Computational methods in the fractional calculus of variations and optimal control

Abstract

The fractional calculus of variations and fractional optimal control are generalizations of the corresponding classical theories, that allow problem modeling and formulations with arbitrary order derivatives and integrals. Because of the lack of analytic methods to solve such fractional problems, numerical techniques are developed. Here, we mainly investigate the approximation of fractional operators by means of series of integer-order derivatives and generalized finite differences. We give upper bounds for the error of proposed approximations and study their efficiency. Direct and indirect methods in solving fractional variational problems are studied in detail. Furthermore, optimality conditions are discussed for different types of unconstrained and constrained variational problems and for fractional optimal control problems. The introduced numerical methods are employed to solve some illustrative examples.

O cálculo das variações e controlo óptimo fraccionais são generalizações das correspondentes teorias clássicas, que permitem formulações e modelar problemas com derivadas e integrais de ordem arbitrária. Devido à carência de métodos analíticos para resolver tais problemas fraccionais, técnicas numéricas são desenvolvidas. Nesta tese, investigamos a aproximação de operadores fraccionais recorrendo a séries de derivadas de ordem inteira e diferenças finitas generalizadas. Obtemos majorantes para o erro das aproximações propostas e estudamos a sua eficiência. Métodos directos e indirectos para a resolução de problemas variacionais fraccionais são estudados em detalhe. Discutimos também condições de optimalidade para diferentes tipos de problemas variacionais, sem e com restrições, e para problemas de controlo óptimo fraccionais. As técnicas numéricas introduzidas são ilustradas recorrendo a exemplos.