方宇孟,袁 曉,謝雨婧
(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院,成都 610065)
在經(jīng)典的整數(shù)階微分方程理論中,指數(shù)函數(shù)e(∈?)起著非常重要的作用,且是微分方程
的解:()e。
復(fù)變量(i)的整函數(shù)—解析指數(shù)函數(shù)e的冪級(jí)數(shù)展開(kāi)為:
e的任意有限階導(dǎo)數(shù)等于自身,這一特性對(duì)傅里葉變換、拉普拉斯變換和變換意義重大。
1903年,米塔-列夫勒提出單參數(shù)米塔-列夫勒函數(shù):
其中,E()是指數(shù)函數(shù)的單參量廣義化結(jié)果。
1905年,Wiman提出雙參數(shù)米塔-列夫勒函數(shù):
顯然有:EE。
1971年,Prabhakar提出三參數(shù)米塔-列夫勒函數(shù):
米塔-列夫勒函數(shù)在分?jǐn)?shù)階系統(tǒng)中的重要性如同指數(shù)函數(shù)在整數(shù)階系統(tǒng)中的重要性。E()稱(chēng)為分?jǐn)?shù)微積分的女王函數(shù)(the Queen Function of Fractional Calculus)。米塔-列夫勒函數(shù)類(lèi)可用于表示分?jǐn)?shù)階微積分方程的解,比如:第二類(lèi)阿貝爾積分方程,含有黎曼-劉維爾分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)的微分方程等,還可應(yīng)用于許多現(xiàn)代分?jǐn)?shù)階模型,比如:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的信息處理、聚合物網(wǎng)絡(luò)中的黏彈性、分子輸運(yùn)、熱傳導(dǎo)、信號(hào)處理和反常擴(kuò)散。
米塔-列夫勒函數(shù)廣泛應(yīng)用在各種研究領(lǐng)域與工程應(yīng)用之中,因此有必要研究米塔-列夫勒函數(shù)的快速有效高精度算法。2002年,Gorenflo等人提出分區(qū)算法,采用泰勒級(jí)數(shù)、積分表達(dá)和漸進(jìn)級(jí)數(shù)三種方法來(lái)計(jì)算米塔-列夫勒函數(shù),但算法存在計(jì)算錯(cuò)誤。2015年,Garrappa等人基于米塔-列夫勒函數(shù)的拉普拉斯變換,提出最優(yōu)拋物線圍線算法。2018年,Garrappa等人在文獻(xiàn)[17]中研究了帶矩陣參數(shù)的米塔-列夫勒函數(shù)的數(shù)值計(jì)算。2020年,Saenko提出一種新的積分算法,將米塔-列夫勒函數(shù)的積分表示成實(shí)部和虛部的和且每部分只依賴(lài)實(shí)變量和實(shí)參數(shù),但算法存在一定局限性。
除了以上提到的算法,研究者們還將帕德逼近法應(yīng)用于米塔-列夫勒函數(shù)的數(shù)值計(jì)算。帕德逼近(Padéapproximation)是法國(guó)數(shù)學(xué)家亨利·帕德提出的有理多項(xiàng)式近似法,往往比截?cái)嗟奶├占?jí)數(shù)準(zhǔn)確。2007年,Starovoitov等人利用帕德逼近法研究了米塔-列夫勒函數(shù)在{≤1}范圍內(nèi)的計(jì)算。文獻(xiàn)[20]和文獻(xiàn)[21]基于帕德逼近法研究了米塔-列夫勒函數(shù)E(-x)(0)的上下邊界。
2003年,Winitzki在帕德逼近的基礎(chǔ)上提出全局帕德逼近(global Padéapproximation),構(gòu)造了超越函數(shù)的一致逼近。2005年,Diethelm等人提供了米塔-列夫勒函數(shù)E(-x)(01)的有理逼近系數(shù)表,在{∈[01,15]}范圍內(nèi)具有良好的計(jì)算精度。2011年,Atkinson等人利用全局帕德逼近法實(shí)現(xiàn)米塔-列夫勒函數(shù)E()在{01,0}范圍內(nèi)的二階逼近,但二階逼近的效果差,為了進(jìn)一步提高計(jì)算精度,需要擴(kuò)展到更高階逼近。
在前人研究基礎(chǔ)上,本文將全局帕德逼近法應(yīng)用于雙參數(shù)米塔-列夫勒函數(shù)E()及其任意階導(dǎo)數(shù)的數(shù)值計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了10階逼近,計(jì)算精度可達(dá)1×10%。經(jīng)理論分析和仿真實(shí)驗(yàn),證明了該算法的運(yùn)算有效性和可行性。
米塔-列夫勒函數(shù)最主要的性質(zhì)有4種:積分、微分、漸進(jìn)、拉普拉斯變換。這些性質(zhì)不僅有助于求解分?jǐn)?shù)階微積分方程,而且在實(shí)際的工程應(yīng)用中具有重要意義,比如:Bagley-Torvik方程的數(shù)值求解,分?jǐn)?shù)階被控系統(tǒng)和分?jǐn)?shù)階PD控制器系統(tǒng)中表示單位階躍響應(yīng),電介質(zhì)的分?jǐn)?shù)階松弛方程的求解等。
對(duì)雙參數(shù)米塔-列夫勒函數(shù)(4)逐項(xiàng)積分得:
其中,當(dāng)=1時(shí),得到式(6)的一個(gè)特例:
Erdélyi等人和D?rba?yan等人研究了米塔-列夫勒函數(shù)沿漢克爾環(huán)的反常積分形式,得到定理1。
設(shè)02且∈?,則對(duì)任意0與,滿(mǎn)足π2≤min{π,π}時(shí),有:
其中,積分圍線(,)如圖1所示,由2條射線S(arg,≥)和S(arg,≥)以及一個(gè)圓弧C(0,)(,≤arg≤)組成。積分圍線左側(cè)區(qū)域是(,),右側(cè)區(qū)域是(,)。表示圓弧G的半徑,表示積分變量的角度。
圖1 積分圍線γ(ò,δ)[14]Fig.1 Integral contourγ(ò,δ)[14]
對(duì)雙參數(shù)米塔-列夫勒函數(shù)E()逐次求導(dǎo)可得階導(dǎo)數(shù)公式:
另外,文獻(xiàn)[5]中給出階導(dǎo)數(shù)公式:
利用式(8)和式(9)的積分表達(dá)得到米塔-列夫勒函數(shù)在復(fù)平面上的漸進(jìn)表達(dá)。
對(duì)于02、∈?、∈?,當(dāng)argmin{π,π}時(shí),有漸進(jìn)展開(kāi)式:
當(dāng)01,πargπ時(shí),有漸進(jìn)展開(kāi)式:
Gorenflo等人提出分區(qū)算法,用泰勒級(jí)數(shù)、積分表達(dá)和漸進(jìn)級(jí)數(shù)計(jì)算復(fù)平面上不同區(qū)域的米塔-列夫勒函數(shù)。Seybold等人在Gorenflo等人的基礎(chǔ)上做了改進(jìn),消除了變量靠近積分圍線時(shí)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。
對(duì)于0、∈?,分區(qū)算法能夠計(jì)算復(fù)平面上任意米塔-列夫勒函數(shù)E()的值。對(duì)復(fù)平面上的不同取值,采用不同的數(shù)值計(jì)算方法,以獲得最佳的穩(wěn)定性和精度?;舅悸肥牵寒?dāng)0≤1、∈?時(shí),≤則用泰勒級(jí)數(shù)(式(4))計(jì)算;≥則用漸進(jìn)級(jí)數(shù)(式(17)和式(18))計(jì)算;則用積分表達(dá)(式(8)和式(9))計(jì)算。其中,表示采用泰勒級(jí)數(shù)方法的區(qū)域半徑上限值,表示采用漸進(jìn)級(jí)數(shù)方法的區(qū)域半徑下限值。當(dāng)1時(shí),用遞歸公式將其轉(zhuǎn)為0≤1的情形再計(jì)算:
其中,∈?,∈?;[(1)2]1;[]為不超過(guò)的最大整數(shù)。
然而,分區(qū)算法存在一定缺陷。Popolizio等人指出分區(qū)算法存在計(jì)算錯(cuò)誤。Saenko證明了定理1有誤,當(dāng)∈(,)時(shí),積分表達(dá)式正確;當(dāng)∈(,)時(shí),積分表達(dá)式錯(cuò)誤。指出分區(qū)算法因使用了定理1導(dǎo)致∈(,)產(chǎn)生計(jì)算錯(cuò)誤。
Garrappa等人提出最優(yōu)拋物線圍線算法,在復(fù)平面上選擇計(jì)算量和誤差都最小的區(qū)域,對(duì)米塔-列夫勒函數(shù)進(jìn)行拉普拉斯反演計(jì)算。適用范圍:0,∈?,∈?。核心計(jì)算公式為:
2.3.1 全局帕德逼近
帕德逼近是從冪級(jí)數(shù)出發(fā)獲得有理逼近的一種簡(jiǎn)潔且有效的方法。其基本思想是對(duì)一個(gè)給定形式的冪級(jí)數(shù)構(gòu)造一個(gè)有理函數(shù),使該有理函數(shù)的泰勒展開(kāi)盡可能與原來(lái)的冪級(jí)數(shù)吻合。這種方法克服了用多項(xiàng)式逼近大擾度函數(shù)效果不理想以及用冪級(jí)數(shù)(如泰勒級(jí)數(shù))逼近函數(shù)收斂性太差等缺點(diǎn)。
設(shè)函數(shù)()∈[,],1,如果有理函數(shù)R()可展開(kāi)為:
其中,p()和q()互質(zhì),且滿(mǎn)足條件:
Winitzki對(duì)式(19)進(jìn)行改進(jìn),提出全局帕德逼近形式:
其中,R()表示()在0處的階全局帕德逼近。
2.3.2 米塔-列夫勒函數(shù)的全局帕德逼近
Winitzki利用全局帕德逼近法實(shí)現(xiàn)了橢圓函數(shù)、誤差函數(shù)、貝塞爾函數(shù)和艾里函數(shù)的有理逼近。全局帕德逼近法主要是利用初等函數(shù)的泰勒級(jí)數(shù)和超越函數(shù)的漸近級(jí)數(shù)實(shí)現(xiàn)計(jì)算。當(dāng){0≤1,≥}時(shí),米塔-列夫勒函數(shù)E()在[0,∞)上是單調(diào)且有限的,有E(∞)0。根據(jù)Winitzki的思想,可將全局帕德逼近法擴(kuò)展到雙參數(shù)米塔-列夫勒函數(shù)E()(≥0)的數(shù)值計(jì)算之中,分2種情況計(jì)算:{0≤1,}和{01}。
(1)情況一:{0≤1,}
根據(jù)雙參數(shù)米塔-列夫勒函數(shù)定義式(4)得Γ()E()的泰勒級(jí)數(shù)和漸進(jìn)級(jí)數(shù):
其中,加權(quán)項(xiàng)Γ()保證漸近級(jí)數(shù)(23)的第一項(xiàng)系數(shù)為1。
對(duì)式(22)和式(23)取全局帕德近似:
其中,∈?,表示全局帕德逼近的階數(shù)。而當(dāng)=∞時(shí),式(24)右邊多項(xiàng)式的值為p/q,且可令p=q=1。未知系數(shù)p和q(0,1,…,1)可由線性方程組求出:
其中,當(dāng)為奇數(shù)時(shí),該非齊次線性方程組存在唯一解。當(dāng)≈時(shí),式(24)的近似效果最好。
根據(jù)文獻(xiàn)[34]提及的米塔-列夫勒函數(shù)的2階逼近多項(xiàng)式,對(duì)式(22)和式(23)截?cái)酁?階和2階,令式(24)中2,得到:
將式(27)~式(29)代入式(25)和(26)中,解出系數(shù):
將式(30)代入式(29)中得到E()的2階全局帕德逼近式:
同理,若要計(jì)算E()的階逼近,對(duì)式(22)和式(23)截?cái)酁?階和階,得:
將式(32)~式(34)代入式(25)和式(26)中,求解式(34)中的系數(shù)p和q(0,1,…,1)。但隨著式(34)中等號(hào)右邊的多項(xiàng)式階數(shù)的增大,系數(shù)p和q的表達(dá)式中的Γ代數(shù)項(xiàng)也會(huì)增多。當(dāng)階數(shù)7時(shí),系數(shù)p和q的表達(dá)式中的Γ代數(shù)項(xiàng)超過(guò)1 000個(gè)。當(dāng)式(32)~式(34)中多項(xiàng)式階數(shù)較大,難以手算求解,可借助Matlab軟件中的()函數(shù)求解代數(shù)方程,得到系數(shù)p和q的表達(dá)式。
系數(shù)p和q的表達(dá)式只跟參數(shù)和有關(guān),因此可根據(jù)參數(shù)和的取值,預(yù)先計(jì)算系數(shù)p和q的值并存入矩陣中,以?xún)?yōu)化精度、計(jì)算時(shí)間和系統(tǒng)內(nèi)存。
經(jīng)過(guò)Matlab軟件求解可知,僅0,~p(2)的表達(dá)式太過(guò)復(fù)雜不便于表示,由式(34)得E()的階全局帕德逼近式:
(2)情況二:{01}
當(dāng)時(shí),米塔-列夫勒函數(shù)E()有泰勒級(jí)數(shù)和漸進(jìn)級(jí)數(shù):
基于情況一的方法,解出情況二時(shí)E()的2階全局帕德逼近式:
經(jīng)Matlab軟件求解可知,僅0,得E()的階全局帕德逼近式:
為研究全局帕德逼近算法對(duì)米塔-列夫勒函數(shù)的逼近效果,需要考慮的影響因素有:逼近階數(shù)和參數(shù)??蓪⑷峙恋卤平惴ā⒎謪^(qū)算法和最優(yōu)拋物線圍線算法做比較,綜合分析全局帕德逼近算法的逼近性能。
相對(duì)誤差函數(shù)的數(shù)學(xué)定義為:
米塔-列夫勒函數(shù)E()和E()的解析為:
其中,誤差函數(shù)():
在此基礎(chǔ)上,擬對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行剖析分述如下。
(1)分區(qū)算法、最優(yōu)拋物線圍線算法和全局帕德逼近算法的比較。這里利用分區(qū)算法、最優(yōu)拋物線圍線算法、全局帕德逼近算法和解析式(42)繪制米塔-列夫勒函數(shù)E()曲線,并繪制3種算法與解析解之間的相對(duì)誤差曲線,如圖2所示。觀察到,最優(yōu)拋物線圍線算法在整個(gè)區(qū)間內(nèi)的計(jì)算精度最好,誤差穩(wěn)定在110數(shù)量級(jí)。分區(qū)算法的誤差在區(qū)間(10,15)內(nèi)急劇增大,最高達(dá)530.6%,在其他區(qū)間的計(jì)算精度很好,甚至在區(qū)間(14,1 000)內(nèi)的相對(duì)誤差為0。全局帕德逼近算法的10階逼近的最大誤差為110610,而在區(qū)間(150,1 000)內(nèi)的誤差穩(wěn)定在110數(shù)量級(jí)。
圖2 α=1,β=2,比較分區(qū)算法、最優(yōu)拋物線圍線算法和全局帕德逼近算法Fig.2 Comparing the partitioning algorithm,the optimal parabolic contour algorithm and the global Padé approximation algorithm forα=1,β=2
文獻(xiàn)[31]提到分區(qū)算法因使用了錯(cuò)誤的積分表達(dá)導(dǎo)致∈(,)時(shí)產(chǎn)生計(jì)算錯(cuò)誤,因此在區(qū)間(10,15)內(nèi)的誤差非常大。由此看出,分區(qū)算法的計(jì)算準(zhǔn)確性不如全局帕德逼近算法和最優(yōu)拋物線圍線算法。最優(yōu)拋物線圍線算法的計(jì)算精度高且穩(wěn)定,可用于下文驗(yàn)證全局帕德逼近算法的逼近性能。
(2)全局帕德逼近算法的逼近性能。為探究逼近階數(shù)對(duì)逼近效果的影響,可繪制不同階數(shù)下全局帕德逼近的相對(duì)誤差曲線,如圖3所示。當(dāng){01}時(shí),將全局帕德逼近算法和最優(yōu)拋物線圍線算法的計(jì)算結(jié)果相比較,如圖3(a)所示。當(dāng){0≤1,}時(shí),將全局帕德逼近算法和解析式(41)~(42)的計(jì)算結(jié)果相比較,如圖3(b)和圖3(c)所示。圖3展示了逼近階數(shù)2,4,6,8,10時(shí)的全局帕德逼近的相對(duì)誤差。
為探究對(duì)逼近效果的影響,固定的值,繪制在不同取值時(shí)的相對(duì)誤差曲線,如圖4所示。其中,縱坐標(biāo)表示全局帕德逼近算法和最優(yōu)拋物線圍線算法之間的相對(duì)誤差。
當(dāng)逼近階數(shù)2時(shí),難以手算求解系數(shù)p和q,可借助Matlab軟件求解。當(dāng)05、1時(shí),對(duì)應(yīng)的10階全局帕德逼近系數(shù)p和q(0,1,…,9)的值見(jiàn)表1和表2。
表1 系數(shù)pi(i=0,1,…,9)的值(α=0.5,β=1,v=10)Tab.1 The value of the coefficient pi(i=0,1,…,9)(α=0.5,β=1,v=10)
表2 系數(shù)qi(i=0,1,…,9)的值(α=0.5,β=1,v=10)Tab.2 The value of the coefficient qi(i=0,1,…,9)(α=0.5,β=1,v=10)
觀察圖3和圖4,可得結(jié)論:
圖3 v對(duì)逼近效果的影響Fig.3 The effect of v on the approximation
圖4 α對(duì)逼近效果的影響Fig.4 The effect ofαon the approximation
(1)全局帕德逼近算法能在任意逼近階數(shù)下計(jì)算米塔-列夫勒函數(shù)E(),逼近階數(shù)越高,誤差越小,逼近效果越好。當(dāng)逼近階數(shù)10時(shí),已提供了足夠的計(jì)算精度,和最優(yōu)拋物線圍線算法相當(dāng),計(jì)算精度可達(dá)110。
(2)當(dāng)?shù)闹倒潭〞r(shí),的值越接近1,在區(qū)間(0,200)內(nèi)的誤差越大且存在一個(gè)最大誤差,而誤差在區(qū)間(200,∞)內(nèi)穩(wěn)定在低水平。
(3)當(dāng)取值很小或很大時(shí),全局帕德逼近算法的優(yōu)勢(shì)尤其明顯,計(jì)算精度很高。取中間值時(shí)存在最大誤差,可提高逼近階數(shù)來(lái)降低誤差。
將全局帕德逼近算法擴(kuò)展到米塔-列夫勒函數(shù)任意階導(dǎo)數(shù)dE()d()(0,∈?)的數(shù)值計(jì)算,與2.3節(jié)方法相同,分2種情況:{0≤1,}和{01}。為了便于計(jì)算,取,則任意階導(dǎo)數(shù)表示為:
表3總結(jié)了雙參數(shù)米塔-列夫勒函數(shù)任意階導(dǎo)數(shù)的全局帕德逼近,列出了參數(shù)適用范圍、核心計(jì)算公式(泰勒級(jí)數(shù)和漸進(jìn)級(jí)數(shù))以及階全局帕德逼近式。其中,表示米塔列夫勒函數(shù)的導(dǎo)數(shù)階數(shù),表示全局帕德逼近算法的逼近階數(shù),p和q表示全局帕德逼近式的系數(shù)。得到以下幾點(diǎn):
表3 雙參數(shù)米塔-列夫勒函數(shù)任意階導(dǎo)數(shù)的全局帕德逼近Tab.3 Global Padéapproximation for any derivative of two-parameter Mittag-Leffler functions
(1)階導(dǎo)數(shù)的泰勒級(jí)數(shù)和漸進(jìn)級(jí)數(shù)的加權(quán)項(xiàng):
(2)經(jīng)Matlab軟件編程求解,可知階導(dǎo)數(shù)的階全局帕德逼近系數(shù)p(0,1,…,1):
當(dāng){0≤1,}時(shí):…=p=p=0;
當(dāng){01}時(shí):…=p=p0。
(3)當(dāng)階數(shù)2時(shí),可直接手算解出系數(shù)p和q的表達(dá)式。當(dāng)階數(shù)2時(shí),難以手算求解,系數(shù)p和q(0,1…,1)(除p=0之外)的表達(dá)式隨著的增大而越復(fù)雜,此時(shí)可借助Matlab軟件求解。系數(shù)p和q的表達(dá)式只與參數(shù)和有關(guān),因此可根據(jù)參數(shù)和的取值,預(yù)先計(jì)算系數(shù)p和q的值并存入矩陣中,以?xún)?yōu)化精度、計(jì)算時(shí)間和系統(tǒng)內(nèi)存。
當(dāng){0≤1,≤,0}時(shí),通過(guò)Matlab 軟件可求解任意階導(dǎo)數(shù)的全局帕德逼近式。為了探究全局帕德逼近算法的準(zhǔn)確性,不妨將全局帕德逼近式的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[35]中_()函數(shù)的計(jì)算結(jié)果相比較,仿真結(jié)果如圖5~圖8所示。_()函數(shù)能求解1到4參數(shù)(、、、)的米塔-列夫勒函數(shù)及其導(dǎo)數(shù),是目前唯一能夠求解任意階米塔-列夫勒函數(shù)導(dǎo)數(shù)的可用代碼。
為探究導(dǎo)數(shù)階數(shù)和逼近階數(shù)對(duì)逼近效果的影響,繪制E()的一階、二階、三階導(dǎo)數(shù)在不同逼近階數(shù)下的相對(duì)誤差曲線,可見(jiàn)圖5~圖7。
圖7 α=0.47,β=0.47,x∈[0,3]Fig.7 α=0.47,β=0.47,x∈[0,3]
為了探究和取值向1趨近時(shí)的逼近效果,這里?。?5,07,09},繪制dE()d()的10階全局帕德逼近曲線、_()函數(shù)曲線以及兩者的相對(duì)誤差曲線,可見(jiàn)圖8。
觀察圖5~圖8,得到結(jié)論:
(1)全局帕德逼近算法的逼近階數(shù)越高,誤差越小,逼近效果越好。
(2)米塔-列夫勒函數(shù)的導(dǎo)數(shù)階數(shù)越高,達(dá)到相同逼近效果所需的逼近階數(shù)越高。圖5中,一階導(dǎo)數(shù)的四階逼近的相對(duì)誤差大小和三階導(dǎo)數(shù)的六階逼近的差不多。
圖5 α=1,β=8,x∈[0,20]Fig.5 α=1,β=8,x∈[0,20]
(3)當(dāng){01}時(shí),和取值越接近于1,逼近效果越差。圖8中,在相同條件下,和取值越大,相對(duì)誤差越大。當(dāng)05時(shí),最大相對(duì)誤差低于110。當(dāng)09時(shí),最大相對(duì)誤差超過(guò)1×10%。
圖8 α和β對(duì)逼近效果的影響Fig.8 The effect ofαandβon the approximation
圖6 α=0.65,β=0.95,x∈[0,5]Fig.6 α=0.65,β=0.95,x∈[0,5]
米塔-列夫勒函數(shù)類(lèi)的表示、快速有效高精度計(jì)算、顯示、應(yīng)用是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)。本文基于全局帕德逼近技術(shù)構(gòu)造雙參數(shù)米塔-列夫勒函數(shù)E()及其任意階導(dǎo)數(shù)dE()d()(∈?)的數(shù)值算法,從泰勒級(jí)數(shù)和漸進(jìn)級(jí)數(shù)出發(fā)實(shí)現(xiàn)高階全局帕德逼近。根據(jù)和的取值,分2種情況計(jì)算:{0≤1,}和{01},理論分析并求解全局帕德逼近式。通過(guò)大量仿真實(shí)驗(yàn),證明了全局帕德逼近算法的逼近性能優(yōu)越,數(shù)值求解結(jié)果穩(wěn)定可靠。逼近階數(shù)越高,逼近效果越好,10階逼近的計(jì)算精度可達(dá)110;導(dǎo)數(shù)階數(shù)越高,達(dá)到指定精度所需的逼近階數(shù)越高。