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]

Motivation

Bearbeiten

Die fraktionale Caputo-Ableitung ist motiviert aus den fraktionalen Riemann–Liouville-Intergal. Sei   stetig in  , dann ist das fraktionale Riemann–Liouville-Integral   aus   gegeben durch

 

wobei   die Gammafunktion ist.

Man definiert   mit der Eigenschaft   und  . Wenn   gilt, folgt daraus  . Sollte also     sein, so folgt

 

Der Zusammenhang wird als fraktionale Caputo-Ableitung bezeichnet, mit der häufig genutzten Notation  .

Definition

Bearbeiten

Die erste Definition der fraktionale Caputo-Ableitung wurde von Caputo gegeben durch:

 

mit     und  .[2]

Eine andere beliebte äquivalente Definition ist gegeben durch:

 

wobei   und   ist die Aufrundungsfunktion. Das kann aus der vorherigen Formel durch die Substitution   und den Fakt, dass   gilt, und somit   folgt.[3]

Eine weitere beliebte äquivalente Definition ist gegeben durch:

 

mit  .

Das Problem mit diesen Definitionen ist, dass sie nur Argumente in   zulassen. Das kann behoben werden, indem die untere Grenze des Integrals mit   ausgetauscht wird:  . Der neue Definitionsbereich ist  .[4]

Eigenschaften und Sätze

Bearbeiten

Wichtige Eigenschaften und Sätze

Bearbeiten

Einige wichtige Eigenschaften sind:[5]

Eine Tabelle wichtiger Eigenschaften und Sätze
Eigenschaften     Bedingung
Definition    
Linearität    
Indexregel      
Halbgruppenregel      

Antikommutativität

Bearbeiten

Die Indexregel ist nicht kommutativ:

 

mit  .

Fraktionale Produktregel

Bearbeiten

Die Produktregel für die fraktionale Caputo-Ableitung ist gegeben durch:

 

mit   als der Binomialkoeffizient.[6][7]

Beziehung zu anderen fraktionalen Differentialoperatoren

Bearbeiten

Die fraktionale Caputo-Ableitung ist eng verbunden mit dem fraktionalen Riemann–Liouville-Integral, bedingt durch ihre Definition:

 

Des Weiteren gilt folgende Relation:

 

wobei   die fractionale Riemann–Liouville-Ableitung ist.

Laplace-Transformation

Bearbeiten

Die Laplace-Transformation der fraktionalen Caputo-Ableitung ist gegeben durch:

 

mit  .[8]

Fraktionale Caputo-Ableitung einiger Funktionen

Bearbeiten

Die fraktionale Caputo-Ableitung einer Konstante   ist gegeben durch:

 

Die fraktionale Caputo-Ableitung einer Potenzfunktion   ist gegeben durch:[9]

 

Die fraktionale Caputo-Ableitung einer Exponentialfunktion   ist gegeben durch:

 

wobei   die  -Funktion und  die untere unvollständige Gammafunktion ist.[10]

Bearbeiten

Einzelnachweise

Bearbeiten
  1. 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]).
  2. Michele Caputo: Linear Models of Dissipation whose Q is almost Frequency Independent-II. In: ResearchGate. 13. Jahrgang, Nr. 5, 1967, S. 530, doi:10.1111/j.1365-246X.1967.tb02303.x, bibcode:1967GeoJ...13..529C (englisch, researchgate.net [abgerufen am 27. September 2024]).
  3. 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]).
  4. Yuri Dimitrov, Slavi Georgiev, Venelin Todorov: Approximation of Caputo Fractional Derivative and Numerical Solutions of Fractional Differential Equations. In: Fractal and Fractional. 7. Jahrgang, Nr. 10, 2023, S. 750, doi:10.3390/fractalfract7100750 (englisch).
  5. 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]).
  6. 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).
  7. Eric W. Weisstein: Binomial Coefficient. In: mathworld.wolfram.com. 2024, abgerufen am 20. Mai 2024 (englisch).
  8. Bhausaheb Rajba Sontakke, Amjad Shaikh: Properties of Caputo Operator and Its Applications to Linear Fractional Differential Equations. In: Journal of Engineering Research and Applications. 5. Jahrgang, Nr. 5, 2015, ISSN 2248-9622, S. 23–24 (englisch, ijera.com [PDF]).
  9. Eric W. Weisstein: Fractional Derivative. In: mathworld.wolfram.com. Abgerufen am 20. Mai 2024 (englisch).
  10. Eric W. Weisstein: E_t-Function. In: mathworld.wolfram.com. 2024, abgerufen am 20. Mai 2024 (englisch).