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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

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

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定義

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 .

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性質和定理

基本性質和定理

該算子的一些基本性質如下: [4]

更多信息 , ...
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非交換律

指數律並不總是滿足交換律:

其中

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分數萊布尼茨法則

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]

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與其他分數階微分算子的關係

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。

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拉普拉斯變換

Caputo型分數階導數的拉普拉斯變換如下:

其中 . [7]

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一些函數的Caputo分數階導數

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]

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參考文獻

拓展閱讀

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