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任意阶微积分 Any Order Calculus

将导数从自然数推广到一切数域(即不仅是自然数也包含负数、小数、无理数、虚数或复数、函数, ……), 就得到任意阶微积分, 一统天下把微分与积分统一到一个公式do(x)dxo(x)y, 其中o(x)是阶函数(the order function )。当o(x)是正整数时它是导数微分,当o(x)是负整数时它是积分,负2阶是二重积分,当o(x)是分数时它是分数阶微积分, 当o(x)是变量时它是可变阶导数。这些都可用数学手册计算器计算.

分数阶微积分 Fractional Calculus

分数阶导数简介

二次半微分 = 1阶微分,
d0.5dx0.5d0.5dx0.5x=ddxx=1
对于任意的o(x),由于伽玛函数的参数在实数部为负整数时没有定义,需要在分数微分前先进行整数微分。例如
D32f(x)=D12D1f(x)=d12dx12ddx f(x)
这苻合Caputo的定义,Caputo的定义是先微分后积分,对于分数阶微分方程的初值要求与普通微分方程相同,因此本文釆用广义Caputo的定义: 积分下限a为f(x)的反函数f-1(0) .


负阶导数

负阶导数相当积分, 负一阶等于积分, 负2阶是二重积分,负1/2阶是半积分.
d-0.5dx-0.5 f(x) = f(x)(dx)0.5

复数阶微积分

以上微分算子的扩展不仅仅局限于实数阶。举个例子, (1-i)阶导数作用后, (1+i)阶导数再作用,可以得到二阶导数。

(1+i)阶微分和(1-i)阶微分 = 2阶微分,
d1+idx1+id1-idx1-isin(x)=d2dx2sin(x)=-sin(x)

可变阶微积分 Variable Order calculus

当阶数o(x)是变量时, 它是可变阶导数微分。
dcos(x)dxcos(x) sin(x) = d(sin(x),x,cos(x))

这个动画展示了不同分数微分算子D如何操作在 y=x(o(x)=0阶, 蓝色),结果(分数阶, 绿色)在一般的积分(o(x)= -1阶, y=x^2/2 ,紫色)及一般的一次微分( o(x)=1阶, y=1 ,红色)间连续变化。

分数阶微分方程 Fractional differential equation

dπdxπ y - y - 2exp(x) = 0

分数维空间

我们生活在的三维立体空间可以扩展到分数维空间,分数维空间对应分数阶导数, 分数阶导数的几何意义是分数维理论, 分数维理论就是分形理论.

计算

数学手册计算器是三合一 = 数学手册 + 计算器 + 计算机代数系统. 具有机器学习的功能,举一反三,解任意阶(0.5i 阶)微分方程的功能,世上独一无二。在数学手册网上输入数学公式,连续点击计算微积分,解方程,给出数值解,分析解和图解, 制图互动放大。随时随地学习,随时随地计算,随时随地开发。学习数学的好助手。 mathHand.com http://chinese.mathhandbook.com

使用经验

  1. 怎么求函数的分数阶导数?兼谈数学手册计算器_百度经验
  2. 分数阶导数 - qq_34040902的博客 - CSDN博客
  3. 特殊的微分方程的解法_百度经验

例题

应用

近年来分数阶微积分被广泛的应用于反常扩散、信号处理与控制、流体力学、图像处理、软物质研究、地震分析、粘弹性阻尼器、电力分形网络、分数阶正弦振荡器、分形理论、分数阶PID控制器设计, 电化学. 半微分在电化学的应用 [1-3], 分形理论应用于电化学 [4-6].

参考文献

  1. J. Mo, P. Cai, W. Huang and F. Yun, Study on the multiple semi-differential electroanalysis of electrochemical stripping method with thin mercury film formed in situ, J. Zhongshan Uni. (Zhongshan Daxue Xuebao), 1984, (4), 76-84, CA 103: 115269.
  2. J. Mo, P. Cai, W. Huang and F. Yun, Theory and application on multiple semidifferential electrochemical stripping analysis with thin mercury film formed in situ, Acta Chimica Sinica, 1984, 42(6), 556-561, CA 101: 162712.
  3. J. Mo, W. Huang and R.J. Zhang, New Advances in convolution voltammetry (Review), J. Anal. Determ. (Fenxiceshi Tongbao), 1985, 4(3), 1-8, CA 105: 163910.
  4. W. Huang and B. Hibbert, Computer modelling of electrochemical growth with convection and migration in rectangular cell, Phys. Rev. E, 1996, 53(1), 727-730.
  5. J. Jiang, W. Huang and B. Hibbert, Determining fractal dimensions of DLA structures using cumulative randic indices, Physica A, 1996, 233(3-4), 884-887.
  6. W. Huang and B. Hibbert, Fast fractal growth with diffusion, convection, and migration by computer simulation: Effects of voltage on probability, morphology and fractal dimension of electrochemical growth in a rectangular cell, Physica A, 1996, 233(3-4), 888-896.

书单

  • 分数阶导数简介
  • 分数阶微分方程1
  • 分数阶微分方程-3

    相关条目

  • 任意阶微积分
  • 任意阶微分方程的解析解
  • 一些重要的偏微分方程(组)
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    8. 检测 - 例题 :

    d0.5ydx0.5=sin(x-1)sin(y-1) == ? d0.5ydx0.5-cosh(y)-sinh(y)=0 == ? d1.6ydx1.6-y(x)(dx)0.8-y-exp(x)=0 == ? y(x)(dx)0.5-y-exp(x)=0 == ? d0.5ydx0.5-exp(y)x=0 == ? d0.5ydx0.5-exp(y)y=0 == ? d0.5ydx0.5=cos(x)xy == ? ydy0.5dx0.5-x-1=0 == ? d1.2ydx1.2-2d0.6ydx0.6+y-exp(x)=0 == ? d0.5ydx0.5=cos(y)exp(x)x == ? d1.6ydx1.6-2d0.8ydx0.8+y-exp(x)=0 == ? d0.5ydx0.5-exp(y)x=0 == ? d1.6ydx1.6-3d0.8ydx0.8+2y-exp(x)=0 == ? d0.5ydx0.5 +log(y-1)-exp(x)-x=0 == ? d0.5ydx0.5-exp(y)sin(x)=0 == ? d0.5ydx0.5=ysin(x)x == ? y(0.5)(x)-4exp(x)y-exp(x)=0 == ? dy0.5dx0.5=1x-y == ? dydx-d0.5ydx0.5 - y - exp(x)=0 == ? dydx-exp(y-1)-x-x2=0 == ? d1.2ydx1.2-3dy0.6dx0.6+2y-exp(x)=0 == ? dydx-d0.5ydx0.5-y-1=0 == ? d0.5ydx0.5-cos(y)sin(x)=0 == ? d1.6ydx1.6-d0.8ydx0.8-y-exp(4x)=0 == ? dydx-exp(y-1)-exp(x)=0 == ? dydx-2d0.5ydx0.5-y-exp(x)=0 == ? d1.6ydx1.6-d0.8ydx0.8-y-exp(x)=0 == ? d0.5ydx0.5-e4x-y=0 == ? y(0.5)(x)-exp(x)y-exp(x)=0 == ? y(0.5)(x)-exp(x)y-4exp(x)=0 == ? dydx-3d0.5ydx0.5+2y-exp(x)=0 == ? yd0.5ydx0.5-x-1=0 == ? y(1)(x)-exp(y-1)-x=0 == ? d1.6ydx1.6-d0.8ydx0.8-2y-exp(x)=0 == ? d1.6ydx1.6-d0.8ydx0.8-y-exp(4x)=0 == ? d0.5ydx0.5-log(y-1)-exp(x)+x=0 == ? dydx+asin(y-1)-cos(x)-x=0 == ? d1.6ydx1.6-3d0.8ydx0.8+2y-exp(x)=0 == ? dydx-y-1-x-1=0 == ? dydx-exp(y-1)-exp(x)=0 == ? dydx +asinh(y-1)-cosh(x)-x =0 == ? (d12ydx12)2-3ydy0.5dx0.5+2y2=0 == ? dy0.5dx0.5=cos(x)cos(y-1) == ? d0.5ydx0.5+log(y-1)-exp(x)-x=0 == ? dy0.5dx0.5=sin(x-1)exp(y-1) == ? yd2ydx2-(dydx)2+1=0 == ? y(1)(x)-exp(y-1)-log(x)=0 == ? d2ydx2exp(x)-exp(y-1)=0 == ? d1.6ydx1.6-2d0.8ydx0.8-y-exp(x)=0 == ? d1.6ydx1.6-2d0.8ydx0.8+y-exp(x)=0 == ? dydx-3d0.5ydx0.5+2y-exp(x)=0 == ? y(0.5)(x)-xy-x=0 == ? ydy3dx3-x3-3x2-3x-1=0 == ? y(1.8)(x)-2y(0.9)(x)+y-1=0 == ? y(0.5)(x)=1xy-1 == ? y(2)(x)y2-x2-2x-1=0 == ? (d0.5ydx0.5)2-5d0.5ydx0.5+6=0 == ? y(0.5)(x)-2exp(x)y-4exp(x)=0 == ? d1.6ydx1.6-d0.8ydx0.8-y-exp(x)=0 == ? y0.5(x)=2yexp(x) == ? y(0.5)(x)-exp(x)y2=0 == ? d1.6ydx1.6-2d0.8ydx0.8+y-exp(x)=0 == ? y(1)(x)-y2-xy=0 == ? y(1)(x)-y(0.5)(x)-y-1=0 == ? y(2)(x)-y2-x2=0 == ? y(2)(x)-y2-x2-2xy=0 == ? y(0.5)(x)-y(x)(dx)0.5-y-exp(x)=0 == ? d0.5dx0.5y-2cos(y)exp(x)=0 == ? d0.5dx0.5y-4sin(y)exp(x)=0 == ? d0.5ydx0.5=sin(x2)y == ? d0.5ydx0.5-sin(x)sin(y)=0 == ? d0.5ydx0.5-sinh(x)sinh(y)=0 == ? y(1)(x)=exp(x-y)-x == ? xd0.5ydx0.5-y-2x=0 == ? d0.5ydx0.5=sinh(x-1)sinh(y-1) == ? y(0.5)(x)-exp(-x)y2=0 == ? d0.5ydx0.5=yxsin(x) == ? dydx-sin(x-y)-1=0 == ? d2.5ydx2.5=yd0.5ydx0.5 == ? d0.5ydx0.5=ydydx == ? d2-iydx2-i-y+x=0 == ? d2ydx2=y3x2 == ? yd2ydx2-x2-3x-1=0 == ? yd2ydx2-2x2-3x-1=0 == ? (y-x-1)d2ydx2-3x-1=0 == ? y2d2ydx2-x2-4x-4=0 == ? (y-x-1)d2ydx2-x2-4x-4=0 == ? yd2ydx2-2x2-2x-1=0 == ? yd3ydx3-6x3-3x2-3x-1=0 == ? y(0)(x)y(1)(x)y(2)(x)=x2 == ? y(3)(x)y(2)(x)=y(12)(x) == ? y(3)(x)=exp(x)y(1)(x)y(12)(x) == ? y(12)(x)y(3)(x)=exp(x) == ? y(12)(x)y(2)(x)=exp(x) == ? d0.5ydx0.5-2xy-1=0 == ? y2d0.5ydx0.5-x2-4x-4=0 == ? exp(y-1)d0.5ydx0.5-x=0 == ? yd2ydx2-(x-2)(2x-4)=0 == ? yd3ydx3-6x3-4x2-4x-1=0 == ? exp(y-1)d2ydx2-exp(x)=0 == ? y2d2ydx2-x2-1=0 == ? 1y2d2ydx2-x2-1=0 == ? (y-x-1)d3ydx3-(x-2)(2x-4)(3x-1)=0 == ? d0.5ydx0.5-2x2y2-8x2=0 == ? d0.5ydx0.5-2xy2-8x=0 == ? d0.5ydx0.5-y2-2y-2=0 == ? d0.5ydx0.5-log(y-1)exp(x)=0 == ? yd2ydx2-(dydx)2-1=0 == ? d2ydx2-asin(y-1)-sin(x)-x=0 == ? dydx(x--y)-x--y-1=0 == ?


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