Đạo hàm phân số là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Đạo hàm phân số là phép mở rộng khái niệm đạo hàm truyền thống lên bậc thực hoặc phức, mô tả quá trình vi phân bậc α với α∈ℝ hoặc ℂ thông qua tích phân phân số. Định nghĩa Riemann–Liouville và Caputo thể hiện hai cách tiếp cận khác nhau trong việc đặt phép vi phân trước hoặc sau phép tích phân bậc α, thuận tiện cho nhiều bài toán giá trị đầu.

Tóm tắt

Bài viết giới thiệu khái niệm đạo hàm phân số – mở rộng ý niệm đạo hàm bậc nguyên sang bậc thực và phức – làm nền tảng cho mô hình hóa các hệ thống có “nhớ” và cơ chế phân tán dị thường. Nội dung tập trung vào lịch sử phát triển, các định nghĩa Riemann–Liouville và Caputo, tính chất toán học, phương pháp tính toán, ứng dụng và thách thức nghiên cứu.

Nội dung chi tiết gồm bốn phần đầu: (1) lịch sử hình thành và hoàn thiện lý thuyết đạo hàm phân số từ thế kỷ XVII đến nay, (2) khái niệm cơ bản và quan hệ giữa tích phân phân số và đạo hàm phân số, (3) công thức định nghĩa Riemann–Liouville, (4) công thức định nghĩa Caputo. Phần hai (sẽ trình bày sau) làm rõ tính chất, phương pháp số, ứng dụng vào vật lý, sinh học, điều khiển và triển vọng tương lai.

Độc giả sau khi theo dõi phần này sẽ hiểu được nguồn gốc khái niệm, cách xây dựng đạo hàm phân số và sự khác biệt giữa hai định nghĩa kinh điển để áp dụng vào bài toán giá trị đầu và mô phỏng động lực học có độ nhớ dài.

Định nghĩa và lịch sử phát triển

Ý tưởng về đạo hàm bậc phân số bắt đầu khi Gottfried Wilhelm Leibniz đặt câu hỏi năm 1695: “Liệu có thể tính đạo hàm bậc ½ của hàm số hay không?” Dù trả lời chưa rõ ràng, câu hỏi này mở đường cho các nhà toán học thế kỷ XIX như Riemann, Liouville và Grünwald–Letnikov phát triển lý thuyết cơ bản.

Đến thập niên 1870, Bernhard Riemann đưa ra tích phân phân số đầu tiên, trong khi Joseph Liouville định nghĩa thuật toán tính đạo hàm phân số qua tích phân tường minh. Năm 1867, Grünwald và Letnikov độc lập đề xuất công thức giới hạn:

limh01hαk=0n(1)k(αk)f(xkh)=Dαf(x).\lim_{h\to 0} \frac{1}{h^\alpha}\sum_{k=0}^n (-1)^k \binom{\alpha}{k} f(x - kh) = D^\alpha f(x).

NămNhà toán họcĐóng góp
1695LeibnizĐề xuất ý tưởng đạo hàm bậc phân số
1867Grünwald–LetnikovCông thức giới hạn tính đạo hàm phân số
1872RiemannĐịnh nghĩa tích phân phân số
1884LiouvilleMở rộng tích phân phân số và công thức đạo hàm
1999PodlubnyXây dựng “Fractional Differential Equations” hệ thống hóa

Sự quan tâm gần đây tăng mạnh nhờ khả năng mô tả quá trình nhớ lâu dài (long-range memory) và lan truyền bất thường (anomalous diffusion) trong vật lý, sinh học và kinh tế.

Các khái niệm cơ bản về đạo hàm phân số

Đạo hàm phân số bậc α (α ∈ ℝ hoặc ℂ) tổng quát hóa phép vi phân bậc n (n ∈ ℕ) và phép tích phân bậc m (m ∈ ℕ), kết hợp qua quan hệ nghịch đảo:

DαIαf(x)=f(x),IαDαf(x)=f(x)k=0n1f(k)(a)k!(xa)k.D^\alpha I^\alpha f(x) = f(x), \quad I^\alpha D^\alpha f(x) = f(x) - \sum_{k=0}^{n-1} \frac{f^{(k)}(a)}{k!}(x-a)^k.

  • Tuyến tính: \(D^\alpha[c_1 f + c_2 g] = c_1 D^\alpha f + c_2 D^\alpha g\).
  • Không giao hoán: \(D^\alpha D^\beta \neq D^\beta D^\alpha\) nói chung.
  • Quy tắc Leibniz tổng quát: Dα(uv)=k=0(αk)Dαku  Dkv.D^\alpha(uv)=\sum_{k=0}^\infty \binom{\alpha}{k}D^{\alpha-k}u\;D^k v.

Việc chọn không gian hàm (Hölder, Sobolev) và điều kiện ban đầu/cận biên phù hợp quyết định tính hợp lệ của định nghĩa và tính tồn tại–duy nhất nghiệm bài toán vi phân phân số.

Định nghĩa Riemann–Liouville và Caputo

Trong hai định nghĩa kinh điển, đạo hàm phân số Riemann–Liouville và Caputo khác nhau ở việc đặt phép vi phân bậc nguyên trước hay sau tích phân:

Riemann–Liouville:

Daαf(x)=1Γ(nα)dndxnax(xt)nα1f(t)dt,n1<α<n.D_{a}^{\alpha}f(x)=\frac{1}{\Gamma(n-\alpha)}\frac{d^n}{dx^n}\int_{a}^{x}(x-t)^{n-\alpha-1}f(t)\,dt,\quad n-1<\alpha<n.

Caputo:

{}^{C}D_{a}^{\alpha}f(x)=\frac{1}{\Gamma(n-\alpha)}\int_{a}^{x}(x-t)^{n-\alpha-1}f^{(n)}(t)\,dt.\end{script>

Tiêu chíRiemann–LiouvilleCaputo
Vị trí vi phânSau tích phânTrước tích phân
Điều kiện đầuCần điều kiện dạng phân sốDễ áp dụng điều kiện cổ điển \(f^{(k)}(a)\)
Ứng dụngPhương trình biến tích phân phức tạpBài toán giá trị đầu thực tế

Caputo được ưa chuộng hơn khi cần áp dụng điều kiện ban đầu truyền thống vì không yêu cầu tính toán đạo hàm phân số của hàm tại điểm a.

Tính chất toán học

Đạo hàm phân số kế thừa tính tuyến tính từ đạo hàm thông thường: với \(c_1,c_2\in\mathbb{R}\) và hàm đủ điều kiện, có