Coefficients identification in fractional diffusion models by the method of time integral characteristics

Бесплатный доступ

Inverse problems of identification of the fractional diffusivity and the order of fractional differentiation are considered for linear fractional anomalous diffusion equations with the Riemann - Liouville and Caputo fractional derivatives. As an additional information about the anomalous diffusion process, the concentration functions are assumed to be known at several arbitrary inner points of calculation domain. Numerically-analytical algorithms are constructed for identification of two required parameters of the fractional diffusion equations by approximately known initial data. These algorithms are based on the method of time integral characteristics and use the Laplace transform in time. The Laplace variable can be considered as a regularization parameter in these algorithms. It is shown that the inverse problems under consideration are reduced to the identification problem for a new single parameter which is formed by the fractional diffusivity, the order of fractional differentiation and the Laplace variable. Estimations of the upper error bound for this parameter are derived. A technique of optimal Laplace variable determination based on minimization of these estimations is described. The proposed algorithms are implemented in the AD-TIC package for the Maple software. A brief discussion of this package is also presented.

Еще

Anomalous diffusion, fractional derivatives, inverse coefficient problem, identification algorithm, software package

Короткий адрес: https://sciup.org/147159375

IDR: 147159375   |   DOI: 10.14529/mmp160309

Список литературы Coefficients identification in fractional diffusion models by the method of time integral characteristics

  • Самко, С.Г. Интегралы и производные дробного порядка и некоторые их приложения/С.Г. Самко, А.А. Килбас, О.И. Маричев. -Минск: Наука и техника, 1987.
  • Podlubny, I. Fractional Differential Equations/I. Podlubny. -San Diego: Academic press, 1999.
  • Kilbas, A.A. Theory and Applications of Fractional Differential Equations/A.A. Kilbas, H.M. Srivastava, J.J. Trujillo. -Amsterdam: Elsevier, 2006.
  • Учайкин, В.В. Метод дробных производных/В.В. Учайкин. -Ульяновск: Артишок, 2008.
  • Anomalous Transport: Foundations and Applications/R. Klages, G. Radons, I.M. Sokolov (eds.). -Berlin: Willey-VCH, 2008.
  • Fractional Dynamics: Recent Advances/J. Klafter, S. C. Lim, R. Metzler (eds.). -Singapore: World Scientific, 2011.
  • Metzler, R. The Random Walk's Guide to Anomalous Diffusion: A Fractional Dynamic Approach/R. Metzler, J. Klafter//Physics Reports. -2000. -V. 339. -P. 1-77.
  • Учайкин, В.В. Автомодельная аномальная диффузия и устойчивые законы/В.В. Учайкин//Успехи физичесиких наук. -2003. -Т. 173, № 8. -C. 847-876.
  • Псху, А.В. Уравнения в частных производных дробного порядка/А.В. Псху. -М.: Наука, 2005.
  • Luchko, Yu. Anomalous Diffusion: Models, Their Analysis, and Interpretation/Yu. Luchko//Advances in Applied Analysis. -Boston: Birkhauser, 2012.
  • Власов, В.В. Теплофизические измерения: справочное пособие/В.В. Власов, Ю.С. Шаталов и др. -Тамбов: Изд. ВНИИРТМаш, 1975.
  • Власов, В.В. Интегральные характеристики в определении коэффициентов параболических систем и уравнений/В.В. Власов, В.Г. Серегина, Ю.С. Шаталов//Инженерно-физический журнал. -1977. -Т. 32, № 4. -С. 712-718.
  • Шаталов, Ю.С. Интегральные представления постоянных коэффициентов теплопереноса/Ю.С. Шаталов. -Уфа: Изд-во УАИ, 1992.
  • Власов, В.В. Методы и устройства неразрушающего контроля теплофизических свойств материалов массивных тел/В.В. Власов, Ю.С. Шаталов, Е.Н. Зотов, А.А. Чуриков, Н.А. Филин//Измерительная техника. -1980. -№ 6. -С. 42-45.
  • Shatalov, Yu.S. The Problem of Coefficients Identification in the Mathematical Model of the Ion Implantation Diffusion Process/Yu.S. Shatalov, S.Yu. Lukashchuk, Yu.Yu. Rikachev//Inverse Problems in Engineering. -1999. -V. 7. -P. 267-290.
  • Лукащук, С.Ю. Решение коэффициентных обратных задач для уравнений параболического типа методом интегральных характеристик/С.Ю. Лукащук//Вестник УГАТУ. -2003. -Т. 4, № 2. -С. 67-71.
  • Lukashchuk, S.Yu. Estimation of Parameters in Fractional Subdiffusion Equations by the Time Integral Characteristics Method/S.Yu. Lukashchuk//Computers and Mathematics with Applications. -2011. -V. 62, № 3. -P. 834-844.
  • Крылов, В.И. Приближенное вычисление интегралов/В.И. Крылов. -М.: Наука, 1987.
  • Лукащук, С.Ю. АД-ВИХ: идентификация параметров уравнения аномальной диффузии методом временных интегральных характеристик. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ 2016610761 от 19.01.2016.
Еще
Статья научная