right\rceil }}}\,\operatorname {d} t}El nuevo dominio es(a,){\textstyle \left(a,\,\infty \right)}. [ 4 ]

Propiedades y teoremas

Propiedades y teoremas básicos

Algunas propiedades básicas son: [ 5 ]

No conmutación

La ley de índices no siempre cumple la propiedad de conmutación:

adoDincógnitaαadoDincógnitaβ=adoDincógnitaα+βadoDincógnitaβadoDincógnitaα{\displaystyle \operatorname {_{a}^{\text{C}}D} _{x}^{\alpha }\operatorname {_{a}^{\text{C}}D} _{x}^{\beta }=\operatorname {_{a}^{\text{C}}D} _{x}^{\alpha +\beta }\neq \operatorname {_{a}^{\text{C}}D} _{x}^{\beta }\operatorname {_{a}^{\text{C}}D} _{x}^{\alpha }}

dóndeαR>0norteβnorte{\displaystyle \alpha \in \mathbb {R} _{>0}\setminus \mathbb {N} \wedge \beta \in \mathbb {N} }.

Regla fraccionaria de Leibniz

La regla de Leibniz para la derivada fraccionaria de Caputo viene dada por:

adoDincógnitaα[gramo(incógnita)h(incógnita)]=k=0[(ak)gramo(k)(incógnita)aRLDincógnitaαk[h(incógnita)]](incógnitaa)αΓ(1α)gramo(a)h(a){\displaystyle \operatorname {_{a}^{\text{C}}D} _{x}^{\alpha }\left[g\left(x\right)\cdot h\left(x\right)\right]=\sum \limits _{k=0}^{\infty }\left[{\binom {a}{k}}\cdot g^{\left(k\right)}\left(x\right)\cdot \operatorname {_{a}^{\text{RL}}D} _{x}^{\alpha -k}\left[h\left(x\right)\right]\right]-{\frac {\left(x-a\right)^{-\alpha }}{\Gamma \left(1-\alpha \right)}}\cdot g\left(a\right)\cdot h\left(a\right)}

dónde(ab)=Γ(a+1)Γ(b+1)Γ(ab+1){\textstyle {\binom {a}{b}}={\frac {\Gamma \left(a+1\right)}{\Gamma \left(b+1\right)\cdot \Gamma \left(a-b+1\right)}}}es el coeficiente binomial . [ 6 ] [ 7 ]

Relación con otros operadores diferenciales fraccionarios

La derivada fraccionaria de tipo Caputo está estrechamente relacionada con la integral fraccionaria de Riemann-Liouville a través de su definición:

adoDincógnitaα[F(incógnita)]=aRLIincógnitaαα[Dincógnitaα[F(incógnita)]]{\displaystyle {_{a}^{\text{C}}\operatorname {D} _{x}^{\alpha }}\left[f\left(x\right)\right]={_{a}^{\text{RL}}\operatorname {I} _{x}^{\left\lceil \alpha \right\rceil -\alpha }}\left[\operatorname {D} _{x}^{\left\lceil \alpha \right\rceil }\left[f\left(x\right)\right]\right]}

Además, se aplica la siguiente relación:

adoDincógnitaα[F(incógnita)]=aRLDincógnitaα[F(incógnita)]k=0α[incógnitakαΓ(kα+1)F(k)(0)]{\displaystyle {_{a}^{\text{C}}\operatorname {D} _{x}^{\alpha }}\left[f\left(x\right)\right]={_{a}^{\text{RL}}\operatorname {D} _{x}^{\alpha }}\left[f\left(x\right)\right]-\sum \limits _{k=0}^{\left\lfloor \alpha \right\rfloor }\left[{\frac {x^{k-\alpha }}{\Gamma \left(k-\alpha +1\right)}}\cdot f^{\left(k\right)}\left(0\right)\right]}

dóndeaRLDincógnitaα{\displaystyle {_{a}^{\text{RL}}\operatorname {D} _{x}^{\alpha }}}es la derivada fraccionaria de Riemann-Liouville.

Transformación de Laplace

La transformada de Laplace de la derivada fraccionaria de tipo Caputo viene dada por:

Lincógnita{adoDincógnitaα[F(incógnita)]}(s)=sαF(s)k=0α1[sαk1F(k)(0)]{\displaystyle {\mathcal {L}}_{x}\left\{{_{a}^{\text{C}}\operatorname {D} _{x}^{\alpha }}\left[f\left(x\right)\right]\right\}\left(s\right)=s^{\alpha }\cdot F\left(s\right)-\sum \limits _{k=0}^{\left\lceil \alpha \right\rceil -1}\left[s^{\alpha -k-1}\cdot f^{\left(k\right)}\left(0\right)\right]}

dóndeLincógnita{F(incógnita)}(s)=F(s){\textstyle {\mathcal {L}}_{x}\left\{f\left(x\right)\right\}\left(s\right)=F\left(s\right)}. [ 8 ]

Derivada fraccionaria de Caputo de algunas funciones

La derivada fraccionaria de Caputo de una constantedo{\displaystyle c}está dado por:

adoDincógnitaα[do]=1Γ(αα)aincógnitaDtα[do](incógnitat)α+1αdt=1Γ(αα)aincógnita0(incógnitat)α+1αdtadoDincógnitaα[do]=0{\displaystyle {\begin{aligned}{_{a}^{\text{C}}\operatorname {D} _{x}^{\alpha }}\left[c\right]&={\frac {1}{\Gamma \left(\left\lceil \alpha \right\rceil -\alpha \right)}}\cdot \int \limits _{a}^{x}{\frac {\operatorname {D} _{t}^{\left\lceil \alpha \right\rceil }\left[c\right]}{\left(x-t\right)^{\alpha +1-\left\lceil \alpha \right\rceil }}}\,\operatorname {d} t={\frac {1}{\Gamma \left(\left\lceil \alpha \right\rceil -\alpha \right)}}\cdot \int \limits _{a}^{x}{\frac {0}{\left(x-t\right)^{\alpha +1-\left\lceil \alpha \right\rceil }}}\,\operatorname {d} t\\{_{a}^{\text{C}}\operatorname {D} _{x}^{\alpha }}\left[c\right]&=0\end{aligned}}}

La derivada fraccionaria de Caputo de una función potencialincógnitab{\displaystyle x^{b}}está dado por: [ 9 ]

adoDincógnitaα[incógnitab]=aRLIincógnitaαα[Dincógnitaα[incógnitab]]=Γ(b+1)Γ(bα+1)aRLIincógnitaαα[incógnitabα]adoDincógnitaα[incógnitab]={Γ(b+1)Γ(bα+1)(incógnitabαabα),para α1<bbR0,para α1bbnorte{\displaystyle {\begin{aligned}{_{a}^{\text{C}}\operatorname {D} _{x}^{\alpha }}\left[x^{b}\right]&={_{a}^{\text{RL}}\operatorname {I} _{x}^{\left\lceil \alpha \right\rceil -\alpha }}\left[\operatorname {D} _{x}^{\left\lceil \alpha \right\rceil }\left[x^{b}\right]\right]={\frac {\Gamma \left(b+1\right)}{\Gamma \left(b-\left\lceil \alpha \right\rceil +1\right)}}\cdot {_{a}^{\text{RL}}\operatorname {I} _{x}^{\left\lceil \alpha \right\rceil -\alpha }}\left[x^{b-\left\lceil \alpha \right\rceil }\right]\\{_{a}^{\text{C}}\operatorname {D} _{x}^{\alpha }}\left[x^{b}\right]&={\begin{cases}{\frac {\Gamma \left(b+1\right)}{\Gamma \left(b-\alpha +1\right)}}\left(x^{b-\alpha }-a^{b-\alpha }\right),\,&{\text{for }}\left\lceil \alpha \right\rceil -1<b\wedge b\in \mathbb {R} \\0,\,&{\text{for }}\left\lceil \alpha \right\rceil -1\geq b\wedge b\in \mathbb {N} \\\end{cases}}\end{aligned}}}

La derivada fraccionaria de Caputo de una función exponencialmiaincógnita{\displaystyle e^{a\cdot x}}está dado por:

adoDincógnitaα[mibincógnita]=aRLIincógnitaαα[Dincógnitaα[mibincógnita]]=bαaRLIincógnitaαα[mibincógnita]adoDincógnitaα[mibincógnita]=bα(miincógnita(αα,b)mia(αα,b)){\displaystyle {\begin{aligned}{_{a}^{\text{C}}\operatorname {D} _{x}^{\alpha }}\left[e^{b\cdot x}\right]&={_{a}^{\text{RL}}\operatorname {I} _{x}^{\left\lceil \alpha \right\rceil -\alpha }}\left[\operatorname {D} _{x}^{\left\lceil \alpha \right\rceil }\left[e^{b\cdot x}\right]\right]=b^{\left\lceil \alpha \right\rceil }\cdot {_{a}^{\text{RL}}\operatorname {I} _{x}^{\left\lceil \alpha \right\rceil -\alpha }}\left[e^{b\cdot x}\right]\\{_{a}^{\text{C}}\operatorname {D} _{x}^{\alpha }}\left[e^{b\cdot x}\right]&=b^{\alpha }\cdot \left(E_{x}\left(\left\lceil \alpha \right\rceil -\alpha ,\,b\right)-E_{a}\left(\left\lceil \alpha \right\rceil -\alpha ,\,b\right)\right)\\\end{aligned}}}

dóndemiincógnita(ν,a)=aνmiaincógnitaγ(ν,aincógnita)Γ(ν){\textstyle E_{x}\left(\nu ,\,a\right)={\frac {a^{-\nu }\cdot e^{a\cdot x}\cdot \gamma \left(\nu ,\,a\cdot x\right)}{\Gamma \left(\nu \right)}}}es elmit{\textstyle \operatorname {E} _{t}}-función yγ(a,b){\textstyle \gamma \left(a,\,b\right)}es la función gamma incompleta inferior . [ 10 ]

Referencias

  1. Diethelm, Kai (2019). "Teoría general de las ecuaciones diferenciales fraccionarias de tipo Caputo" . Ecuaciones diferenciales fraccionarias . págs. 1–20 . doi : 10.1515/9783110571660-001 . ISBN  978-3-11-057166-0. Consultado el 10 de agosto de 2023 .
  2. Caputo, Michele (1967). "Modelos lineales de disipación cuyo Q es casi independiente de la frecuencia-II" . ResearchGate . 13 (5): 530. Bibcode : 1967GeoJ...13..529C . doi : 10.1111/j.1365-246X.1967.tb02303.x .
  3. Lazarević, Mihailo; Rapaić, Milan Rade; Šekara, Tomislav (2014). "Introducción al cálculo fraccionario con breves antecedentes históricos" . Puerta de investigación : 8.
  4. Dimitrov, Yuri; Georgiev, Slavi; Todorov, Venelin (2023). "Aproximación de la derivada fraccionaria de Caputo y soluciones numéricas de ecuaciones diferenciales fraccionarias" . Fractal y Fraccional . 7 (10): 750. doi : 10.3390/fractalfract7100750 .
  5. Sikora, Beata (2023). "Observaciones sobre la derivada fraccionaria de Caputo" (PDF) . Matematyka I Informatyka Na Uczelniach Technicznych (5): 78– 79.
  6. Huseynov, Ismail; Ahmadova, Arzu; Mahmudov, Nazim (2020). "Reglas integrales fraccionarias de Leibniz para derivadas fraccionarias de Riemann-Liouville y Caputo y sus aplicaciones" . ResearchGate : 1. arXiv : 2012.11360 .
  7. Weisstein, Eric W. (2024). "Coeficiente binomial" . mathworld.wolfram.com . Consultado el 20 de mayo de 2024 .
  8. Sontakke, Bhausaheb Rajba; Shaikh, Amjad (2015). "Propiedades del operador de Caputo y sus aplicaciones a ecuaciones diferenciales fraccionarias lineales" (PDF) . Journal of Engineering Research and Applications . 5 (5): 23– 24. ISSN 2248-9622 . 
  9. Weisstein, Eric W. "Derivada fraccionaria" . mathworld.wolfram.com . Consultado el 20 de mayo de 2024 .
  10. Weisstein, Eric W. (2024). "Función E_t" . mathworld.wolfram.com . Consultado el 20 de mayo de 2024 .

Lecturas adicionales

  • Ricardo Almeida, Una derivada fraccionaria de Caputo de una función con respecto a otra función