Johdatus fraktaaliderivaattoihin ja niiden sovelluksiin

Fraktaaliderivaatta on derivaatta, jonka kertaluku on reaali- tai kompleksiluku. Fraktaaliderivaatta voidaan määritellä usealla eri tavalla, mutta mikään määritelmä ei ole selkeästi muita parempi. Koska fraktaaliderivaatan ominaisuudet riippuvat valitusta määritelmästä, ominaisuuksia ei voida suoraa...

Täydet tiedot

Bibliografiset tiedot
Päätekijä: Halinen, Hanna
Muut tekijät: Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta, Faculty of Sciences, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, Department of Mathematics and Statistics, University of Jyväskylä, Jyväskylän yliopisto
Aineistotyyppi: Pro gradu
Kieli:fin
Julkaistu: 2014
Aiheet:
Linkit: https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/43861
_version_ 1828193118884724736
author Halinen, Hanna
author2 Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Faculty of Sciences Matematiikan ja tilastotieteen laitos Department of Mathematics and Statistics University of Jyväskylä Jyväskylän yliopisto
author_facet Halinen, Hanna Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Faculty of Sciences Matematiikan ja tilastotieteen laitos Department of Mathematics and Statistics University of Jyväskylä Jyväskylän yliopisto Halinen, Hanna Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta Faculty of Sciences Matematiikan ja tilastotieteen laitos Department of Mathematics and Statistics University of Jyväskylä Jyväskylän yliopisto
author_sort Halinen, Hanna
datasource_str_mv jyx
description Fraktaaliderivaatta on derivaatta, jonka kertaluku on reaali- tai kompleksiluku. Fraktaaliderivaatta voidaan määritellä usealla eri tavalla, mutta mikään määritelmä ei ole selkeästi muita parempi. Koska fraktaaliderivaatan ominaisuudet riippuvat valitusta määritelmästä, ominaisuuksia ei voida suoraan yleistää kaikille fraktaaliderivaatoille. Tämän tutkielman tarkoitus on antaa lukijalle perustiedot reaalilukukertaisista fraktaaliderivaatoista ja niiden määritelmäsidonnaisista ominaisuuksista. Tutkielmassa esitellään kolme yleisimmin viitattua määritelmää: Grünwald-Letnikov, Riemann-Liouville ja Caputo. Grünwald-Letnikovin määritelmä yleistää klassisen derivaatan määritelmän suoraan reaali- ja kompleksiluvuille, minkä vuoksi se on helpoiten ymmärrettävissä analyysin perustietojen pohjalta. Riemann-Liouvillen määritelmä yhdistää fraktaaliderivaatan ja fraktaali-integraalin käsitteet. Caputon fraktaaliderivaatta on taas kehitetty sovellusten näkökulmasta. Vaikka fraktaaliderivaatan ominaisuudet riippuvat valitusta määritelmästä, joitakin ominaisuuksia voidaan yleistää. Ensiksi, fraktaaliderivaatta on yhtäpitävä klassisen derivaatan kanssa, kun sen kertaluku on kokonaisluku. Toiseksi, fraktaalinen differintegraalioperaattori (engl. fractional differintegral operator) on lineaarinen. Määritelmästä riippuvia ominaisuuksia ovat esimerkiksi Riemann-Liouvillen fraktaali-integraalien vaihdannaisuus sekä Riemann-Liouvillen / Caputon fraktaaliderivaatan additiivisuus klassisen derivaatan kanssa. Riemann-Liouvillen ja Caputon määritelmien välillä on kuitenkin se ero, että additiivisuus pätee toiselle päinvastaisessa järjestyksessä. Siten fraktaaliderivaatat eivät kommutoi. Riemann-Liouvillen differintegraalioperaattorin tärkeä ominaisuus on myös se, että derivointioperaattori on samaa kertalukua olevan integrointioperaattorin vasen käänteisoperaatio. Määritettäessä funktioiden fraktaaliderivaatan lausekkeita Riemann-Liouvillen ja Grünwald-Letnikovin määritelmät antavat samat tulokset. Caputon määritelmä ei kuitenkaan ole yhtäpitävä edellisten määritelmien kanssa muulloin kuin erikoistapauksissa. Merkittävin ero näiden määritelmien välillä on, että vakion Grünwald-Letnikovin ja Riemann-Liouvillen fraktaaliderivaatat eivät ole nollia, kun taas Caputon fraktaaliderivaatta on nolla. Fraktaaliderivaatan sovelluksia ovat erilaiset fraktaalidifferentiaaliyhtälöt. Fraktaalidifferentiaaliyhtälö saadaan, kun klassisen differentiaaliyhtälön derivaatta korvataan fraktaaliderivaatalla. Alkuarvotehtävissä Riemann-Liouvillen fraktaaliderivaatan käyttö on kuitenkin ongelmallista, sillä se tuottaa alkuehdoiksi reaalilukukertaisia derivaattoja, joille ei ole keksitty fysikaalista tulkintaa. Caputon fraktaaliderivaattaa käytettäessä vastaavaa ongelmaa ei ole. Fraktaalidifferentiaaliyhtälöt ovat nykyään tärkeä tutkimuskohde muun muassa fysiikassa. Tässä tutkielmassa esitellään yksi esimerkki fysiikan sovelluksesta: fraktaalivärähtelijän differentiaaliyhtälö. Numeerisin menetelmin on havaittu, että fraktaalivärähtelijällä on sisäinen vaimenemismekanismi, joten se ei voi muodostaa lainkaan eristettyä systeemiä. Toistaiseksi on kuitenkin epäselvää, mistä fraktaalivärähtelijän sisäinen vaimenemismekanismi johtuu.
first_indexed 2023-03-22T09:57:07Z
format Pro gradu
free_online_boolean 1
fullrecord [{"key": "dc.contributor.author", "value": "Halinen, Hanna", "language": null, "element": "contributor", "qualifier": "author", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.accessioned", "value": "2014-06-29T17:45:26Z", "language": null, "element": "date", "qualifier": "accessioned", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.available", "value": "2014-06-29T17:45:26Z", "language": null, "element": "date", "qualifier": "available", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.issued", "value": "2014", "language": null, "element": "date", "qualifier": "issued", "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.other", "value": "oai:jykdok.linneanet.fi:1438226", "language": null, "element": "identifier", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.uri", "value": "https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/43861", "language": null, "element": "identifier", "qualifier": "uri", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.abstract", "value": "Fraktaaliderivaatta on derivaatta, jonka kertaluku on reaali- tai kompleksiluku. Fraktaaliderivaatta voidaan m\u00e4\u00e4ritell\u00e4 usealla eri tavalla, mutta mik\u00e4\u00e4n m\u00e4\u00e4ritelm\u00e4 ei ole selke\u00e4sti muita parempi. Koska fraktaaliderivaatan ominaisuudet riippuvat valitusta m\u00e4\u00e4ritelm\u00e4st\u00e4, ominaisuuksia ei voida suoraan yleist\u00e4\u00e4 kaikille fraktaaliderivaatoille. T\u00e4m\u00e4n tutkielman tarkoitus on antaa lukijalle perustiedot reaalilukukertaisista fraktaaliderivaatoista ja niiden m\u00e4\u00e4ritelm\u00e4sidonnaisista ominaisuuksista. \n\nTutkielmassa esitell\u00e4\u00e4n kolme yleisimmin viitattua m\u00e4\u00e4ritelm\u00e4\u00e4: Gr\u00fcnwald-Letnikov, Riemann-Liouville ja Caputo. Gr\u00fcnwald-Letnikovin m\u00e4\u00e4ritelm\u00e4 yleist\u00e4\u00e4 klassisen derivaatan m\u00e4\u00e4ritelm\u00e4n suoraan reaali- ja kompleksiluvuille, mink\u00e4 vuoksi se on helpoiten ymm\u00e4rrett\u00e4viss\u00e4 analyysin perustietojen pohjalta. Riemann-Liouvillen m\u00e4\u00e4ritelm\u00e4 yhdist\u00e4\u00e4 fraktaaliderivaatan ja fraktaali-integraalin k\u00e4sitteet. Caputon fraktaaliderivaatta on taas kehitetty sovellusten n\u00e4k\u00f6kulmasta. \n\nVaikka fraktaaliderivaatan ominaisuudet riippuvat valitusta m\u00e4\u00e4ritelm\u00e4st\u00e4, joitakin ominaisuuksia voidaan yleist\u00e4\u00e4. Ensiksi, fraktaaliderivaatta on yht\u00e4pit\u00e4v\u00e4 klassisen derivaatan kanssa, kun sen kertaluku on kokonaisluku. Toiseksi, fraktaalinen differintegraalioperaattori (engl. fractional differintegral operator) on lineaarinen. M\u00e4\u00e4ritelm\u00e4st\u00e4 riippuvia ominaisuuksia ovat esimerkiksi Riemann-Liouvillen fraktaali-integraalien vaihdannaisuus sek\u00e4 Riemann-Liouvillen / Caputon fraktaaliderivaatan additiivisuus klassisen derivaatan kanssa. Riemann-Liouvillen ja Caputon m\u00e4\u00e4ritelmien v\u00e4lill\u00e4 on kuitenkin se ero, ett\u00e4 additiivisuus p\u00e4tee toiselle p\u00e4invastaisessa j\u00e4rjestyksess\u00e4. Siten fraktaaliderivaatat eiv\u00e4t kommutoi. Riemann-Liouvillen differintegraalioperaattorin t\u00e4rke\u00e4 ominaisuus on my\u00f6s se, ett\u00e4 derivointioperaattori on samaa kertalukua olevan integrointioperaattorin vasen k\u00e4\u00e4nteisoperaatio. \n\nM\u00e4\u00e4ritett\u00e4ess\u00e4 funktioiden fraktaaliderivaatan lausekkeita Riemann-Liouvillen ja Gr\u00fcnwald-Letnikovin m\u00e4\u00e4ritelm\u00e4t antavat samat tulokset. Caputon m\u00e4\u00e4ritelm\u00e4 ei kuitenkaan ole yht\u00e4pit\u00e4v\u00e4 edellisten m\u00e4\u00e4ritelmien kanssa muulloin kuin erikoistapauksissa. Merkitt\u00e4vin ero n\u00e4iden m\u00e4\u00e4ritelmien v\u00e4lill\u00e4 on, ett\u00e4 vakion Gr\u00fcnwald-Letnikovin ja Riemann-Liouvillen fraktaaliderivaatat eiv\u00e4t ole nollia, kun taas Caputon fraktaaliderivaatta on nolla.\n\nFraktaaliderivaatan sovelluksia ovat erilaiset fraktaalidifferentiaaliyht\u00e4l\u00f6t. Fraktaalidifferentiaaliyht\u00e4l\u00f6 saadaan, kun klassisen differentiaaliyht\u00e4l\u00f6n derivaatta korvataan fraktaaliderivaatalla. Alkuarvoteht\u00e4viss\u00e4 Riemann-Liouvillen fraktaaliderivaatan k\u00e4ytt\u00f6 on kuitenkin ongelmallista, sill\u00e4 se tuottaa alkuehdoiksi reaalilukukertaisia derivaattoja, joille ei ole keksitty fysikaalista tulkintaa. Caputon fraktaaliderivaattaa k\u00e4ytett\u00e4ess\u00e4 vastaavaa ongelmaa ei ole. Fraktaalidifferentiaaliyht\u00e4l\u00f6t ovat nyky\u00e4\u00e4n t\u00e4rke\u00e4 tutkimuskohde muun muassa fysiikassa. T\u00e4ss\u00e4 tutkielmassa esitell\u00e4\u00e4n yksi esimerkki fysiikan sovelluksesta: fraktaaliv\u00e4r\u00e4htelij\u00e4n differentiaaliyht\u00e4l\u00f6. Numeerisin menetelmin on havaittu, ett\u00e4 fraktaaliv\u00e4r\u00e4htelij\u00e4ll\u00e4 on sis\u00e4inen vaimenemismekanismi, joten se ei voi muodostaa lainkaan eristetty\u00e4 systeemi\u00e4. Toistaiseksi on kuitenkin ep\u00e4selv\u00e4\u00e4, mist\u00e4 fraktaaliv\u00e4r\u00e4htelij\u00e4n sis\u00e4inen vaimenemismekanismi johtuu.", "language": "fi", "element": "description", "qualifier": "abstract", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Submitted using Plone Publishing form by Hanna Halinen (hamakaha) on 2014-06-29 17:45:25.918234. Form: Pro gradu -lomake (https://kirjasto.jyu.fi/julkaisut/julkaisulomakkeet/pro-gradu-lomake). JyX data: [jyx_publishing-allowed (fi) =True]", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Submitted by jyx lomake-julkaisija (jyx-julkaisija@noreply.fi) on 2014-06-29T17:45:26Z\nNo. of bitstreams: 2\nURN:NBN:fi:jyu-201406292177.pdf: 483439 bytes, checksum: b951391c001e73c2c14047b8a31c5714 (MD5)\nlicense.html: 4811 bytes, checksum: 5616cd42e09a451c8592a823808d0ad6 (MD5)", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.description.provenance", "value": "Made available in DSpace on 2014-06-29T17:45:26Z (GMT). No. of bitstreams: 2\nURN:NBN:fi:jyu-201406292177.pdf: 483439 bytes, checksum: b951391c001e73c2c14047b8a31c5714 (MD5)\nlicense.html: 4811 bytes, checksum: 5616cd42e09a451c8592a823808d0ad6 (MD5)\n Previous issue date: 2014", "language": "en", "element": "description", "qualifier": "provenance", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.extent", "value": "1 verkkoaineisto (52 sivua)", "language": null, "element": "format", "qualifier": "extent", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.mimetype", "value": "application/pdf", "language": null, "element": "format", "qualifier": "mimetype", "schema": "dc"}, {"key": "dc.language.iso", "value": "fin", "language": null, "element": "language", "qualifier": "iso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights", "value": "In Copyright", "language": "en", "element": "rights", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "fraktaaliderivaatta", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "fraktaali-integraali", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.other", "value": "fraktaalidifferentiaaliyht\u00e4l\u00f6", "language": "", "element": "subject", "qualifier": "other", "schema": "dc"}, {"key": "dc.title", "value": "Johdatus fraktaaliderivaattoihin ja niiden sovelluksiin", "language": null, "element": "title", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.type", "value": "master thesis", "language": null, "element": "type", "qualifier": null, "schema": "dc"}, {"key": "dc.identifier.urn", "value": "URN:NBN:fi:jyu-201406292177", "language": null, "element": "identifier", "qualifier": "urn", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.ontasot", "value": "Pro gradu -tutkielma", "language": "fi", "element": "type", "qualifier": "ontasot", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.ontasot", "value": "Master\u2019s thesis", "language": "en", "element": "type", "qualifier": "ontasot", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.faculty", "value": "Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "faculty", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.faculty", "value": "Faculty of Sciences", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "faculty", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.department", "value": "Matematiikan ja tilastotieteen laitos", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "department", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.department", "value": "Department of Mathematics and Statistics", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "department", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.organization", "value": "University of Jyv\u00e4skyl\u00e4", "language": "en", "element": "contributor", "qualifier": "organization", "schema": "dc"}, {"key": "dc.contributor.organization", "value": "Jyv\u00e4skyl\u00e4n yliopisto", "language": "fi", "element": "contributor", "qualifier": "organization", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.discipline", "value": "Matematiikka", "language": "fi", "element": "subject", "qualifier": "discipline", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.discipline", "value": "Mathematics", "language": "en", "element": "subject", "qualifier": "discipline", "schema": "dc"}, {"key": "dc.date.updated", "value": "2014-06-29T17:45:27Z", "language": null, "element": "date", "qualifier": "updated", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.coar", "value": "http://purl.org/coar/resource_type/c_bdcc", "language": null, "element": "type", "qualifier": "coar", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights.accesslevel", "value": "openAccess", "language": "fi", "element": "rights", "qualifier": "accesslevel", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.publication", "value": "masterThesis", "language": null, "element": "type", "qualifier": "publication", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.oppiainekoodi", "value": "4041", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "oppiainekoodi", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "fraktaalit", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "differentiaaliyht\u00e4l\u00f6t", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.subject.yso", "value": "funktiot", "language": null, "element": "subject", "qualifier": "yso", "schema": "dc"}, {"key": "dc.format.content", "value": "fulltext", "language": null, "element": "format", "qualifier": "content", "schema": "dc"}, {"key": "dc.rights.url", "value": "https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/", "language": null, "element": "rights", "qualifier": "url", "schema": "dc"}, {"key": "dc.type.okm", "value": "G2", "language": null, "element": "type", "qualifier": "okm", "schema": "dc"}]
id jyx.123456789_43861
language fin
last_indexed 2025-03-31T20:01:00Z
main_date 2014-01-01T00:00:00Z
main_date_str 2014
online_boolean 1
online_urls_str_mv {"url":"https:\/\/jyx.jyu.fi\/bitstreams\/77d296cc-cb45-4f7f-9604-3894b267820c\/download","text":"URN:NBN:fi:jyu-201406292177.pdf","source":"jyx","mediaType":"application\/pdf"}
publishDate 2014
record_format qdc
source_str_mv jyx
spellingShingle Halinen, Hanna Johdatus fraktaaliderivaattoihin ja niiden sovelluksiin fraktaaliderivaatta fraktaali-integraali fraktaalidifferentiaaliyhtälö Matematiikka Mathematics 4041 fraktaalit differentiaaliyhtälöt funktiot
title Johdatus fraktaaliderivaattoihin ja niiden sovelluksiin
title_full Johdatus fraktaaliderivaattoihin ja niiden sovelluksiin
title_fullStr Johdatus fraktaaliderivaattoihin ja niiden sovelluksiin Johdatus fraktaaliderivaattoihin ja niiden sovelluksiin
title_full_unstemmed Johdatus fraktaaliderivaattoihin ja niiden sovelluksiin Johdatus fraktaaliderivaattoihin ja niiden sovelluksiin
title_short Johdatus fraktaaliderivaattoihin ja niiden sovelluksiin
title_sort johdatus fraktaaliderivaattoihin ja niiden sovelluksiin
title_txtP Johdatus fraktaaliderivaattoihin ja niiden sovelluksiin
topic fraktaaliderivaatta fraktaali-integraali fraktaalidifferentiaaliyhtälö Matematiikka Mathematics 4041 fraktaalit differentiaaliyhtälöt funktiot
topic_facet 4041 Matematiikka Mathematics differentiaaliyhtälöt fraktaali-integraali fraktaaliderivaatta fraktaalidifferentiaaliyhtälö fraktaalit funktiot
url https://jyx.jyu.fi/handle/123456789/43861 http://www.urn.fi/URN:NBN:fi:jyu-201406292177
work_keys_str_mv AT halinenhanna johdatusfraktaaliderivaattoihinjaniidensovelluksiin