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'''분수계 미적분학'''( | {{학술}} | ||
'''분수계 미적분학'''(분수차 미적분학, fractional calculus)은 [[미적분학]]의 한 분야로, [[미분|미]][[적분]] 연산자의 [[자연수]], [[정수]]가 아닌 [[복소수]]-계(階) (또는 [[실수]]-계) 연산을 연구한다. 학문 이름이 영 [[김대기|적젏하지]] 않은 듯하다. | |||
== 개요 == | == 개요 == | ||
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<div align="center"><math>D_x=\frac{\mathrm d}{\mathrm dx}</math><ref>이 미분 연산자 표기는 [[오일러]]가 처음 쓴 것이다.</ref></div> | <div align="center"><math>D_x=\frac{\mathrm d}{\mathrm dx}</math><ref>이 미분 연산자 표기는 [[오일러]]가 처음 쓴 것이다.</ref></div> | ||
와 적분 연산자 | 와 적분 연산자 | ||
<div align="center"><math>J_x=\int_0^x \cdot \; \mathrm dx</math><ref>D와 J는 각각 derivative (또는 differential), integration의 첫 글자이다. 단지 J는 I를 대신하여 쓰였으며, 이는 I가 주로 항등사상 (또는 연산; identity mapping)을 나타내기 때문이다. 이 이하로는 변수를 밝힐 필요가 없는 이상 첨자 x를 생략하기로 한다. </ref></div> | <div align="center"><math>J_x=\int_0^x \cdot \; \mathrm dx</math><ref>D와 J는 각각 derivative (또는 differential), integration의 첫 글자이다. 단지 J는 I를 대신하여 쓰였으며, 이는 I가 주로 항등사상 (또는 연산; identity mapping)을 나타내기 때문이다. 이 이하로는 변수를 밝힐 필요가 없는 이상 첨자 x를 생략하기로 한다. </ref><ref>사실 이는 특수한 경우(상수를 무시)에서만 일반적인 미적분과 일치한다. 이는 밑에서 다시 정의하기로 하자.</ref></div> | ||
에 대하여 <math>D^{-1}=J, J^{-1}=D, D\circ J = J \circ D = I</math><ref><sup>-1</sup>은 역-연산을 나타내고 I는 항등사상을 나타낸다.</ref>라 하자. 또한 이하 <math>D\circ D=D^2</math>과 같이 나타내자. | |||
=== 다항함수의 | === 다항함수의 실수-계 미분 === | ||
<math>f(x)=x^\alpha \; (\alpha\in\mathbb C)</math>를 | <math>f(x)=x^\alpha \; (\alpha\in\mathbb C)</math>를 실수-계 미분해보자. 먼저 <math>\alpha, n</math>이 자연수일 때를 생각하면 | ||
<div align="center"><math>f=x^\alpha </math><br /><math> Df=\alpha x^{\alpha-1} </math><br /><math> D^2f=\alpha(\alpha-1) x^{\alpha-2} </math><br /><math> \vdots </math><br /><math> D^nf=\frac{\alpha !}{(\alpha -n)!} x^{\alpha-n} </math></div> | <div align="center"><math>f=x^\alpha </math><br /><math> Df=\alpha x^{\alpha-1} </math><br /><math> D^2f=\alpha(\alpha-1) x^{\alpha-2} </math><br /><math> \vdots </math><br /><math> D^nf=\frac{\alpha !}{(\alpha -n)!} x^{\alpha-n} </math></div> | ||
임을 알 수 있다. 하지만 [[계승]](factorial)은 자연수와 0에서만 정의되므로, 이를 일반화할 필요가 있다. 일반적으로 계승을 일반화하는 함수는 [[감마 함수]](gamma function)이다 | 임을 알 수 있다. 하지만 [[계승]](factorial)은 자연수와 0에서만 정의되므로, 이를 일반화할 필요가 있다. 일반적으로 계승을 일반화하는 함수는 [[감마 함수]](gamma function)이다. <math>n!=\Gamma(n+1) \; (n \in \mathbb N _0)</math><ref>N_0는 0을 포함한 자연수 집합이다.</ref>이므로 정리하면 | ||
<div align="center"><math> D^nf=\frac{\Gamma(\alpha + 1)}{\Gamma(\alpha -n + 1)} x^{\alpha-n}\; (\alpha, n \in \mathbb | <div align="center"><math> D^nf=\frac{\Gamma(\alpha + 1)}{\Gamma(\alpha -n + 1)} x^{\alpha-n}\; (\alpha, n \in \mathbb R) </math> </div> | ||
이 된다. <s>여러분은 이제 다항함수의 분수계 미분을 마쳤습니다!</s> 일례로 <math>f=x</math>의 1/2-계 도함수를 구해보자. 위에서 <math>\alpha=1, \; n=1/2</math>를 대입하면 | 이 된다. <s>여러분은 이제 다항함수의 분수계 미분을 마쳤습니다!</s> 일례로 <math>f=x</math>의 1/2-계 도함수를 구해보자. 위에서 <math>\alpha=1, \; n=1/2</math>를 대입하면 | ||
<div align="center"><math> D^{1/2}x=\frac{\mathrm d^{1/2}x}{\mathrm dx^{1/2}}=\frac{\Gamma(2)}{\Gamma(3/2)} x^{1/2}=\frac{2}{\sqrt \pi}x^{1/2}</math></div> | <div align="center"><math> D^{1/2}x=\frac{\mathrm d^{1/2}x}{\mathrm dx^{1/2}}=\frac{\Gamma(2)}{\Gamma(3/2)} x^{1/2}=\frac{2}{\sqrt \pi}x^{1/2}</math></div> | ||
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으로 예상이 맞음을 알 수 있다. | 으로 예상이 맞음을 알 수 있다. | ||
=== 함수의 | === 함수의 실수-계 적분 === | ||
<div align="center"><math> Jf(x)=\int_0 ^x f\;\mathrm dx </math><br /><math> J^2f(x)=\int_0 ^x \left(\int_0 ^t f(t)\;\mathrm dt\right)\mathrm dx </math><br /><math> \vdots </math><br /><math>{J^n}{f(x)}=\int_0 ^x {\left( \int_0 ^{x_1} {\left( \cdots {\left( \int_0 ^ | <div align="center"><math> Jf(x)=\int_0 ^x f\;\mathrm dx </math><br /><math> J^2f(x)=\int_0 ^x \left(\int_0 ^t f(t)\;\mathrm dt\right)\mathrm dx </math><br /><math> \vdots </math><br /><!-- <math> 계속 구문 분석 오류 뜨네요 ㅠ {J^n}{f(x)}=\int_0 ^x {\left( \int_0 ^{x_1} {\left( \cdots {\left( \int_0 ^x_{n-1} f(x_{n-1}) \; {\mathrm d}{x_{n-1}} \right)} \cdots \right)} {\mathrm d}{x_1} \right)} \mathrm dx </math> --> [[파일:분수계적분.png]]</div> | ||
위와 같은 방법으로 이렇게 진행할 수 있다. 이때 [[코시의 반복 적분 공식]](Cauchy formula for repeated integration)을 쓰면 | 위와 같은 방법으로 이렇게 진행할 수 있다. 이때 [[코시의 반복 적분 공식]](Cauchy formula for repeated integration)을 쓰면 | ||
<div align="center"><math> J^nf = \frac{1}{(n-1)!}\int_0 ^x (x-t)^{n-1} f(t)\;\mathrm dt </math></div> | <div align="center"><math> J^nf = \frac{1}{(n-1)!}\int_0 ^x (x-t)^{n-1} f(t)\;\mathrm dt </math></div> | ||
임을 이끌어낼 수 있다. 여기서 <math>n</math>을 | 임을 이끌어낼 수 있다. 여기서 <math>n</math>을 실수 범위로 확장하면 | ||
<div align="center"><math> J^nf = \frac{1}{\Gamma(n)}\int_0 ^x (x-t)^{n-1} f(t)\;\mathrm dt </math></div> | <div align="center"><math> J^nf = \frac{1}{\Gamma(n)}\int_0 ^x (x-t)^{n-1} f(t)\;\mathrm dt </math></div> | ||
이고, 이는 | 이고, 이는 다음과 같이 잘 정의되어 있다(well-defined): | ||
=== 라플라스 변환 === | === 라플라스 변환 === | ||
== 정의: 연산자 == | |||
== 각주 == | |||
<references /> | |||
[[분류:수학]] | |||
[[분류:미적분학]] | [[분류:미적분학]] |