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http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/23479
Tipo do documento: | Tese |
Título: | Métodos de Diferenças Finitas para a Equação de Difusão Fracionária |
Título(s) alternativo(s): | Finite Difference Methods for Fractional Diffusion Equation |
Autor: | Negreiros, Jhoab Pessoa de ![]() |
Primeiro orientador: | Faria, Cristiane Oliveira de |
Segundo orientador: | Moura, Carlos Antonio de |
Primeiro membro da banca: | Malvar, Henrique Sarmento |
Segundo membro da banca: | Camargo, Rubens de Figueiredo |
Terceiro membro da banca: | Martinez, Vinícius Machado |
Quarto membro da banca: | Deus, Hilbeth Parente Azikri de |
Quinto membro da banca: | Silva, Patríıcia Nunes da |
Resumo: | Existe uma extensa gama de formulações que envolvem o termo derivada fracionária, e esse número continua aumentando. Isso se deve ao fato de que a derivada fracionária é um conceito matemático complexo e abrangente, que pode ser usado para descrever uma ampla gama de fenômenos. Considerando o crescente número de definições, este trabalho apresenta um estudo por meio dos métodos numéricos com seis derivadas fracionárias: Riemann-Liouville, Caputo, Chen, Katugampola, Caputo-Fabrizio e Atangana-Baleanu. Essas derivadas são aplicadas à equação da difusão fracionária em uma dimensão com coeficiente constante, onde a variação temporal fracionária é simulada no termo de difusão. A seleção desses operadores foi fundamentada na classificação realizada por Teodoro em sua tese de doutorado, a qual, a partir do critério proposto por Ortigueira e Machado em 2015 − composto por cinco propriedades que nos auxiliam a concluir quando um operador específico é uma derivada fracionária −, verificou se esses ou muitos outros operadores podem ser considerados derivadas fracionárias, de acordo com o referido critério. A abordagem numérica adotada é o método das diferenças finitas, empregando esquemas baseados nos métodos clássicos de Euler progressivo e regressivo. A análise numérica de estabilidade e convergência é realizada no método tipo Euler progressivo e regressivo com a derivada fracionária segundo Riemann-Liouville. O desbalanceamento gerado pela derivada fracionária na equação da difusão fracionária é corrigido pela inserção do parâmetro de correção ao dimensional T no modelo. A contribuição central deste trabalho foi o desenvolvimento de métodos numéricos e a construção dos respectivos códigos para a difusão de ordem fracionária. Experimentos numéricos são apresentados, exibindo resultados com o objetivo de confirmar as conclusões teóricas, verificar a taxa de convergência, realizar comparações entre diferentes abordagens e compreender a importância da validade das propriedades do critério de Ortigueira e Machado para a modelagem. Algoritmos, juntamente com seus códigos em linguagem Python correspondentes, estão disponíveis. |
Abstract: | There is an extensive range of formulations involving the term fractional derivative, and this number continues to increase. This is due to the fact that fractional derivative is a complex and comprehensive mathematical concept that can be used to describe a wide range of phenomena. Considering the growing number of definitions, this work presents a study using numerical methods with six fractional derivatives: Riemann-Liouville, Caputo, Chen, Katugampola, Caputo-Fabrizio, and Atangana-Baleanu. These derivatives are applied to the fractional diffusion equation in one dimension with a constant coefficient, where the fractional temporal variation is simulated in the diffusion term. The selection of these operators was based on the classification carried out by Teodoro in his doctoral thesis, which, based on the criterion proposed by Ortigueira and Machado in 2015 − composed of five properties that help us conclude when a specific operator is a fractional derivative − verified whether these or many other operators can be considered fractional derivatives, according to the aforementioned criterion. The numerical approach adopted is the finite difference method, employing schemes based on the classical progressive and regressive Euler methods. The numerical analysis of stability and convergence is carried out using the forward and backward Euler-type method with the fractional derivative according to Riemann-Liouville. The imbalance generated by the fractional derivative in the fractional diffusion equation is corrected by inserting the dimensional correction parameter T into the model. The central contribution of this work was the development of numerical methods and the construction of respective codes for fractional-order diffusion. Numerical experiments are presented, displaying results with the aim of confirming theoretical conclusions, verifying the convergence rate, making comparisons between different approaches, and understanding the importance of the validity of the properties of the Ortigueira and Machado criterion for modeling. Algorithms, along with their corresponding Python language codes, are available. |
Palavras-chave: | Fractional derivatives Fractional diffusion equation Finite difference approximations Ortigueira and Machado criterion Derivadas fracionárias Equação de difusão fracionária Critério de Ortigueira e Machado Difererenças finitas Derivadas (Matemática) Modelagem matemática |
Área(s) do CNPq: | CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::CIENCIA DA COMPUTACAO |
Idioma: | por |
País: | Brasil |
Instituição: | Universidade do Estado do Rio de Janeiro |
Sigla da instituição: | UERJ |
Departamento: | Centro de Tecnologia e Ciências::Instituto de Matemática e Estatística |
Programa: | Programa de Pós-Graduação em Ciências Computacionais e Modelagem Matemática |
Citação: | NEGREIROS, Jhoab Pessoa de. Mètodos de Diferenças Finitas para a Equação de Difusão Fracionária. 2023. 174 f. Tese (Doutorado em Ciências Computacionais e Modelagem Matemática) - Instituto de Matemática e Estatística, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2023. |
Tipo de acesso: | Acesso Aberto |
URI: | http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/23479 |
Data de defesa: | 18-Dez-2023 |
Aparece nas coleções: | Doutorado em Ciências Computacionais e Modelagem Matemática |
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Tese - Jhoab Pessoa de Negreiros - 2023 - Completa.pdf | Tese completa | 5,16 MB | Adobe PDF | Baixar/Abrir Pré-Visualizar |
Termo - Jhoab Pessoa de Negreiros - 2023.pdf | 790,63 kB | Adobe PDF | Baixar/Abrir Pré-Visualizar Solictar uma cópia | |
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