Cálculo fraccional

En matemáticas, el cálculo fraccional es una rama del análisis matemático que estudia la posibilidad de tomar potencias reales del operador diferencial D

y el operador integral J ^{[Nota 1]}​

En este contexto potencias se refieren a la aplicación iterativa, en el mismo sentido que f²(x) = f(f(x)).
Por ejemplo, uno podría presentar la pregunta de interpretar con algún sentido

como una raíz cuadrada del operador diferencial (un operador medio iterado), es decir, una expresión para algún operador que al ser aplicada dos veces a una función tendrá el mismo efecto que la diferenciación. Más generalmente, uno puede mirar la cuestión de definir

para valores reales de s de manera tal que cuando s toma como valor un número natural n, la potencia usual de la n-diferenciación se recupera para n > 0, y la −n potencia de J cuando n < 0.

Hay varias razones para considerar esta pregunta. Una de ellas es que de esta forma el semigrupo de potencias Dⁿ en la variable discreta n son vistas dentro de un semigrupo continuo (eso se espera) de parámetro s, el cual es un número real. Los semigrupos continuos prevalecen en matemáticas, y tienen una teoría interesante. Nótese aquí que fracción es entonces una mala denominación para el exponente, ya que no necesita ser un número racional, pero el término cálculo fraccional se ha vuelto tradicional.

Respecto de la existencia de tal teoría, los fundamentos de esta materia fueron sentados por Liouville en una obra de 1832.^[1]​^[2]​^[3]​ La derivada fraccional de una función al orden a es ahora frecuentemente definida por medio de las transformadas integrales de Fourier o la Mellin. Un punto importante es que la derivada fraccional en un punto x es una propiedad local solamente cuando a es un natural; en casos no integrales no podemos decir que la derivada fraccional en x de una función f depende solamente del gráfico de f muy cerca de x, de la forma en que las derivadas que son potencias de integrales ciertamente lo hacen. Entonces, se espera que la teoría incluya algún tipo de condiciones de frontera, incluyendo información sobre la función más lejos. Para usar una metáfora, la derivada fraccional requiere algo de visión periférica.

Un detalle importante a recalcar respecto a las derivadas fraccionales es que el operador diferencial que se utiliza, encierra tanto a la derivación como la integración, de modo que algunos desarrollos en serie de Taylor, como por ejemplo, el de la función exponencial, al aplicarles el operador diferencial fraccional, conduce a resultados erróneos. Esto se debe a que al igual que la integración habitual, la derivación fraccional admite límites de derivación.

Una pregunta bastante natural sería, ¿existe un operador ${displaystyle H}$, o media derivada, tal que

Resulta que sí existe tal operador, y ciertamente para cualquier ${displaystyle a>0}$, existe un operador ${displaystyle P}$ tal que

o para expresarlo de otra manera, ${displaystyle {frac {d^{n}y}{dx^{n}}}}$ está bien definida para todos los valores reales de n > 0. Un resultado similar se aplica a la integración.

Para profundizar en cierto detalle, comiéncese con la Función gamma ${displaystyle Gamma ,}$, la cual se define tal que

Asumiendo una función ${displaystyle f(x)}$ que está bien definida cuando ${displaystyle x>0}$, podemos formar la integral definida desde 0 hasta x. Llamémos a esto

Repitiendo este proceso se tiene

y esto puede ser extendido arbitrariamente.

La fórmula de Cauchy para integración repetida, es decir

conduce a una manera sencilla para la generalización a todo n.

Usando simplemente la función Gamma para eliminar la naturaleza discreta de la función factorial se obtiene un candidato natural para aplicaciones fraccionales del operador integral.

Este es de hecho un operador bien definido.

Puede ser demostrado que el operador J es conmutativo y aditivo. Esto es,

Esta propiedad se denomina la propiedad de semigrupo de los operadores diferintegrales fraccionales. Lamentablemente el proceso comparable para el operador derivada D es considerablemente más complejo, pero puede ser demostrado que D no es ni conmutativo, ni aditivo en general.

Asumamos que ${displaystyle f(x)}$ es un monomio de la forma

La primera derivada, como es usual, es

Repitiendo esto se obtiene el resultado general

El cual, luego de reemplazar los factoriales con la función Gamma, nos lleva a

Entonces, por ejemplo, la media derivada de ${displaystyle x}$ es

Repitiendo este proceso obtenemos

el cual es realmente el resultado esperado de

También se puede llegar a la cuestión mediante la transformada de Laplace. Notando que

etc., enunciamos que

Por ejemplo

como era de esperarse. De hecho, dada la regla de convolución

${displaystyle {mathcal {L}}(f*g)=({mathcal {L}}f)({mathcal {L}}g)}$ (y abreviando ${displaystyle p(x)=x^{alpha -1}}$ por claridad) encontramos que

que es lo que Cauchy nos ha dado anteriormente.

Las transformadas de Laplace "funcionan" en relativamente pocas funciones, pero son frecuentemente útiles al resolver ecuaciones diferenciales fraccionales.

Esta es la única derivada fraccional que no usa heurísticas, sino que sale de un cálculo simple de las propiedades de la integral de Riemann-Liouville. Es precisamente la inversa del operador integral de Riemann-Liouville. Definimos la derivada ${displaystyle v,}$-fraccional de Canavati por:

Donde ${displaystyle v>0,}$, ${displaystyle n,}$ es la parte entera de ${displaystyle v,}$ y ${displaystyle alpha =v-n,}$.

La forma clásica del cálculo fraccional nos es dada por la diferintegral de Riemann-Liouville, esencialmente lo que ha sido descrito arriba. La teoría para funciones periódicas, incluyendo por tanto la 'condición de frontera' de repetirse tras un período, es la diferintegral de Weyl. Se define sobre series de Fourier y requiere el coeficiente constante de Fourier para desaparecer (entonces, se aplica a funciones en el círculo unidad integrando a 0).

Por contraste con la diferintegral de Grunwald-Letnikov comienza con la derivada.

En el contexto del análisis funcional, las funciones f(D) más generales que potencias se estudian en el cálculo funcional de la teoría espectral. La teoría de operadores pseudo-diferenciales también le permite a uno considerar potencias de D. Los operadores resultantes son ejemplos de operadores singulares integrales; y la generalización de la teoría clásica a mayores dimensiones es llamada la teoría de los potenciales de Riesz. Entonces hay una cantidad de teorías contemporáneas disponibles, dentro de las cuales el cálculo fraccional puede discutirse. Vea también el operador de Erdelyi-Kober, importante en la teoría de las funciones especiales.

Para posibles interpretaciones geométricas y físicas de la integración y diferenciación de orden fraccional, vea:

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