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理论与现代应用

两个高阶Caputo-Fabrizio分数阶积分微分方程的近似解

摘要

我们研究了两个包含Caputo-Fabrizio导数的高阶分数阶微分方程解的存在性。通过这种方式,我们介绍了一些获得高阶方程解的新工具。此外,我们还讨论了两个示例来验证报告的结果。通过这种方法,我们得到了利用一些连续或不连续映射作为高阶分数阶微分方程系数的可能性。

1引言

到目前为止,已经定义了一些分数导数,其中最常用的是Caputo和Riemann-Liouville算子。这两个主要导数的分数阶微积分的应用可以在大量的现实现象中观察到。为了提高分数微积分的能力和适用性,一些研究人员提出了一种具有不同核的新型分数导数。因此,Caputo和Fabrizio最近定义了一个新的具有奇异核的分数导数[8]并且在中讨论了它的特性[11]. 一些研究人员使用不同的方法求解一些不同的方程,包括Caputo-Fabrizio(CF)分数导数(参见[1——7,9,10]以及其中的参考文献)和多奇异点定义方程[13——16]. 尽管有这些原始结果,但关于这种新的分数导数仍有几个问题需要研究。下面我们讨论两个CF分数阶微分方程(FDE)解析对应的近似解的存在性。

手稿的平面图如下。在下一节中,我们回顾了本文所需的主要结果。章节包含原始结果和示例。最后,第节4总结了我们的工作。

2基本工具

\(c>0),\(H^{1}(0,c)中的u)\((0,1)中的α)。我们记得\(^{CF}D^{\alpha}u(t)=\frac{(2-\alpha)M(\alphas)}{2(1-\alpha)}\int_{0}^{t}\exp(\frac}-\alpha{1-\alphaneneneep(t-r))u^{\prime}(r)\,dr\)指CF分数导数,如下所示\(t \geq0)\(M(α))表示归一化常数和满足\(M(0)=M(1)=1)[8]. 相应的分数积分写为\(^{CF}一^{α}u(t)=\压裂{2(1-\α)}{(2-\α)M(\alpha)}u(t对于\(0<α<1)[11]. 我们记得\(M(阿尔法)=\压裂{2}{2-\阿尔法}\)为所有人\(0\leq\alpha\leq 1\)[11]. 因此,CF分数导数变为\(^{立方英尺}D^{\alpha}u(t)=\frac{1}{1-\alpha}\int_{0}^{t}\exp(-\frac}\alpha{1-\alpha}(t-r))u^{\prime}(r)\,dr\),其中\(t \geq0)\(0<α<1)[11]. 请注意\(^{CF}D^H^{1}中的{\alpha}u\)什么时候\(H^{1}中的u)这暗示了一种关于高阶导数的新观点。如果\(第1页)\([0,1]\中的alpha\),然后是CF阶分数导数\(n+\alpha\)由定义\({}^{CF}D^{\alpha+n}u:={}^{CF}D^{\字母}(^{CF}D^{n} u个(t) )\)[8]. 我们需要以下结果。

引理2.1

[11]

独特的解决方案 \(^{CF}D^{\alpha}u(t)=v(t)\) 具有 \(u(0)=c) \(0<α<1) 由提供 \(u(t)=c+a{\alpha}(v(t)-v(0))+b{\alha}\int{0}^{t}v(r)\,dr\),哪里 \(a_{\alpha}=\frac{2(1-\alpha)}{(2-\alpha)M(\alpha)}=1-\alpha\) \(b_{\alpha}=\frac{2\alpha}{(2-\alpha)M(\alpha)}=\alpha\).此外 \(v(0)=0).

为了研究大多数FDE解的存在性,研究人员利用了定义明确的不动点结果,例如巴拿赫收缩原理。我们记得,有许多非线性FDE不承认精确解[2]. 在这种情况下,使用数值方法来获得精确解的近似值。此外,u个表示当我们可以得到函数序列时FDE的近似解\({v{n})这样的话\(v{n}\到u\).

如果没有得到精确解u,那么我们使用这种方法。当我们在非完全度量空间中讨论FDE时,就会出现这种情况。

下面我们介绍一下这份手稿中需要的一些基本概念。\((Y,d)\)表示度量空间,F类上的自映射Y(Y),\(\alpha:Y\乘以Y\到[0,\infty)\)映射和ε一个正数。我们这么说F类α-当\(\alpha(x,y)\geq1)暗示\(\alpha(Fx,Fy)\geq1)[12]. 什么时候?\(d(F x _{0},x _{0})\leq \varepsilon\),\(Y\中的x_{0}\)被称为ε-不动点F类.

我们这么说F类F类拥有ε-所有人的固定点\(\varepsilon>0\)[12]. 我们记得,有些映射允许近似不动点,但不具有不动点[12]. \(\mathcal{R}\)是所有连续映射的集合\(f:[0,\infty)^{5}\到[0,\ infty,\)满足\(f(1,1,1,2,0)=f(1,1,1,0,2):=h{1}\ in(0,1)\),\(f(\mu x_{1},\mu x_{2},\mu x_{3},\mu x_{4},\mu x_{5})\leq\mu f(x_{1},x_{2},x_{3},x_{4},x_{5})\)为所有人\([0,\infty)^{5}中的((x{1},x{2}\(\mu\geq0\)还有\(f(x{1},x{2},x{3},0,x{4})\(f(x{1},x{2},x{3},x{4},0)什么时候\(x{1},\点,x{4},y{1}.点,y{4}\在[0,\infty中)具有\(x{j}<y{j}\)对于\(j=1,2,3,4)[12].F类表示广义α-存在收缩映射时\(f\in\mathcal{R}\)服从

$$\alpha(x,y)\,d(Fx,Fy)\leq f\bigl$$

为所有人\(x,y\在y\中)[12]. 我们需要以下结果。

定理2.2

[12]

\((Y,d)\) 表示度量空间,\(\alpha:Y\乘以Y\到[0,\infty)\) 是一个映射和 F类 表示广义 α-收缩的和 α-容许自我-映射于 Y(Y).让我们假设存在 \(Y\中的x_{0}\) 服从 \(\alpha(x_{0},Fx_{0})\geq1\).然后 F类 具有近似不动点.

结果

我们使用的主要思想[6]为了在这项工作中取得成果。

众所周知,通过使用重复积分的柯西公式,我们得到

$$\开始{对齐}J^{n} u个(t) &=\下大括号{\int_{0}^{t=t_{n}}\int_}0}^}s=t_{n-1}}\int_{0{^{t_{n-2}}\cdots\int_{0}^{t_1}u(t_{0})\,dt_{0neneneep,dt_}1},\ldots,d(t_{n-2}),ds}_{n}\\&=frac{1}{(n-1)!}\int_{0}^{t} u个(s) (t-s)^{n-1}\,ds,\结束{对齐}$$

为所有人\(第1页),\(a,t\in\Bbb{R}\)\(t>0).如果n个由正实数替换α\(n-1)!\)通过它的概括\(\Gamma(\alpha)\),得到了分数算子的分数次积分公式\(J^{\alpha}u(t)=\frac{1}{\Gamma(\alpha)}\int_{0}^{t} u个(s) (t-s)^{\alpha-1}\,ds\),称为Riemann-Liouville分数阶积分α.

让我们考虑以下符号:

$$\开始{对齐}和{}^{CF}D^{\alpha^{[n]}}u(t):=\下大括号{^{CF{D^{alpha}\bigl[0]}u(t)=u(t,空格{26.5pt}(*)\\&\int_{0}^{t^{[n]}u^{t{n-2}}\cdots\int{0}^{t{1}}u(t{0})^{n} u个(t) ,\hspace{18pt}(**)\end{对齐}$$

\(J)^{0}u(t) =\int_{0}^{t^{[0]}}u(s)\,ds:=u(t)\)。此外,我们定义

$$\begin{aligned}\bigl(a_{\alpha}+b_{\alpha}Ju(t)\bigr)^{[n]}={}&\biggl(a_}\alpha{+b_}\阿尔pha}\int_{0}^{t}u(s)\,ds\biggr){pmatrix}n\\0\结束{pmatrix}一个_{\字母}^{n} b条^{0}_{\alpha}\int_{0}^{t^{[0]}}u(s)\,ds+\开始{pmatrix}n\\1结束{pmatrix}一个_{\alpha}^{n-1}b_{\alpha}^{1}\int _{0}^{t^{[1]}}u(s)\,ds\\&{}+\cdots+\ begin{pmatrix}n\\n-1结束{pmatrix}a{\alpha}^{1}b{\alfa}^{n-1}\int_{0}^{t^{[n-1]}}u(s)\,ds+\开始{pmatrix}n\\结束{pmatrix}a{\alpha}^{0}b{\alfa}^{n}\int_{0}^{t^{[n]}}u(s)\,ds\\={}&\sum_{i=0}^}开始{pmatrix}n\\i结束{pmatrix}a{\alpha}^{n-i}b{\alfa}^{i}\int_{0}^{t^{[i]}u(s)\,ds \\={}&\sum_{i=0}^}开始{pmatrix}n\\i结束{pmatrix}a{alpha}^{n-i}b{alpha}^{i} J型^{i} u个(t) ●●●●。\结束{对齐}$$

下面我们介绍手稿的主要结果。

引理3.1

\(在H^{1}(0,1)中为u{1},v{1}\) 实数服从 \(\vert u_{1}(s)-v_{1neneneep(s)\vert\leq L\) 为所有人 \([0,1]\中的秒).因此,\(\垂直^{CF}D^{α^{[n]}}u_{1}(s)-{^{CF}D^{α_{[n]}}v_{1{s)\vert\leq\frac{(2-\alpha)^{n}}{(1-\alpha)^{2n}}L\) 为所有人 \([0,1]\中的秒).这个结果意味着 \(\垂直^{CF}D^{\alpha^{[n]}}u_{1}(s)\vert\leq\frac{(2-\alpha)^{n}}{(1-\alpha)^{2n}}L\) 为所有人 \([0,1]\中的秒) 无论何时 \(H^{1}(0,1)中的u_{1}\) 具有 \(\vert u_{1}(s)\vert\leq L\) 对一些人来说 \(L\geq0\) 以及所有 \([0,1]\中的秒).

引理3.2

\(在H^{1}(0,1)中为u{1},v{1}\) 具有 \(u{1}(0)=v{1}(0)\) La实数实现 \(\vert u_{1}(s)-v_{1neneneep(s)\vert\leq L\) 为所有人 \([0,1]\中的秒).因此,\(\垂直^{立方英尺}D^{\alpha^{[n]}}u_{1}(s)-{^{CF}D^{\alpha^{[n]}v_{1}(s)\vert\leq\frac{1}{(1-\alpha^{2n}L\) 为所有人 \([0,1]\中的秒).这个结果意味着 \(\垂直^{CF}D^{\alpha^{[n]}}u_{1}(s)\vert\leq\frac{1}{(1-\alpha)^{2n}}L\) 为所有人 \([0,1]\中的秒) 无论何时 \(H^{1}(0,1)中的u_{1}\) 具有 \(u{1}(0)=0\) \(\vert u_{1}(s)\vert\leq L\) 对一些人来说 \(L\geq0\) 以及所有 \([0,1]\中的秒).

引理3.3

\(C_{mathbb{R}}[0,1]\中的u{1},v{1}\) 而且有 \(L\geq0\) 令人满意的 \(\vert u_{1}(s)-v_{1neneneep(s)\vert\leq L\) 为所有人 \([0,1]\中的秒).因此,\(\垂直^{CF}一^{\alpha^{[n]}}u{1}(s)-{}^{CF}一^{\alpha^{[n]}}v_{1}(s)\vert\leq L\) 为所有人 \([0,1]\中的秒).

这个结果意味着\(\垂直^{立方英尺}I^{\alpha^{[n]}}u_{1}(s)\vert\leq L\)为所有人\([0,1]\中的秒)无论何时\(C_{\mathbb{R}}[0,1]\中的u)具有\(\vert u_{1}(s)\vert\leq L\)对一些人来说\(L\geq0\)以及所有\([0,1]\中的秒).

引理3.4

\(0<α<1) \(u,v在H^{1}(0,1)中).这个问题 \(^{立方英尺}D^{\alpha^{[n]}}u(t)=v(t)\),\(u(0)=0),具有以下独特的解决方案:\(u(t)=(a{\alpha}+b{\alha}Jv(t))^{[n]}),哪里 \(^{CF}D^{\字母^{[n]}\) 由定义().

证明

通过使用引理2.1对于\(^{CF}D^{\alpha}u(t)=v(t)\),我们得到\(u(t)=a{\alpha}v(t)+b{\alha}\int{0}^{t}v(s)\,ds\).也通过使用引理2.1对于\(^{CF}D^{\alpha^{[2]}}u(t)=v(t)\),我们获得\(^{CF}D^{\α}u(t)=a{\α{v(t)+b{\α\int_{0}^{t}v(s)\,ds\)因此,

$$开始{对齐}u(t)={}&a{\alpha}\biggl(a{\alpha}v(t)+b{\alba}\int_{0}^{t}v(s)\,ds\biggr)+b_{\alfa}\int_0}^{t}\bigl(a{\ alpha}v&a{\alpha}^{2}v(t)+2a{\alpha}b_{\alalpha}\int_{0}^{t}v(s)+b_{\alpha}\int_{0}^{t}v(s)\,ds\biggr)^{[2]。\结束{对齐}$$

假设\(u(t)=(a{\alpha}+b{\alha}Jv(t))^{[n]})是方程的解\(^{CF}D^{\alpha^{[n]}}u(t)=v(t)\)。我们证明了这一点\(u(t)=(a{\alpha}+b{\alha}Jv(t))^{[n+1]})是方程的解\(^{CF}D^{\alpha^{[n+1]}}u(t)=v(t)\).

如果\(^{CF}D^{\字母^{[n]}}(^{CF}D^{\alpha}u(t))=v(t)\),然后\(^{CF}D^{阿尔法}u(t)=(a{阿尔法}+b{阿尔法}Jv(t))^{[n]}因此,

$$开始{对齐}u(t)={}&a{\alpha}\bigl(a{\alpha}+b{\alalpha}Jv(t)\bigr)^{[n]}+b_{\alfa}\int_{0}^{t}\bigle{pmatrix}n\\0\结束{pmatrix}一个_{\字母}^{n} b条^{0}_{\alpha}\int_{0}^{t^{[0]}}v(s)\,ds+\开始{pmatrix}n\\1\end{pmatrix}a{\alpha}^{n-1}b{\alfa}^{1}\int_{0}^{t^{[1]}v(s)\,ds\\&{}+\cdots+\begin{pmatrix}n\\n-1结束{pmatrix}a{\alpha}^{1}b{\alfa}^{n-1}\int_{0}^{t^{[n-1]}v(s)\,ds+\开始{pmatrix}n\\结束{pmatrix}a{\alpha}^{0}b_{\alfa}^{n}\int_{0}^{t^{[n]}v(s)\,ds\Biggr]\\&{}+b_{\ alpha}\Biggl[\begin{pmatrix}n\\0\结束{pmatrix}一个_{\字母}^{n} b条^{0}_{\alpha}\int_{0}^{t^{[1]}}v(s)\,ds+\开始{pmatrix}n\\1\end{pmatrix}a{\alpha}^{n-1}b{\alfa}^{1}\int_{0}^{t^{[2]}v(s)\,ds\\&{}+\cdots+\begin{pmatrix}n\\n-1结束{pmatrix}a{\alpha}^{1}b{\alfa}^{n-1}\int_{0}^{t^{[n]}v(s)\,ds+\开始{pmatrix}n\\结束{pmatrix}a{\alpha}^{0}b_{\alfa}^{n}\int_{0}^{t^{[n+1]}v(s)\,ds\Biggr]\\={}&\begin{pmatrix}n\\0\结束{pmatrix}一个_{\alpha}^{n+1}b^{0}_{\alpha}\int_{0}^{t^{[0]}}v(s)\,ds+\left[\begin{pmatrix}n\\1\end{pmatrix}+\开始{pmatrix}n\\0\end{pmatrix}\right]a{\alpha}^{n}b_{\alfa}^{1}\int_{0}^{t^{[1]}}v(s)\,ds\\&{}+\cdots+\left[\begin{pmatrix}n\\n\end{pmatrix}+\开始{pmatrix}n\\n-1\end{pmatrix}\right]a{\alpha}^{1}b{\alfa}^{n}\int_{0}^{t^{[n]}v(s)\,ds+\开始{pmatrix}n\\结束{pmatrix}a{\alpha}^{0}b{\alfa}^{n+1}\int_{0}^{t^{[n+1]}v(s)\,ds\\={}&\开始{pmatrix}n+1\\0结束{pmatrix}a{\alpha}^{n+1}b^{0}_{\alpha}\int_{0}^{t^{[0]}}v(s)\,ds+\开始{pmatrix}n+1\结束{pmatrix}a{\alpha}^{n}b{\alfa}^{1}\int_{0}^{t^{[1]}}v(s)\,ds\\&{}+\cdots+\begin{pmatrix}n+1\n\end{pmatrix}+a{\alpha}^{1}b_{\alfa}^{n}\int_{0}^{t^{[n]}v(s)\,ds\\&{}+\开始{pmatrix}n+1\\n+1\end{pmatrix}a{\alpha}^{0}b{\alfa}^{n+1}\int_{0}^{t^{[n+1]}v(s)\,ds\\={}&\bigl(a{\alpha}+b{\阿尔法}Jv(t)\bigr)^{[n+1]}\end对齐}$$

等等\(u(t)=(a{\alpha}+b{\alha}\int_{0}^{t}v(s)\,ds)^{[n]}=(a}\alpha{+b{\ alpha}Jv(t))^{n]}\)为所有人保留n个. □

在最后的结果中,我们使用了一些符号,例如\(\nint_{0}^{t^{[n]}}u(s)\,ds\),由介绍(). 我们需要以下结果。

引理3.5

[17]

假设 \(t\in\Bbb{R}\),然后 \(e^{t}=\sum_{i=0}^{\infty}\frac{t^{i}{i!}\) 对于 \(0<\vert t\vert<\infty\),\(t\Pi_{i=1}^{\infty}(1-\frac{t^{2}}{i^{2{)=\operatorname{sin}t(正弦)\) \(\Pi_{i=1}^{\infty}(1-\frac{4t^{2}}{(2i-1)^{2neneneep \Pi^{2{})=\operatorname{cos}吨\).

\(\gamma,\lambda:[0,1]\times[0,1]\到[0,\infty)\)用表示两个连续映射\(\sup_{r\in I}\vert\int_{0}^{t}\lambda(r,s)\,ds\vert<\infty\)\(\sup_{r\in I}\vert\int_{0}^{r}\gamma(r,s)\,ds\vert<\infty\)分别是。

ϕφ是两个定义为\((φu)(r)=\int_{0}^{r}\gamma(r,s)u(s)\,ds\)\((\varphi u)(r)=\int_{0}^{r}\lambda(r,s)u(s)\,ds\)分别是。\(在L^{\infty}(I)中)具有\(\ta^{\ast}=\sup_{t\inI}\vert\eta(t)\vert\)\(k,h)连续打开\([0,1]\)具有\(M_{1}=\sup_{t\in I}\vert k(t)\vert\),\(M_{2}=\sup_{t\in I}\vert h(t)\vert\)\(M_{3}=\sup_{t\in I}\vert g(t)\vert\).放置\(\gamma{0}=\sup\vert\int_{0}^{t}\gamma(t,s)\,ds\vert\)\(\lambda{0}=\sup\vert\int_{0}^{t}\lambda(t,s)\,ds\vert\)下面我们研究分数阶积分微分问题

$$\开始{对齐}^{CF}D^{\alpha^{[n]}}z(s)={}&\muk(s){}^{CF}D^{\beta^{[m]}}\bigl(z(s)+h(s){}^{CF}D^{\gamma^{[p]}}z(s)\大^{CF}一^{\θ^{[q]}}z(s),g(s){}^{CF}D^{\delta^{[r]}}z(s)\bigr)\end{对齐}$$
(1)

具有\(z(0)=0\)在某些条件下,其中\(\mu>1\)\(α、β、γ、θ、δ在(0,1)中)以及\(n,m,p,q,r\geq1).自\(^{CF}D^(H^{1}中的{\alpha^{[n]}}u)为所有人n个,右手也是。

定理3.6

\(f:[0,1]\times\Bbb{R}^{5}\ to \Bbb{R}\) 是一个连续函数,以便

$$\beign{aligned}&&bigl\vert f(t_{1},x_{1},y_{1},w_{1},u_{1},u_{2})-f\bigl(t_{1},x_{1}^{\prime},y_{1}^{\prime},w_{1}^{\prime},v_{1},v_{2}\bigr)\bigr\vert \\&&quad\leq\eta(t_{1})\bigl(\bigl\vert x_{1} -x_{1} ^{\prime}\bigr\vert+\bigl\vert y_{1} -年_{1} ^{\prime}\bigr\vert+\bigl\vert w_{1} -周_{1} ^{\prime}\bigr\vert+\vert u_{1} -v型_{1} \vert+\vert u_{2} -v型_{2} \vert\bigr)\end{对齐}$$

为所有人 \(I\中的t_{1}\) \(在Bbb{R}中,x{1},y{1}.,w{1}.x{1{^{prime}.,y{1\prime},w{1',u{1},u{2},v{1},v{2}.).然后是所述的问题(1)在以下情况下具有近似解 \(δ=\eta^{*}(2+\gamma_{0}+\lambda_{0{+\frac{M_{3}}{(1-{\Delta})^{2r}})+{\mu}(\frac{M_{1} M(M)_{2} }{(1-{\gamma})^{2p}(1-}\beta}).

证明

\(H^{1}\)配备有\(d(z,v)=\垂直z-v\垂直\)X,因此\(\Vert z\Vert=\sup_{t\in I}\Vert z(t)\Vert\).让\(F:H^{1}\到H^{1\)是定义如下的映射:

$$\开始{对齐}(Fz)(t)={}&\biggl(a_{\alpha}+b_{\alpha}\int_{0}^{t}\bigl[\muk(s){}^{CF}D^{\beta^{[m]}}\bigl(z(s)+h(s){}^{立方英尺}D^{\gamma^{[p]}}z(s)\大^{CF}一^{\θ^{[q]}}z(s),g(s){}^{CF}D^{\delta^{[r]}}z(s)\bigr)\biger]\,ds\biggr)^{[n]},\end{对齐}$$

哪里\(a{\alpha}\)\(b_{\alpha}\)引理中介绍了2.1和符号\(^{立方英尺}I^{θ^{[q]}z(s)\)\(^{CF}D^{\伽马^{[p]}}z(s)\)由介绍()和(). 通过使用引理3.23.3,我们得到

$$\开始{aligned}&\bigl\vert\mu k(s){}^{CF}D^{\beta^{[m]}}\bigl(z(s)+h(s){}^{CF}D^{\gamma^{[p]}}z(s)\大^{CF}一^{\θ^{[q]}}z(s),g(s){}^{CF}D^{\delta^{[r]}}z(s)\bigr)\\&\qquad{}-\mu k(s){}^{CF}D^{\beta^{[m]}}\bigl(v(s)+h(s){}^{CF}D^{\gamma^{[p]}}v(s)\bigr^{CF}一^{\θ^{[q]}}v(s),g(s){}^{CF}D^{\delta^{[r]}}v(s)\bigr)\biger\vert\\&\quad\leq\mu\bigl\vert\bigl\ vert k(s)\ bigr\vert^{立方英尺}D^{\beta^{[m]}}\bigl(z(s)+h(s){}^{CF}D^{\gamma^{[p]}}z(s)\biger)-{}^{CF}D^{\beta^{[m]}}\bigl(v(s)+h(s){}^{CF}D^{\gamma^{[p]}}v(s)\bigr^{CF}一^{\θ^{[q]}}z(s),g(s){}^{CF}D^{\delta^{[r]}}z(s)\bigr)\\&\qquad{}-f\bigl(s,v(s),(\phi v)(s),(\varphi v)(s),{}^{立方英尺}I^{\θ^{[q]}}v(s),g(s){}^{CF}D^{\delta^{[r]}}v(s)\bigr)\biger\vert\\&\quad\leq\mu\bigl[\bigl\vert k(s)\ bigr\vert\bigl^{CF}D^{\beta^{[m]}}\bigl(z(s)-v(s)\bigr^{CF}D^{\beta^{[m]}}\bigl(^{CF}D^{\gamma^{[p]}}\bigl(z(s)-v(s)\bigr bigr\vert+\bigl\vert^{CF}一^{\θ^{[q]}}z(s)-{}^{CF}一^{\theta^{[q]}}v(s)\bigr\vert+\bigl\vert g(s)\ bigr\overt\bigl\ vert^{CF}D^{\增量^{[r]}}z(s)-{}^{CF}D^{\delta^{[r]}v(s)\bigr\vert\bigr]\\&\quad\leq\biggl[\eta^{*}\biggl(2+\gamma_{0}+\lambda_{0{+\frac{3}}{(1-{\delta})^{2r}}\bigr)+{\mu}\bigl(\frac}M_{1} M(M)_{2} }{(1-{\gamma})^{2p}(1-}\beta})_{2m}}+\frac{M_1}}{。\结束{对齐}$$

\(z(0)=0),我们获得

$$开始{对齐}和\bigl\vert(Fz)(t)-(Fv)(t&\qquad{}+{\mu}\biggl(\frac{M_{1} M(M)_{2} }{(1-{\gamma})^{2p}(1-}\beta}){2m}}+\frac{M_1}}{$$

等等

$$开始{对齐}和\Vert Fz-Fv\Vert\\&\quad\leq(a_{\alpha}+b_{\alpha}_{1} 米_{2} }{(1-{\gamma})^{2p}(1-}\beta}$$

为所有人\(I中的t)\(z,v在H^{1}中).定义映射\(g:[0,\infty)^{5}\到[0,\ infty()\)\(\alpha:H^{1}\乘以H^{1\到[0,\infty)\)通过\(g(x{1},x{2},x{3},x{4},x{5})=\frac{\Delta}{9}(3x{1{2}+4x{3})\(α(x,y)=1)为所有人\(x,y\在H^{1}\中)\(x{1},\点,x{5}\在[0,\infty中)\)可以很容易地检查\(g\in\mathcal{R}\)此外,我们得出的结论是F类表示广义α-收缩图。来自定理2.2,我们得出结论F类具有近似不动点,它是(1). □

假设函数k个,,小时,q个限定于\([0,1]\)具有\(M_{1}=\sup_{t\in I}\vert k\(M_{5}=\sup_{t\in I}\vert q(t)\vert<\infty\)现在我们讨论以下问题:

$$\开始{对齐}^{CF}D^{\alpha^{[n]}}u(r)={}&\lambdak(r){}^{CF}D^{\beta^{[m]}}u(r)+{\mu}s(r){}^{CF}一^{\rho^{[p]}}u(r)\\&{}+\sum_{i=0}^{\infty}\frac{^{CF}D^{\theta^{[i]}}f{1}(r,u(r),(\phiu)(r)和h(r){}^{CF}一^{\nu^{[q]}}u(r),g(r){}^{CF}D^{\delta^{[r]}}u(r))}{i!}\\&{}+\int_{0}^{r}f{2}\Biggl(s,u(s),(\varphi u)(s){^{CF}D^{\gamma^{[i]}}u(s)}{d^{i}}\Biggr)\,ds\结束{aligned}$$
(2)

具有\(u(0)=0\)在某些条件下,其中\(\lambda,\mu\geq0),\(α、β、ρ、θ、nu、δ在(0,1)中),\(\vert\frac{1}{d(1-\gamma)^{2}}\vert<1\)\(n,m,p,q,r,k\geq1).功能k个,,小时,q个也许不是连续的,但右手(2)应该是的成员\(H^{1}\)因为\(^{立方英尺}D^{\alpha^{[n]}}u\在H^{1}中).

定理3.7

假设 \(f_{1}:[0,1]\times\Bbb{R}^{4}\rightarrow\Bbb{R}\) \(f_{2}:[0,1]\times\Bbb{R}^{3}\rightarrow\Bbb{R}\) 是可积函数,因此

$$\begin{aligned}和\bigl\vert f_1}(t_1},x_1}、y_{1}、w_1}和v_1})-f_1}\bigl x{1}-x{1{^{\prime}\bigr\vert+\xi{2}\bigl\verty_1}-y{1}^{\prime}\bigr\vert+\xi_{3}\bigle\vert w_{1} -w个_{1} ^{\prime}\bigr\vert+\xi_{4}\bigl\vertv_1}-v_1}^{\prime}\bigr\vert,\\&\bigl\ vertf_2}(t_{1},x_1},y_1}bigr)\bigr\vert\\&\quad\leq\xi{1}^{prime}\bigl\vertx{1}-x{1{^{prime}\bigr\ vert+\xi{2}^{prime}\bigl\vertyy{1}-y{1{^{primer}\bigr\vert+\xi^{\prime}_{3}\bigl\vert w_{1} -w个_{1} ^{\prime}\bigr\vert\end{aligned}$$

对于一些非负实数 \(lambda,\mu,\xi{1},\xi{2},\ xi{3},\fi{4},\ti^{prime}{1},\fi^{prime}{2},\xi^{prime}{3}\) 以及所有 \(x{1},y_1},w_1} \(I中的t).如果 \(δ=[\lambda\frac{M_1}}{(1-\beta)^{2m}}+\muM_2}+e^{frac{1}{{1}^{\素数}+\xi{2}^{\prime}\lambda{0}+\frac{\xi{3}^{素数}\,d(1-\gamma)^{2}M_{5}{d(1-\ gamma^{2}-1}]<1\),然后是所述的问题(2)具有近似解.

证明

\(H^{1}\)配备有\(d(z,v)=\垂直z-v\垂直\),因此\(\Vert z\Vert=\sup_{t\in I}\Vert z(t)\Vert\).定义地图\(F:H^{1}\到H^{1\)通过

$$\开始{对齐}(Fz)(t)={}&\Biggl(a_{\alpha}+b_{\alpha}\int_{0}^{t}\Biggl[\lambda k(s){}^{立方英尺}D^{\beta^{[m]}}z(s)+{\mu}s(s){}^{CF}一^{\rho^{[p]}}z(s)\\&{}+\sum{i=0}^{\infty}\frac{^{CF}D^{\theta^{[i]}}f{1}(s,z(s),(\phiz)(s)和h(s){}^{CF}一^{\nu^{[q]}}z(s),g(s){}^{CF}D^{\delta^{[r]}}z(s))}{i!}\\&{}+\int_{0}^{s}f{2}\bigl(r,z(r),(\varphiz)(r){^{CF}D^{\gamma ^{[i]}}z(r)}{d^{i}}\,dr\Biggr]\,ds\Biggr)^{[n]}。\结束{对齐}$$

通过使用引理3.2,3.33.5,我们得到

$$\开始{aligned}&\Biggl\vert\Biggl[\lambda k(s){}^{CF}D^{\beta^{[m]}}z(s)+{\mu}s(s){}^{CF}一^{\rho^{[p]}}z(s)\\&\qquad{}+\sum{i=0}^{\infty}\frac{^{CF}D^{\theta^{[i]}}f{1}(s,z(s),(\phiz)(s)和h(s){}^{CF}一^{\nu^{[q]}}z(s),g(s){}^{CF}D^{\delta^{[r]}}z(s))}{i!}\\&\qquad{}+\int_{0}^{s}f{2}(r,z(r),(\varphiz)(r){^{CF}D^{\gamma^{[i]}}z(r)}{2^{i}}\,dr\Biggr]\\&\qquad{}-\Biggl[\lambdak(s){}^{CF}D^{\beta^{[m]}}v(s)+{\mu}s(s){}^{CF}一^{\rho^{[p]}}v(s)\\&\qquad{}+\sum{i=0}^{\infty}\frac{^{CF}D^{\theta^{[i]}}f{1}(s,v(s),(\phiv)(s)和h(s){}^{CF}一^{\nu^{[q]}}v(s),g(s){}^{CF}D^{\delta^{[r]}v(s)}{i!}\\&\qquad{}+\int_{0}^{r}f{2}(r,v(r),(\varphi v)(r){^{CF}D^{\gamma^{[i]}}v(r)}{d^{i}}\,dr\Biggr]\Biggr\vert\\&\quad\leq\lambda\bigl\vert k(s)\bigr\vert\bigl\vert^{立方英尺}D^{\beta^{[m]}}\bigl(z(s)-v(s)\bigr)\biger\vert+{\mu}\bigle\verts(s)\ bigr\vert\bigl\vert^{CF}一^{\rho^{[p]}}\bigl(z(s)-v(s)\biger)\bigr\vert\\&\qquad{}+\Biggl\vert\sum_{i=0}^{\infty}\frac{1}{i^{CF}一^{\nu^{[q]}}z(s),g(s){}^{CF}D^{\delta^{[r]}}z(s)\大^{CF}一^{\nu^{[q]}}v(s),g(s){}^{CF}D^{\delta^{[r]}}v(s)\bigr)\bigr]\Biggr\vert\\&&\qquad{}+\int_{0}^{s}\Biggl\vert f_{2}(r,z(r),(\varphi z)(r),q(r)\sum_{i=0}^{infty}\frac{^{立方英尺}D^{\gamma^{[i]}}z(r)}{d^{i}}\\&\qquad{}-f{2}(r,v(r),(\varphi v)(r){^{CF}D^{\gamma^{[i]}v(r)}{d^{i}}\Biggr\vert\,dr\\&\quad\leq\lambda\frac{M_{1}}{(1-\beta)^{2m}}\Vertz-v\vert+\mu M_{2}\vert z-v\ vert\\&\qquad\}+\sum_{i=0}^{\infty}\frac}{1}{i!(1-\theta)^2i}}}\biggl(\xi_{1}\Vertz-v\vert+\xi_}2}\gamma_{0}\vert z-v\ vert+\ xi_{3}M_{3{3}\ Vertz-v\vert+/xi_{4}\ frac{M_{4{}{(1-\ delta)^{2r}}\Vert z-v\Vert\biggr)\\&\qquad{}+\xi_{1}^{prime}\Vert z-v\Vert+\xi_{2}^{prime}\lambda_{0}\Vertz-v\ Vert+\sum_{i=0}^{\infty}\frac{\xi_}3}^{\ prime}M_{5}{d^{i}(1-\gamma)^{2i}}quad=\biggl[\lambda\frac{M_1}}{(1-\beta)^{2m}}+\muM_2}+e^{frac{1}{+\xi{3}M_{3}+\xi_{4}\frac{M_{4{}{(1-\delta)^{2r}}\biggr)\\&\qquad{}+\xi{1}^{\prime}+\xi{2}^{\ prime}\lambda{0}+\frac}\xi{3}^{prime}\,d(1-\gamma)^{2}M_{5}{d(1-\ gamma^{2}-1}\biggr]\Vert z-v\Vert\\&\quad=\Delta\Vert z-v\Vet。\结束{对齐}$$

\(z(0)=v(0)\),\(\vert(Fz)(t)-(Fv)(t)\vert\leq(a_{\alpha}+b_{\alpha}\int_{0}^{t}\Delta\vert z-v\vert\,ds)^{[n]}\)因此,\(\垂直Fz-Fv\垂直\leq\增量\垂直z-v\垂直\)为所有人\(I中的t)\(z,v在H^{1}中).定义映射\(g:[0,\infty)^{5}\到[0,\ infty()\)\(\alpha:H^{1}\乘以H^{1\到[0,\infty)\)通过\(g(x{1},x{2},x{3},x{4},x{5})=\frac{\Delta}{9}(3x{1{2}+4x{3})\(α(x,y)=1)为所有人\(z,v在H^{1}中)\(x{1},\点,x{5}\在[0,\infty中)\)可以很容易地检查\(g \ in \ mathcal{R}\)通过简单的计算,我们证明了F类表示广义α-收缩图。此外,从定理2.2,我们得出结论F类具有近似不动点,表示(2). □

下面我们展示两个示例。

示例3.1

让地图\(L^{infty}([0,1])中的\eta_{1}\)\(\gamma{1},\lambda{1}:[0,1]\times[0,1]\到[0,\infty)\)\(eta{1}(t)=\frac{e^{-(\pit+16)}}{2}\),\(\gamma{1}(t,s)=e^{t-s}\)\(\lambda{1}(t,s)=e^{\operatorname{ln}(\vert 2t-s\vert+1)}\)。那么\(\eta^{*}=\frac{1}{2e^{16}},\gamma{0}\leqe)\(\lambda_{0}\leqe^{\operatorname{ln}(3)}\)现在,把\(\mu=\frac{1}{e^{16}}\),\(\alpha=\frac{1}{3}\),\(β=\frac{1}{4},γ=\frac{3}{5}\),\(θ=frac{6}{7}),\(δ=frac{1}{2}\),\(n=61),\(m=3),\(p=2\),\(q=57)\(r=73).让\(k{1}(t)=\运算符名称{sin}(t)\),\(h{1}(t)=\压裂{t-2}{2t+1}\)\(g{1}(t)=\压裂{1}{2^{141}}\操作员姓名{tan}^{-1}(t)\)是两个函数。然后\(M_{1}=\sup_{t\in I}\vertk_{1{(t)\vert=1,M_{2}=\sop_{t\inI}\ verth_{1neneneep(t)\ vert=2\)\(M_{3}=I}\vertg{1}(t)\vert=frac{\pi}{2^{142}}\)让我们讨论一下

$$\开始{对齐}^{CF}D^{\frac{1}{3}^{[61]}}u(t)={}&\frac}{e^{16}}\operatorname{sin}t(正弦)^{CF}D^{\压裂{1}{4}^{[3]}\biggl(u(t)+\压裂{t-2}{2t+1}^{CF}D^{\压裂{3}{5}^{[2]}}u(t)\biggr)\\&{}+\压裂{e^{-(\pit+16)}}{2}\biggl[2t+\frac{1}{8} u个(t) +\frac{5}{11}\int_{0}^{t}e^{t-s}u(s)\,ds+\int_}0}^{t} e(电子)^{\operatorname{ln}(\vert2t-s\vert+1)}u(s)\,ds\\&{}+\frac{1}{e^{6}}{}^{立方英尺}I^{\压裂{6}{7}^{[57]}}u(t)+\压裂{1}{2^{141}}\操作员姓名{tan}^{-1}(t){}^{CF}D^{\frac{1}{2}^{[73]}}u(t)\biggr]\end{aligned}$$
(3)

具有\(u(0)=0).让\(f(t{1},x{1}.,y{1}.w{1},u{1},u{2})=\frac{e^{-(\pit{1{+6)}}{2}在我们的情况下\(δ=[\eta^{*}(2+\gamma_{0}+\lambda_{0{+\frac{M_{3}}{(1-{\Delta})^{2r}})+{\mu}(\frac}M_{1} M(M)_{2} {(1-{\gamma})^{2p}(1-}\beta})现在使用定理3.6, ()有一个近似解。

示例3.2

\(\gamma_{1},\lambda\{1}:[0,1]\times[0,1]\到[0,\infty)\)\(\gamma{1}(t,s)=\frac{t-s}{1+2t}\)\(\lambda{1}(t,s)=\operatorname{sin}(t-s)e^{operatorname{ln}(\vert 2t-s\vert+1)}\)分别是。然后\(\gamma_{0}\leq1\)\(\lambda_{0}\leqe^{\operatorname{ln}(3)}\).放置\(\lambda=压裂{2}{2{,}037}\),\(\mu=\frac{2}{421}\),\(α=frac{1}{4}\),\(β=frac{1}{2}\),\(\rho=\压裂{1}{2}\),\(θ=frac{1}{2}),\(\nu=\frac{1}{4}\),\(δ=frac{1}{4}\),\(\gamma=\frac{1}{2}\),\(n=7),\(m=3),\(p=2\),\(q=3),\(r=3\),\(d=12),\(\xi_{1}=\压裂{3}{6{,}041}\),\(\xi_{2}=\压裂{1}{5{,}920}\),\(\xi_{3}=\压裂{1}{803}\),\(\xi_{4}=\frac{1}{e^{18}}\),\(素数}{1}=frac{2}{10^{6}}),\(\xi^{\prime}{2}=\frac{e}{\pi^{11}})\({xi^{\prime}_{3}={frac{1}{600})现在,考虑一下这些功能\(k(t)=ln(2+t)),\(s(t)=1),\(h(t)=1),\(g(t)=e^{\operatorname{sin}\pit}\),\(q(t)=压裂{1}{432})什么时候\(x\在{\mathbb{Q}}\cap[0,1]\中)\(q(t)=0)什么时候\(x\在{\mathbb{Q}}^{c}\cap[0,1]\中).那么我们有\(M_{1}=\sup_{t\in I}\vert k(t)\vert=\ln3\),\(M_{2}=\sup_{t\ in I}\vert s(t)\vert=1\),\(M_{3}=\sup_{t\ in I}\vert h(t)\vert=1\),\(M_{4}=\sup_{t\in I}\vert g(t)\vert=e\)\(M_{5}=\sup_{t\inI}\vertq(t)\vert=\frac{1}{432}\)现在,考虑积分微分问题

$$\开始{对齐}^{CF}D^{\压裂{1}{4}^{[7]}}z(t)={}&\压裂{2}{2{,}037}\操作员姓名{ln}(2+t){}^{CF}D^{\压裂{1}{2}^{[3]}z(t)+\压裂{2}{421}{}^{CF}一^{\frac{1}{2}^{[2]}}z(t)\\&{}+\sum{i=0}^{\infty}\frac}1}{i!}{}^{CF}D^{\压裂{1}{2}^{[i]}}\biggl(\压裂{2}{91}吨+\压裂{3}{6{,}041}z(t)+\压裂{1}{5{,{920}\int_{0}^{t}\frac{t-s}{1+2t}\,ds\\&{}+\压裂}1}{803}{}^{CF}一^{\frac{1}{4}^{[3]}z(t)+\frac}{e^{18}}e^{\operatorname{sin}\pit}(t){}^{CF}D^{\frac{1}{4}^{[3]}z(t)\biggr)\\&{}+\int_{0}^{t}\Biggl[s+\frac{2z(s)}{10^{6}+\frac}e}{\pi^{11}}\int_}0}^}s}\operatorname{sin}(t-s)e^{operatorname{ln}(\vert2s-r \vert+1)}z(r)\,dr \\&{}+\压裂{1}{600}平方(s) \sum_{i=0}^{\infty}\frac{^{CF}D^{\frac{1}{2}^{[i]}}z(s)}{12^{i}}\Biggr]\,ds\结束{aligned}$$
(4)

具有\(z(0)=0).让\(f{1}(t{1},x{1}.,y{1}.w{1},v{1})=frac{2}{91}吨_{1} +\frac{3}{6},}041}x_{1}+\frac{1}{5},}920}y_{1}+\frac{1}{803}周_{1} +\压裂{1}{e^{18}}v{1}\)\(f{2}(t{1},x{1}.,y{1}.w{1})=t{1{2}{10^{6}}x{1{1}+\压裂{e}{pi^{11}}y{1{+\压裂}1}{600}宽_{1}1\)此外,

$$\begin{aligned}\Delta={}&\biggl[\lambda\frac{M_{1}}{(1-\beta)^{2m}}+\mu M_{2}+e^{frac{1}{(1-\Delta)^{2r}}\biggr)\\&{}+\xi{1}^{prime}+\xi{2}^{prime}\lambda{0}+\frac{xi{3}^{\prime},d(1-\gamma)^{2}-1}\biggr]\\<{}&0.179<1。\结束{对齐}$$

现在使用定理3.7,问题(4)具有近似解。

4结论

高阶FDE在复杂系统动力学建模中起着重要作用。这个方向是耗散现象建模的一个重要主题,尤其是通过Riemann-Liouville和Caputo等分数导数。然而,CF导数配备了非奇异核,因此发现它很有吸引力,非常适合具有记忆效应的几种类型的模型。因此,为一些包含CF高阶导数的复杂模型找到合适的数值技术及其近似解是当前感兴趣的课题。沿着这份手稿中的思路,我们分析地证明了两个高阶Caputo-Fabrizio FDE近似解的存在性。我们通过提供两个例子来检验我们的结果。我们总结这篇手稿时说,利用数值方法,可以获得未知精确解的近似值。

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致谢

第三和第四作者的研究得到了阿扎尔巴詹·沙希德·马达尼大学的支持。作者对裁判提出的有益建议表示感谢。

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艾多安,S.M.,巴利亚努,D.,穆萨卢,A。等。关于两个高阶Caputo-Fabrizio分数阶积分微分方程的近似解。高级差异Equ 2017, 221 (2017). https://doi.org/10.1186/s13662-017-1258-3

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