Numerical solution of differential-algebraic equations of arbitrary index with Riemann-Liouville derivative

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

In the article, linear systems of ordinary differential equations of fractional order  are investigated. In contrast to previously known results, the authors consider the case when the matrix before the fractional differentiation operation is degenerate. Problems in such a formulation are called differential-algebraic equations of fractional order. The fundamental differences of such systems from the classical problems of fractional differentiation and integration are emphasized, namely, the systems under consideration can have an infinite number of solutions, or a solution of the original problem depends on the high fractional derivative of the right-hand side. Corresponding examples are given. The authors pass to a different, equivalent formulation of the problem, namely, they rewrite it in the form of a system of linear integral equations of the Abel type (with a weak singularity). This technique allows one to use the apparatus of regular matrix bundles to investigate the existence and uniqueness of the original problem. Using this result, the authors give sufficient conditions for the existence of a unique solution to the class of problems under consideration. Further, an algorithm for the numerical solution of such equations is proposed. The method is based on the product integration method and the quadrature formula of right rectangles. Calculations and graphs of the errors of the proposed method for various fractional differentiation exponents and various indices of the initial matrix bundles are presented.

About the authors

Mikhail Valeryanovich Bulatov

osov Institute for System Dynamics and Control Theory of the Siberian Branch of the RAS

Author for correspondence.
Email: mvbul@icc.ru
ORCID iD: 0000-0001-7952-5560

Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Chief Researcher

Russian Federation, 134 Lermontova St., Irkutsk 664033, Russian Federation

Tatyana Sergeevna Indutskaya

Matrosov Institute for System Dynamics and Control Theory of the Siberian Branch of the RAS

Email: indutskaya.tat@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5290-9887

Post-Graduate Student, Laboratory of Differential Equations and Control Systems

Russian Federation, 134 Lermontova St., Irkutsk 664033, Russian Federation

References

  1. V. E. Tarasov, Models of Theoretical Physics with Fractional Integro-Derivation, Izhevsk Institute of Computer Research, Moscow–Izhevsk, 2011 (In Russian), 568 pp.
  2. V.V. Uchaikin, Fractional Derivative Method, Artichoke, Ulyanovsk, 2008 (In Russian), 510 pp.
  3. S.G. Samko, A.A. Kilbas, O.I. Marichev, Integrals and Derivatives of Fractional Order and Some of Their Applications, Nauka i tekhnika Publ., Minsk, 1987 (In Russian), 688 pp.
  4. A.A. Kilbas, H.M. Srivastava, J.J. Trujillo, Theory and Applications of Fractional Differential Equations, Elsevier Science Publishing, Amsterdam–Boston–Heidelberg, 2006, 541 pp.
  5. Yu.E. Boyarintsev, Regular and Singular Systems of Linear Ordinary Differential Equations, Nauka Publ., Sib. Department, 1980 (In Russian).
  6. V.F. Chistyakov, Algebraic Differential Operators with Finite-Dimensional Kernel, Nauka Publ., Novosibirsk, 1996 (In Russian), 280 pp.
  7. V. Mehrmann, C. Shi, “Transformation of high order linear differential-algebraic systems to first order”, Numerical Algorithms, 42 (2006), 281–307.
  8. F.R. Gantmakher, Matrix Theory, Nauka Publ., Moscow, 1986 (In Russian), 576 pp.
  9. A.D. Polyanin, A.V. Manzhirov, Handbook of Integral Equations, Fizmatlit Publ., 2003 (In Russian).
  10. R. Weiss, “Product integration for the generalized Abel equation”, Mathematics of Computation, 26:117 (1972), 177–190.
  11. Yu.E. Boyarintsev, V.M. Korsukov, “Application of difference methods to the solution of regular systems of ordinary differential equations”, Issues of Applied Mathematics, 1975, 140–152 (In Russian).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».