Die fraktionale Caputo-Ableitung ist in der Mathematik eine Verallgemeinerung von Ableitungen für nicht-ganzzahlige Ordnungen benannt nach Michele Caputo. 1967 definierte Caputo diese Form der fraktionalen Ableitung das erste Mal.[ 1]
Die fraktionale Caputo-Ableitung ist motiviert aus den fraktionalen Riemann–Liouville-Intergal . Sei
f
{\textstyle f}
stetig in
(
0
,
∞
)
{\displaystyle \left(0,\,\infty \right)}
, dann ist das fraktionale Riemann–Liouville-Integral
RL
I
{\textstyle {^{\text{RL}}\operatorname {I} }}
aus
f
{\textstyle f}
gegeben durch
0
RL
I
x
α
[
f
(
x
)
]
=
1
Γ
(
−
α
)
⋅
∫
0
x
f
(
t
)
(
x
−
t
)
1
−
α
d
t
{\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(x-t\right)^{1-\alpha }}}\,\operatorname {d} t}
wobei
Γ
(
⋅
)
{\textstyle \Gamma \left(\cdot \right)}
die Gammafunktion ist.
Man definiert
D
x
α
:=
d
α
d
x
α
{\textstyle \operatorname {D} _{x}^{\alpha }:={\frac {\operatorname {d} ^{\alpha }}{\operatorname {d} x^{\alpha }}}}
mit der Eigenschaft
D
x
α
D
x
β
=
D
x
α
+
β
{\textstyle \operatorname {D} _{x}^{\alpha }\operatorname {D} _{x}^{\beta }=\operatorname {D} _{x}^{\alpha +\beta }}
und
D
x
α
=
RL
I
x
−
α
{\textstyle \operatorname {D} _{x}^{\alpha }={^{\text{RL}}\operatorname {I} _{x}^{-\alpha }}}
. Wenn
α
=
m
+
z
∈
R
∧
m
∈
N
0
∧
0
<
z
<
1
{\textstyle \alpha =m+z\in \mathbb {R} \wedge m\in \mathbb {N} _{0}\wedge 0<z<1}
gilt, folgt daraus
D
x
α
=
D
x
m
+
z
=
D
x
z
+
m
=
D
x
z
−
1
+
1
+
m
=
D
x
z
−
1
D
x
1
+
m
=
RL
I
x
1
−
z
D
x
1
+
m
{\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}}
. Sollte also
f
{\displaystyle f}
C
m
(
0
,
∞
)
{\displaystyle C^{m}\left(0,\,\infty \right)}
sein, so folgt
D
x
m
+
z
[
f
(
x
)
]
=
1
Γ
(
1
−
z
)
⋅
∫
0
x
f
(
1
+
m
)
(
t
)
(
x
−
t
)
z
d
t
.
{\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.}
Der Zusammenhang wird als fraktionale Caputo-Ableitung bezeichnet, mit der häufig genutzten Notation
C
D
x
α
{\textstyle {^{\text{C}}\operatorname {D} }_{x}^{\alpha }}
.
Die erste Definition der fraktionale Caputo-Ableitung wurde von Caputo gegeben durch:
C
D
x
m
+
z
[
f
(
x
)
]
=
1
Γ
(
1
−
z
)
⋅
∫
0
x
f
(
m
+
1
)
(
t
)
(
x
−
t
)
z
d
t
{\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}
mit
f
{\displaystyle f}
C
m
(
0
,
∞
)
{\displaystyle C^{m}\left(0,\,\infty \right)}
und
m
∈
N
0
∧
0
<
z
<
1
{\textstyle m\in \mathbb {N} _{0}\wedge 0<z<1}
.[ 2]
Eine andere beliebte äquivalente Definition ist gegeben durch:
C
D
x
α
[
f
(
x
)
]
=
1
Γ
(
⌈
α
⌉
−
α
)
⋅
∫
0
x
f
(
⌈
α
⌉
)
(
t
)
(
x
−
t
)
α
+
1
−
⌈
α
⌉
d
t
{\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}
wobei
α
∈
R
>
0
∖
N
{\textstyle \alpha \in \mathbb {R} _{>0}\setminus \mathbb {N} }
und
⌈
⋅
⌉
{\textstyle \left\lceil \cdot \right\rceil }
ist die Aufrundungsfunktion . Das kann aus der vorherigen Formel durch die Substitution
α
:=
m
+
z
{\textstyle \alpha :=m+z}
und den Fakt, dass
⌈
α
⌉
=
m
+
1
{\textstyle \left\lceil \alpha \right\rceil =m+1}
gilt, und somit
⌈
α
⌉
+
z
=
α
+
1
{\textstyle \left\lceil \alpha \right\rceil +z=\alpha +1}
folgt.[ 3]
Eine weitere beliebte äquivalente Definition ist gegeben durch:
C
D
x
α
[
f
(
x
)
]
=
1
Γ
(
n
−
α
)
⋅
∫
0
x
f
(
n
)
(
t
)
(
x
−
t
)
α
+
1
−
n
d
t
{\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}
mit
n
−
1
<
α
<
n
∈
N
.
{\textstyle n-1<\alpha <n\in \mathbb {N} .}
.
Das Problem mit diesen Definitionen ist, dass sie nur Argumente in
(
0
,
∞
)
{\textstyle \left(0,\,\infty \right)}
zulassen. Das kann behoben werden, indem die untere Grenze des Integrals mit
a
{\textstyle a}
ausgetauscht wird:
a
C
D
x
α
[
f
(
x
)
]
=
1
Γ
(
⌈
α
⌉
−
α
)
⋅
∫
a
x
f
(
⌈
α
⌉
)
(
t
)
(
x
−
t
)
α
+
1
−
⌈
α
⌉
d
t
{\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}
. Der neue Definitionsbereich ist
(
a
,
∞
)
{\textstyle \left(a,\,\infty \right)}
.[ 4]
Fraktionale Caputo-Ableitung einiger Funktionen
Bearbeiten
Die fraktionale Caputo-Ableitung einer Konstante
c
{\displaystyle c}
ist gegeben durch:
a
C
D
x
α
[
c
]
=
1
Γ
(
⌈
α
⌉
−
α
)
⋅
∫
a
x
D
t
⌈
α
⌉
[
c
]
(
x
−
t
)
α
+
1
−
⌈
α
⌉
d
t
=
1
Γ
(
⌈
α
⌉
−
α
)
⋅
∫
a
x
0
(
x
−
t
)
α
+
1
−
⌈
α
⌉
d
t
a
C
D
x
α
[
c
]
=
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}}}
Die fraktionale Caputo-Ableitung einer Potenzfunktion
x
b
{\displaystyle x^{b}}
ist gegeben durch:[ 9]
a
C
D
x
α
[
x
b
]
=
a
RL
I
x
⌈
α
⌉
−
α
[
D
x
⌈
α
⌉
[
x
b
]
]
=
Γ
(
b
+
1
)
Γ
(
b
−
⌈
α
⌉
+
1
)
⋅
a
RL
I
x
⌈
α
⌉
−
α
[
x
b
−
⌈
α
⌉
]
a
C
D
x
α
[
x
b
]
=
{
Γ
(
b
+
1
)
Γ
(
b
−
α
+
1
)
(
x
b
−
α
−
a
b
−
α
)
,
for
⌈
α
⌉
−
1
<
b
∧
b
∈
R
0
,
for
⌈
α
⌉
−
1
≥
b
∧
b
∈
N
{\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}}}
Die fraktionale Caputo-Ableitung einer Exponentialfunktion
e
a
⋅
x
{\displaystyle e^{a\cdot x}}
ist gegeben durch:
a
C
D
x
α
[
e
b
⋅
x
]
=
a
RL
I
x
⌈
α
⌉
−
α
[
D
x
⌈
α
⌉
[
e
b
⋅
x
]
]
=
b
⌈
α
⌉
⋅
a
RL
I
x
⌈
α
⌉
−
α
[
e
b
⋅
x
]
a
C
D
x
α
[
e
b
⋅
x
]
=
b
α
⋅
(
E
x
(
⌈
α
⌉
−
α
,
b
)
−
E
a
(
⌈
α
⌉
−
α
,
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}}}
wobei
E
x
(
ν
,
a
)
:=
a
−
ν
⋅
e
a
⋅
x
⋅
γ
(
ν
,
a
⋅
x
)
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)}}}
die
E
t
{\textstyle \operatorname {E} _{t}}
-Funktion und
γ
(
a
,
b
)
{\textstyle \gamma \left(a,\,b\right)}
die untere unvollständige Gammafunktion ist.[ 10]
↑ Kai Diethelm: Fractional Differential Equations . 2019, ISBN 978-3-11-057166-0 , General theory of Caputo-type fractional differential equations, S. 1–20 , doi :10.1515/9783110571660-001 (englisch, kobv.de [abgerufen am 10. August 2023]).
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↑ Mihailo Lazarević, Milan Rade Rapaić, Tomislav Šekara: Introduction to Fractional Calculus with Brief Historical Background . In: ResearchGate . 2014, S. 8 (englisch, researchgate.net [abgerufen am 27. September 2024]).
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↑ Beata Sikora: Remarks on the Caputo fractional derivative . In: Matematyka I Informatyka Na Uczelniach Technicznych . Nr. 5 , 2023, S. 78–79 (englisch, polsl.pl [PDF]).
↑ Ismail Huseynov, Arzu Ahmadova, Nazim Mahmudov: Fractional Leibniz integral rules for Riemann-Liouville and Caputo fractional derivatives and their applications . In: ResearchGate . 2020, S. 1 , arxiv :2012.11360 (englisch, researchgate.net ).
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