Kesirli analiz

(Fraksiyonel hesap sayfasından yönlendirildi)

Kesirli analiz, matematiksel analiz'in bir koludur. Kesirli analiz, D = d/dx ile gösterilen türev işlemcisi'nin ve J ile gösterilen integrasyon işlemcisi'nin kuvvetlerinin reel sayı veya karmaşık sayı değerler olabilme olanaklarını inceler.

Bu bağlamda bir üst cümlede kullanılan kuvvetleri terimi, doğrusal bir operatörün bir fonksiyona f 2(x) = f(f(x)) şeklinde peşpeşe uygulanmasını ifade eder.

Kesirli diferansiyel denklemler, diferansiyel denklemlerin kesirli analiz uygulanması yoluyla elde edilen bir genellemesidir.

Kesirli türevin doğası

değiştir

Kesirli türevde diğer bir önemli nokta ise bir x noktasının tam sayı olmasının yalnızca yerel özellik olduğu; tam sayı olmayan durumlarda ise bir şekilde, tam sayı-kuvvet türev yapacak şekilde x a çok yakın f'in değerlerine bağlı bir f fonksiyonunun x'teki kesirli türevleri olduğunu söyleyemeyiz. Bu nedenle teorinin fonksiyon hakkında daha ileri bilgi içeren, sınır koşullarının bazı çeşitlerini içermesi beklenmektedir.

Bir mecaz kullanmak gerekirse kesirli türev, at gözlüklerini çıkartmayı gerektirir. Bildiğimiz kadarıyla böyle bir teorinin varlığı için ilk olarak, konunun temelleri Liouvillenin 1832'deki notlarında atılmıştır.

Artık, a dereceli bir fonksiyonun kesirli türevi genellikle Fourier veya Mellin integral dönüşümleri vasıtasıyla tanımlanmaktadır.[1]

Sezgisel irdeleme

değiştir

Burada oldukça doğal bir soru bir H işlemci'sinin var veya yarı-türev nin olup olmadigidir böylece

 .

böyle bir işleç olduğu ortaya çıkıyor ve gerçekten herhangi a > 0 için burada var olan bir P işleci

 ,

veya dny/dxn'tanımı ile tutulan yöntem n nin tüm gerçek değerlerine uzanabilir.

Diyelimki f(x) ,x > 0 için tanımlı bir fonksiyon olsun.0 dan x a tanımlı bu form:

 .

olarak kodlanir ve

 ,

ise bu süreci yineler veya isteğe göre uzatılabilir.Tekrarlı integrasyon için Cauchy formülü:

 

Gerçek n için bir genelleme basit bir yol içinde yer alır. Faktöriyel fonksiyonunun gamma işlevini kullanarak ayrık doğasını ortadan kaldırmak bize integral işlemcinin kesirli uygulamaları için doğal bir aday verir.

 

Bu, aslında iyi tanımlanmış bir operatördür. Bunu basitçe göstermek için J operatörü doyurucudur

 

Bu ilişkililiğe kesirli diferintegral operatörlerin yarı grup özelliği denir. Ne yazık ki türev operatörü D için karşılaştırılabilir süreç çok daha karmaşık, ancak gösterilebilir ki D genel içinde ne değişmeli ne de eklemelidir.[kaynak belirtilmeli]

Bir temel kuvvet fonksiyonun kesirli türevi

değiştir
 
f (x) = x fonksiyonun yarı türevi (mor eğri) ilk türevi (kırmızı eğri) ile birlikte (mavi eğri) .
 
Canlandırmada sürekli y=x basit bir güç fonksiyonunun antitürev (α = -1) ve türev (α = 1) arasında salınan türev işlemcisini gösteriyor.

varsayalımki f(x) bir formun tek terimlisi(monomiali)dir

 

İlk türev genel olarak

 

Bu tekrarlama daha genel sonuç verir

 

Yukarıdan gama fonksiyonu ile faktöriyel değiştirildikten sonra, bizi şuna götürür

  for  

  için ve  ,

 

olarak   fonksiyonunun yarı türevini elde ederiz

Bu süreci veren tekrarlama

 

Nitekim beklenen sonuçlar verecek şekilde

 

Negatif tam sayı kuvveti k için, gama fonksiyonu tanımsız ve aşağıdaki ilişkiyi kullanmak zorunda

[2]
  for  

Yukarıdaki diferansiyel operatörün bu uzantısı sadece gerçek güçlere kısıtlı örneğin, 2'nci türevi veren (1 − i)inci türevin, ayrıca a için

negatif değerler bağlamında integral veren fark olması gerekmez.

Genel bir fonksiyon f(x) ve 0 < α < 1 için, tam kesirli türev

 

dir keyfi α,için dolayısıyla gama fonksiyonu böyle bileşen için tanımlanamaz ve gerçek kısmı bir negatif tam sayıdır, Bu uygulama için gerekli kesirli türev sonrası

tam sayı türevi gerçekleştirilmiştir. Örneğin,

 

Laplace dönüşümü

değiştir

Ayrıca sorudan Laplace dönüşümü

  yoluyla alınabilir

ve

 

vs, ters laplace;

 .

örneğin beklenildiği gibi

 

dir.Yani, evrişim kuralı ile

  dir.

ve özetle p(x) = xα − 1 için şunu buluruz

 

Yukarıdakiler Cauchy tarafından bize verilmiştir.

Laplace nispeten az sayıda fonksiyonlar üzerinde "iş" dönüştürür, ancak sık sık kesirli diferansiyel denklemlerin çözümü için yararlıdır.

Kesirli integraller

değiştir

Riemann–Liouville kesirli integrali

değiştir

Kesirli analizin klasik formu Riemann–Liouville integrali tarafından veriliyor, bu esasen yukarıda tanımlanmıştır. Teori periyodik fonksiyonlar için (bir periyod sonra yinelenen 'sinir değerler' içerir) Weyl integralidir. Bu Fourier serisi üzerinde tanımlanıyor ve Fourier katsayılarının kaybolması gereklidir (böylece, 0 için birim çember üzerindeki fonksiyonlar integrallerin evrimi için uygulanıyor).

 

Grünwald–Letnikov türevi karşıtlığı ile integralin yerine türev ile başlıyor.

Hadamard kesirli integrali

değiştir

Hadamard kesirli integral'i J. Hadamard [3] tarafından tanıtılmış ve formül aşağıda verilmiştir,

 

t > a içindir

Kesirli türevler

değiştir

Klasik Newton türevleri gibi, bir kesirli türev bir kesirli integrali üzerinden tanımlanamaz.

Riemann–Liouville kesirli türevi

değiştir

Karşılık gelen türev diferansiyel operatörler için Lagrange kuralı kullanılarak, (nα) derecenin integrali üzerinden n-inci dereceli türev hesaplanır, α dereceli türevi elde edilir. Bu n ifadesinin önemi α dan büyük tam sayıya yakındır.

 

Caputo kesirli türevi

değiştir

Kesirli türevleri hesaplamak için başka bir seçenek;1967 makalesinde M. Caputo tarafından tanıtılan Caputo kesirli türevidir.[4] Caputo'nun tanımlaması kullanılarak diferansiyel denklem çözerken Riemann Liouville kesirli türev aksine, bu kesirli mertebeden başlangıç koşullarını tanımlamaya gerek yoktur. Aşağıdaki gibi Caputo tanımı gösterilmiştir.

 

Genelleme

değiştir

Erdélyi–Kober işlemcisi

değiştir

Erdélyi–Kober işlemcisi bir integral işlemci olup Arthur Erdélyi ve Hermann Kober tarafından 1940'ta tanıtıldı ve aşağıdaki gibi verilir:

 

bunun genellemesi Riemann kesirli integrali ve Weyl integralidir.Yeni bir genelleme ise aşağıdadır ve bununh genellemesi Riemann-Liouville kesirli integrali ve Hadamard kesirli integralidir. Bu [5] ile x > a için verilen

 

Fonksiyonel hesap

değiştir

fonksiyonel analizin konuları içinde, fonksiyonların f(D) daha genel kuvvetlerinde spektral teorinin fonksiyonel hesabı içindeki çalışmalardır.Sözde-diferansiyel işlemcilerin teorisi D'nin kuvvetlerini ayrıca düşünmemizi sağlar. Ortaya çıkan operatörler tekil integral işlemcilerin örnekleridir; ve yüksek boyutlar için klasik teorinin genelleştirilmesine Riesz potansiyellerinin teorisi denir. Böylece bu çağdaş tutarlı teoride bir sayıdır ve bununla birlikte kesirli hesap tartışılabilir. Ayrıca Erdélyi–Kober işlemcisi, Kober 1940, Erdélyi & 1950–51 'nin özel fonksiyon teorisi içinde önemlidir.

Uygulamalar

değiştir

Kesirli kütle korunumu

değiştir

Tanıtım olarak Wheatcraft ve Meerschaert (2008) tarafından,[6] kütle denkleminin bir kesirli korunumu kontrol hacmi sıvı akışını modellemek için gerekli olduğunda heterojenliğin ölçeğine göre yeterince büyük değildir ve kontrol hacmi içinde akı olduğunda doğrusal değildir. Başvuru yapılan yazıda, sıvı akışı için kütle denkleminin kesirli korumasi:

 

Kesirli adveksiyon dağılım denklemi

değiştir

Bu denklemin, heterojen gözenekli ortam içinde kirletici akışı modellemek için kullanışlı olduğu gösterilmiştir.[7][8][9]

Zaman-uzay kesirli difüzyon denklemi modelleri

değiştir

Karmaşık ortamda anormal difüzyon süreçleri kesirli-dereceli difüzyon denklem modelleri kullanılarak karakterize edilebilir.[10][11] Zaman türevi terimi uzun süre ağır kuyruk çürümesi ve yerel olmayan difüzyon için uzay türevine karşılık gelir. Uzay-zaman kesirli difüzyon yönetim denklemi olarak yazılabilir.

 

Kesirli türevin basit bir uzantısı değişken dereceli kesirli türev, α, β ifadeleri α(x, t), β(x, t) içinde değişir. Anormal difüzyon modelleme uygulamaları için kaynak bulunabilir.[12]

Yapısal sönümleme modelleri

değiştir

Kesirli türevler polimerler gibi bazı malzeme türlerinde viskoelastik sönümlemeyi modellemek için kullanılır.[13]

Karmaşık ortam için akustik dalga denklemleri

değiştir

Kompleks ortamlarda, örneğin biyolojik dokuda akustik dalgaların yayılımı, yaygın bir frekans-güç yasalarına uymanın zayıflaması anlamına gelir. Bu tür olgular, kesirli zaman türevlerini içeren nedensel bir dalga denklemi kullanılarak tarif edilebilir:

 

Ayrıca [14] buradaki referanslara bakınız. Bu tür modeller birden fazla gevşeme fenomeni ölçülen karmaşık ortamlarda zayıflama doğuran, yaygın olarak tanınan hipotez ile bağlantılıdır. Bu bağlantı ayrıca [15] içindeki tanım ve araştırma makalesinde,[16] akustik zayıflamada ayrıca yazılıdır.

Kuantum teorisinde kesirli Schrödinger denklemi

değiştir

Kesirli Schrödinger denklemi kesirli kuantum mekaniği nin Nick Laskin tarafından incelenen bir temel denkleminin [17] formu aşağıdaki gibidir:[18]

 

burada dalga fonksiyonu denkleminin çözümü olması için verilen bir durum vektörüne ψ(r, t) - kuantum mekaniksel parçacık için r olasılık genliği var t herhangi verilen zaman ve ħ indirgenmiş Planck sabitidir.Potansiyel enerji fonksiyonu sistemi üzerinden V(r, t) bağımlıdır.

Ayrıca, Δ = 2/r2 Laplace işlemcisidir ve Dα fiziksel boyut ile bir skala sabitidir.[Dα] = erg1 − α·cmα·secα, (m kütlenin parçacığı için α = 2 de, D2 = 1/2m) ve (−ħ2Δ)α/2 işlemci is the 3-boyutlu kesirli kuantum Riesz türevi ile tanımlanır

 

Kesirli Schrödinger denkleminde α indisi Lévy indisi, 1 < α ≤ 2.

Ayrıca bakınız

değiştir
  1. ^ For the history of the subject, see the thesis (in French): Stéphane Dugowson, Les différentielles métaphysiques 9 Ocak 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. (histoire et philosophie de la généralisation de l'ordre de dérivation), Thèse, Université Paris Nord (1994)
  2. ^ Bologna, Mauro, Short Introduction to Fractional Calculus (PDF), Universidad de Tarapaca, Arica, Chile, 17 Ekim 2016 tarihinde kaynağından (PDF) arşivlendi, erişim tarihi: 8 Nisan 2014 
  3. ^ Hadamard, J., Essai sur l'étude des fonctions données par leur développement de Taylor, Journal of pure and applied mathematics, vol. 4, no. 8, pp. 101–186, 1892.
  4. ^ Caputo, Michel (1967). "Linear model of dissipation whose Q is almost frequency independent-II". Geophys. J. R. Astr. Soc. Cilt 13. ss. 529-539. 
  5. ^ "Katugampola, U.N., New Approach To A Generalized Fractional Integral, Appl. Math. Comput. Vol 218, Issue 3, 1 October 2011, pages 860–865". 24 Eylül 2015 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 8 Nisan 2014. 
  6. ^ Wheatcraft, S., Meerschaert, M., (2008). "Fractional Conservation of Mass." Advances in Water Resources 31, 1377–1381.
  7. ^ Benson, D., Wheatcraft, S., Meerschaert, M., (2000). "Application of a fractional advection-dispersion equation." Water Resources Res 36, 1403–1412.
  8. ^ Benson, D., Wheatcraft, S., Meerschaert, M., (2000). "The fractional-order governing equation of Lévy motion." Water Resources Res 36, 1413–1423.
  9. ^ Benson, D., Schumer, R., Wheatcraft, S., Meerschaert, M., (2001). "Fractional dispersion, Lévy motion, and the MADE tracer tests." Transport Porous Media 42, 211–240.
  10. ^ Metzler, R., Klafter, J., (2000). "The random walk's guide to anomalous diffusion: a fractional dynamics approach." Phys. Rep., 339, 1-77.
  11. ^ Chen, W., Sun, H.G., Zhang, X., Korosak, D., (2010). "Anomalous diffusion modeling by fractal and fractional derivatives." Computers and Mathematics with Applications, 59(5), 1754-1758. [1] 24 Eylül 2015 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
  12. ^ Sun, H.G., Chen, W., Chen, Y.Q., (2009). "Variable-order fractional differential operators in anomalous diffusion modeling." Physica A, 2009, 388: 4586-4592.[2] 24 Eylül 2015 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
  13. ^ Nolte, Kempfle and Schäfer (2003). "Does a Real Material Behave Fractionally? Applications of Fractional Differential Operators to the Damped Structure Borne Sound in Viscoelastic Solids", Journal of Computational Acoustics (JCA), Volume 11, Issue 3.
  14. ^ S. Holm and S. P. Näsholm, "A causal and fractional all-frequency wave equation for lossy media," Journal of the Acoustical Society of America, Volume 130, Issue 4, pp. 2195–2201 (October 2011)
  15. ^ S. P. Näsholm and S. Holm, "Linking multiple relaxation, power-law attenuation, and fractional wave equations," Journal of the Acoustical Society of America, Volume 130, Issue 5, pp. 3038-3045 (November 2011).
  16. ^ S. P. Näsholm and S. Holm, "On a Fractional Zener Elastic Wave Equation," Fract. Calc. Appl. Anal. Vol. 16, No 1 (2013), pp. 26-50, DOI: 10.2478/s13540-013--0003-1 Link to e-print 6 Ağustos 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.
  17. ^ N. Laskin, (2000), Fractional Quantum Mechanics and Lévy Path Integrals. Physics Letters 268A, 298-304.
  18. ^ N. Laskin, (2002), Fractional Schrödinger equation, Physical Review E66, 056108 7 pages 15 Temmuz 2012 tarihinde Archive.is sitesinde arşivlendi. (also available online: http://arxiv.org/abs/quant-ph/0206098 6 Ekim 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi.)

Kaynakça

değiştir

Dış bağlantılar

değiştir