Fractional calculus of variations

Abstract

O cálculo de ordem não inteira, mais conhecido por cálculo fracionário, consiste numa generalização do cálculo integral e diferencial de ordem inteira. Esta tese é dedicada ao estudo de operadores fracionários com ordem variável e problemas variacionais específicos, envolvendo também operadores de ordem variável. Apresentamos uma nova ferramenta numérica para resolver equações diferenciais envolvendo derivadas de Caputo de ordem fracionária variável. Consideram- -se três operadores fracionários do tipo Caputo, e para cada um deles é apresentada uma aproximação dependendo apenas de derivadas de ordem inteira. São ainda apresentadas estimativas para os erros de cada aproximação. Além disso, consideramos alguns problemas variacionais, sujeitos ou não a uma ou mais restrições, onde o funcional depende da derivada combinada de Caputo de ordem fracionária variável. Em particular, obtemos condições de otimalidade necessárias de Euler–Lagrange e sendo o ponto terminal do integral, bem como o seu correspondente valor, livres, foram ainda obtidas as condições de transversalidade para o problema fracionário.

The calculus of non–integer order, usual known as fractional calculus, consists in a generalization of integral and differential integer-order calculus. This thesis is devoted to the study of fractional operators with variable order and specific variational problems involving also variable order operators. We present a new numerical tool to solve differential equations involving Caputo derivatives of fractional variable order. Three Caputo-type fractional operators are considered, and for each one of them, an approximation formula is obtained in terms of standard (integer-order) derivatives only. Estimations for the error of the approximations are also provided. Furthermore, we consider variational problems subject or not to one or more constraints, where the functional depends on a combined Caputo derivative of variable fractional order. In particular, we establish necessary optimality conditions of Euler–Lagrange. As the terminal point in the cost integral, as well the terminal state, are free, thus transversality conditions are obtained.