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一种Caputo型时间分数阶波动方程的差分方法.pdf
2014年7月 四川师范大学学报(自然科学版) July,2014
第37卷第4期 JournalofSichuanNormal Science) V01.37.No.4
University(Natural
一种Caputo型时问分数阶波动方程的差分方法
余跃玉
(四川文理学院数学与财经学院,四川达州635000)
摘要:将带阻尼项的波动方程中的阻尼项和对时间的二阶导数,用Caputo分数阶导数替换,从而得到
一个带Caputo分数阶阻尼项的分数阶波动方程.对该方程,建立了一种差分格式,证明了此格式差分解的
存在唯一性,分析了差分篇的收敛性和稳定性,并用数值试验验证了格式的有效性.
关键词:波动方程;Caputo分数阶导数;有限差分格式;收敛性;稳定性
中图分类号:0241.4文献标志码:A 文章编号:1001—8395(2014)04—0524—05
doi:10.3969/j.issn.1001—8395.2014.04.016
1引言及预备知识
随着科技的发展,计算能力的提高,分数阶微 用分数阶Caputo导数:彤M(戈,t)去替换二阶时间导
分方程不仅越来越多的应用于光学、热学、材料学、 数构造了一种差分格式,并对格式进行研究.本文
力学、信号处理和辨别、控制学、生物学、金融及其 将在此基础上,对其阻尼项的一阶导数也用Caputo
其它领域¨。3,而且能更好地拟合某些自然物理过 导数:研M(石,t)进行替换,再用有限差分的方
程和动态系统过程,特别是分数阶时间导数模型能 法¨7一明对带分数阶阻尼项的时间分数阶波动方程
用较少的参数精确地拟合实验数据,因此分数阶微 进行数值求解.
分方程引起了广大学者的关注.然而,分数阶微分 考虑如下带分数阶阻尼项的时间分数阶波动
方程的解析解往往形式复杂,很难用简单的函数表 方程初边值问题
示而且有些非线性的方程的解析解是不易求得的, ;D?M(石,t)+A;D?“(茗,t)=
于是研究分数阶微分方程的数值解引起了广大学 掣+肛s(刈),
J.
者的关注M‘8
分数阶微分算子主要有3种形式的定义: 0≤戈≤L,0tT,(2)
Grumwald—Letnikov定义、Riemann—Liouville定义
配(戈,0)=/石),
和Caputo定义,其中分数阶Caputo导数:研u(戈,t)
定义如下
1 一 u(0,≠)=u(£,f)=0,0≤t≤T,(4)
。Cz’?“(戈,。)2 x
j=i?高J。(£一f)“一“一1
八L)=0以石)和g(x)是性质充分好的实函数
旦掣d孝,诧一1仅凡,(1)
o言 如果d=2,口=1,则方程(2)称为电报方程,它
其中,厂为Gamma函数。 描述了电子在电报电缆中的传输过程,也可视它为
,Caputo分数阶微分方程的数值解目前已有大
量的研究成果∽一16|,如分数阶对流方程、分数阶扩 一个带有阻尼项一A掣的整数阶波动方程。
散方程等,然而,对带阻尼项的时间分数阶波动方 特别地,如果A=0,则退化成标准的波动方程.
程的数值方法却少有人研究.对带阻尼项的波动方程
收稿日期:2013—07—11
基金项
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