A new numerical fractional differentiation formula to approximate the Caputo-Fabrizio fractional derivative: error analysis and stability

  • سال انتشار: 1401
  • محل انتشار: مجله روشهای محاسباتی برای معادلات دیفرانسیل، دوره: 10، شماره: 1
  • کد COI اختصاصی: JR_CMDE-10-1_002
  • زبان مقاله: انگلیسی
  • تعداد مشاهده: 265
دانلود فایل این مقاله

نویسندگان

Leila Moghadam Dizaj Herik

Department of Mathematics, Rasht Branch, Islamic Azad University, Rasht, Iran.

Mohammad Javidi

Department of Mathematics, Rasht Branch, Islamic Azad University, Rasht, Iran.

Mahmoud Shafiee

Department of Mathematics, Rasht Branch, Islamic Azad University, Rasht, Iran.

چکیده

In the present work, first of all, a new numerical fractional differentiation formula (called the CF۲ formula) to approximate the Caputo-Fabrizio fractional derivative of order α, (۰ < α < ۱) is developed. It is established by means of the quadratic interpolation approximation using three points (tj−۲,y(tj−۲)),(tj−۱,y(tj−۱)), and (tj, y(tj)) on each interval [tj−۱,tj] for (j ≥ ۲), while the linear interpolation approximation are applied on the first interval [t۰,t۱]. As a result, the new formula can be formally viewed as a modification of the classical CF۱ formula, which is obtained by the piecewise linear approximation for y(t). Both the computational efficiency and numerical accuracy of the new formula is superior to that of the CF۱ formula. The coefficients and truncation errors of this formula are discussed in detail. Two test examples show the numerical accuracy of the CF۲ formula. The CF۱ formula demonstrates that the new CF۲ is much more effective and more accurate than the CF۱ when solving fractional differential equations. Detailed stability analysis and region stability of the CF۲ are also carefully investigated.

کلیدواژه ها

fractional differential equation, Stability, Caputo-Fabrizio fractional derivative, Numerical methods, Error analysis

اطلاعات بیشتر در مورد COI

COI مخفف عبارت CIVILICA Object Identifier به معنی شناسه سیویلیکا برای اسناد است. COI کدی است که مطابق محل انتشار، به مقالات کنفرانسها و ژورنالهای داخل کشور به هنگام نمایه سازی بر روی پایگاه استنادی سیویلیکا اختصاص می یابد.

کد COI به مفهوم کد ملی اسناد نمایه شده در سیویلیکا است و کدی یکتا و ثابت است و به همین دلیل همواره قابلیت استناد و پیگیری دارد.