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Caputo分数阶导数

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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]

动机

Caputo分数阶导数源自黎曼-刘维尔分数阶积分。设上连续 ,则黎曼-刘维尔分数次积分如下:

其中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

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定义

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 .

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性质和定理

基本性质和定理

该算子的一些基本性质如下: [4]

更多信息 , ...
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非交换律

指数律并不总是满足交换律:

其中

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分数莱布尼茨法则

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]

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与其他分数阶微分算子的关系

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。

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拉普拉斯变换

Caputo型分数阶导数的拉普拉斯变换如下:

其中 . [7]

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一些函数的Caputo分数阶导数

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-函数,是下不完全Gamma函数[8]

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参考文献

拓展阅读

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