一个非常naive的分数阶微积分介绍
日常水博客,网上这类资料不少,写一个也确实没有必要,但是既然我今天要水博客那就还是写一个,我默认这里读者是非数学专业但是学过高数的同学,因此可能里面一些说法或者观点在数学系同学看来会比较幼稚,如果诸位有什么比较好的建议,还望不吝赐教
我们先进行一些比较不怎么正式的描述,目的是利于理解。对于一个给定的函数f(x)f(x)f(x),定义Jf(x)=∫0xf(t)dtJf(x)=\int_{0}^{x}f(t)dtJf(x)=∫0xf(t)dt这里就先看作找出f(x)f(x)f(x)的一个原函数,一些资料比如wiki上把JJJ叫做积分算子,姑且看作给f(x)f(x)f(x)来个积分,那么,我们有下面结论:
J2f(x)=∫0x(x−t)f(t)dt J^2f(x)=\int_0^x(x-t)f(t)dt J2f(x)=∫0x(x−t)f(t)dt
证明显然,应该一般数分或者高数习题都会有,但是为了凑字数我还是给加上
J2f(x)=∫0x(∫0tf(k)dk)dt=t∫0tf(k)dk∣0x−∫0xtd∫0tf(k)dk=x∫0xf(t)dt−∫0xtf(t)dt J^2 f(x)=\int_0^x(\int_0^tf(k)dk)dt\\=t\int_0^tf(k)dk|_0^x-\int_0^xtd\int_0^tf(k)dk\\=x\int_0^xf(t)dt-\int_0^xtf(t)dt J2f(x)=∫0x(∫0tf(k)dk)dt=t∫0tf(k)dk∣0x−∫0xtd∫0tf(k)dk=x∫0xf(t)dt−∫0xtf(t)dt
我们可以归纳证明
Jnf(x)=1(n−1)!∫0x(x−t)n−1f(t)dt J^nf(x)=\frac{1}{(n-1)!}\int_0^x(x-t)^{n-1}f(t)dt Jnf(x)=(n−1)!1∫0x(x−t)n−1f(t)dt
显然
d1n!∫0x(x−t)nf(t)dtdx=1(n−1)!∫0x(x−t)(n−1)f(t)dt=Jnf(x) \frac{d\frac{1}{n!}\int_0^x(x-t)^nf(t)dt}{dx}=\frac{1}{(n-1)!}\int_0^x(x-t)^{(n-1)}f(t)dt\\=J^{n}f(x) dxdn!1∫0x(x−t)nf(t)dt=(n−1)!1∫0x(x−t)(n−1)f(t)dt=Jnf(x)
于是
Jn+1f(x)∫0xJnf(t)dt=∫0xd(1n!∫0t(x−k)nf(k)dk)=1n!∫0x(x−t)nf(t)dt J^{n+1}f(x)\int_0^xJ^nf(t)dt=\int_0^xd(\frac{1}{n!}\int_0^t(x-k)^nf(k)dk)\\=\frac{1}{n!}\int_0^x(x-t)^nf(t)dt Jn+1f(x)∫0xJnf(t)dt=∫0xd(n!

本文以非数学专业但了解高数的读者为对象,简单介绍了分数阶微积分。通过不正式的描述帮助理解,推导了Jn+1f(x) = ∫0x Jnf(t)dt,并给出了Riemann–Liouville分数阶积分和导数的定义。
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