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分數階積分


n 階導數為 derivative D^n,n 重積分為 integral D^(-n)。那麼

 D^(-1)f(t)=int_0^tf(xi)dxi.
(1)

現在,如果等式

 D^(-n)f(t)=1/((n-1)!)int_0^t(t-xi)^(n-1)f(xi)dxi
(2)

對於多重積分對於 n 成立,那麼

D^(-(n+1))f(t)=D^(-1)[1/((n-1)!)int_0^t(t-xi)^(n-1)f(xi)dxi]
(3)
=int_0^t[1/((n-1)!)int_0^x(x-xi)^(n-1)f(xi)dxi]dx.
(4)

交換積分順序得到

 D^(-(n+1))f(t)=1/(n!)int_0^t(t-xi)^nf(xi)dxi.
(5)

但是 (3) 對於 n=1 成立,因此透過 induction 歸納法對於所有 n 也成立。階數為 nu>0f(t) 的分數階積分可以定義為

 D^(-nu)f(t)=1/(Gamma(nu))int_0^t(t-xi)^(nu-1)f(xi)dxi,
(6)

其中 Gamma(nu)gamma function 伽瑪函式。

更一般地,分數階積分的 Riemann-Liouville operator Riemann-Liouville 運算元定義為

 _aD_t^(-nu)f(t)=1/(Gamma(nu))int_a^t(t-xi)^(nu-1)f(xi)dxi
(7)

對於 nu>0,其中 _aD_t^0f(t)=f(t) (Oldham and Spanier 1974, Miller and Ross 1993, Srivastava and Saxena 2001, Saxena 2002)。

1/2 階的分數階積分稱為 semi-integral 半積分。

很少有函式的分數階積分可以用 elementary functions 初等函式表示。例外包括

D^(-nu)t^lambda=(Gamma(lambda+1))/(Gamma(lambda+nu+1))t^(lambda+nu)  for lambda>-1,nu>0
(8)
D^(-nu)e^(at)=1/(Gamma(nu))e^(at)int_0^tx^(nu-1)e^(-ax)dx
(9)
=(a^(-nu)e^(at)gamma(nu,at))/(Gamma(nu))
(10)
=E_t(nu,a),
(11)

其中 gamma(a,x) 是下 incomplete gamma function 不完全伽瑪函式,E_t(nu,a)Et-function Et 函式。從 (10) 式,常數函式 constant function f(t)=c 的分數階積分由下式給出

D^(-nu)c=clim_(lambda->0)(Gamma(lambda+1))/(Gamma(lambda+nu+1))t^(lambda+nu)
(12)
=c(t^nu)/(Gamma(nu+1)).
(13)

分數階導數也可以類似地定義。對分數階導數和積分的研究稱為 fractional calculus 分數階微積分。


另請參閱

Fractional Calculus, Fractional Integral Equation, Riemann-Liouville Operator, Semi-Integral

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參考文獻

Miller, K. S. and Ross, B. An Introduction to the Fractional Calculus and Fractional Differential Equations. New York: Wiley, 1993.Oldham, K. B. and Spanier, J. The Fractional Calculus: Integrations and Differentiations of Arbitrary Order. New York: Academic Press, 1974.Samko, S. G.; Kilbas, A. A.; and Marichev, O. I. Fractional Integrals and Derivatives. Yverdon, Switzerland: Gordon and Breach, 1993.Saxena, R. K.; Mathai, A. M.; and Haubold, H. J. "On Fractional Kinetic Equations." 23 Jun 2002. http://arxiv.org/abs/math.CA/0206240.Srivastava, H. M. and Saxena, R. K. "Operators of Fractional Integration and Their Applications." Appl. Math. and Comput. 118, 1-52, 2001.

在 上引用

分數階積分

請引用為

Weisstein, Eric W. "分數階積分。" 來自 Web 資源。 https://mathworld.tw/FractionalIntegral.html

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