The Cauchy matrix of a system with fractional derivative and aftereffect

Abstract


A system of linear functional differential equations with fractional derivative and aftereffect is considered. The question of the representation of solutions is investigated, the existence f the Cauchy matrix as the kernel of an integral representation is proved, and the main defining relationships for the Cauchy matrix are derived.The well-known definition of the fractional Caputo derivative of the order is used. The system under study includes, in addition to the Caputo derivative, a linear Volterra operator of a general form. Using the Riemann–Liouville fractional integration operator the initial system is reduced to a linear integral Volterra equation, for which the convergence of the Neumann series and the integral representation of the solution using a resolvent integral operator are established. It is shown that the Cauchy matrix is expressed explicitly through the resolvent kernel of this operator. In the case of a transition to the integer order of the derivative, the obtained defining relationship for the Cauchy matrix coincides with the known one. The use of the Cauchy matrix opens up wide possibilities for the study of fractional systems in terms of obtaining effective conditions of solvability of boundary value problems, control problems and the description of asymptotic behavior of solutions similar to how it is done for wide classes of systems with integer derivatives.All the constructions are based on the use of the basic statements of the theory of abstract functional differential equations developed by the heads of the Perm seminar, Professors N.V. Azbelev and L.F. Rakhmatullina.

Full Text

4

About the authors

V. P Maksimov

Perm State National Research University

References

  1. Азбелев, Н. В. Абстрактное функционально-дифференциальное уравнение / Н. В. Азбелев, Л. Ф. Рахматуллина // Функционально-дифференциальные уравнения: межвуз. cб. науч. тр. — 1987. — Пермь: Изд-во Перм. политех. ин-та. — C. 3–11.
  2. Azbelev, N.V. Theory of linear abstract functional differential equations and applications / N.V. Azbelev, L. F. Rakhmatullina // Mem. Differential Equations Math. Phys. — 1996. — Vol. 8. — P. 1–102.
  3. Азбелев, Н. В. Элементы современной теории функционально-дифференциальных уравнений. Методы и приложения / Н. В. Азбелев, В. П. Максимов, Л. Ф. Рахматуллина. — М.: Ин-т компьютерн. иссл., 2002. — 384 с.
  4. Bravyi, E. I. Some economic dynamics problems for hybrid models with aftereffect / E. I. Bravyi, V. P. Maksimov, P. M. Simonov // Mathematics. — 2020. — Vol. 8, no. 1832. doi: 10.3390/math8101832.
  5. Бутковский, А. Г. Дробное интегро-дифференциальное исчисление и его приложения в теории управления. II. Дробные динамические системы: моделирование и аппаратная реализация / А. Г. Бутковский, С. С. Постнов, Е. А. Постнова // Автоматика и телемеханика. — 2013. —№ 5. — С. 3–34. doi: 10.1134/S0005117913050019.
  6. Tarasov, V. E. Non-linear macroeconomic models of growth with memory / V. E. Tarasov // Mathematics. — 2020. — Vol. 8. — No. 2078. doi: 10.3390/math8112078.
  7. Тарасова, В. В. Неприятие риска для инвесторов с памятью: эредитарные обобщения меры Эрроу — Пратта / В. В. Тарасова, В. Е. Тарасов // Финансовый журнал. — 2017. — № 2. — С. 46–63. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=28966889.
  8. Rahaman, M. Arbitrary-order economic production quantity model with and without deterioration: generalized point of view / M. Rahaman, S. P. Mondal, A. A. Shaikh, A. Ahmadian, N. Senu, S. Salahshour // Advances in Difference Equations. — 2020. — Vol. 16. — P. 1–30. doi: 10.1186/s13662-019-2465-x.
  9. Нахушев, А. И. Элементы дробного исчисления и их приложения / А. И. Нахушев. — Нальчик: НИИ ПМА КБНЦ РАН, 2000. — 298 с.
  10. Kilbas, A. A. Theory and applications of fractional differential equations / A. A. Kilbas, H. H. Srivastava, J. J. Trujillo. — Amsterdam: Elsevier, 2006. — 523 p.
  11. Герасимов, А. Н. Обобщение линейных законов деформации и их приложение к задачам внутреннего трения / А. Н. Герасимов // АН СССР. Прикладная математика и механика. — 1948. — Т.12. — С. 529–539.
  12. Максимов, В. П. О формуле Коши для функционально-дифференциального уравнения / В. П. Максимов // Дифференц. уравнения. — 1977. — Т. 13, № 4. — С. 601—606.
  13. Максимов, В. П. Вопросы общей теории функционально-дифференциальных уравнений. Избранные труды / В. П. Максимов. — Пермь: ПГУ, ПСИ, ПССГК, 2003. — 306 с.
  14. Сабатулина, Т. Л. Об устойчивости линейного дифференциального уравнения с ограниченным последействием / Т. Л. Сабатулина, В. В. Малыгина // Изв. вузов. Матем. — 2020. —№ 4. — С. 25–41. doi: 10.3103/S1066369X14040045.
  15. Gorenflo, R. Mittag–Leffler functions, related topics and applications / R. Gorenflo, A. A. Kilbas, F. Mainardi, S.V. Rogosin. — New York: Springer, 2014. — 540 p. doi: 10.1007/978-3-662-43930-2.
  16. Забрейко, П. П. Интегральные уравнения / П. П. Забрейко, А. И. Кошелев, М. А. Красносельский, С. Г. Михлин, Л. С. Раковщик, В. Я.Стеценко. — М.: Наука, 1968. — 449 с.
  17. Gomoyunov, M. I. On representation formulas for solutions of linear differential equations with Caputo fractional derivatives / M. I. Gomoyunov // Fract. Calc. Appl. Anal. — 2020. — Vol. 23, no. 4. — P. 1141–1160. doi: 10.1515/fca-2020-0058.

Statistics

Views

Abstract - 13

PDF (Russian) - 9

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies