• شماره ركورد
    25347
  • شماره راهنما
    MAT2 721
  • عنوان

    روش طيفي پتروف-گالركين با پيچيدگي محاسباتي خطي براي حل معادلات ديفرانسيل مرتبه‌ي كسري در دامنه‌ي نيمه‌نامتناهي

  • مقطع تحصيلي
    كارشناسي ارشد
  • رشته تحصيلي
    رياضي كاربردي - آناليز عددي
  • دانشكده
    رياضي و آمار
  • تاريخ دفاع
    1404/07/30
  • صفحه شمار
    130 ص .
  • استاد راهنما
    حسن خسرويان عرب
  • كليدواژه فارسي
    دقت طيفي , پيچيدگي خطي , جواب‌هاي منفرد , دقت قابل تنظيم (اصلاح) , مرتبه‌ي متغير , روش طيفي پتروف , گالركين
  • چكيده فارسي
    در سال‌هاي اخير، مدل‌هاي رياضي مبتني بر مشتقات مرتبه كسري به طور گسترده‌اي در حل مسائل پيچيده در حوزه‌هايي مانند علوم پايه، فيزيك و پزشكي به‌كار گرفته شده‌اند. اين مدل‌ها به دليل توانايي بالا در تحليل دقيق‌تر پديده‌هاي طبيعي و پيش‌بيني رفتار سيستم‌ها، اهميت ويژه‌اي يافته‌اند. از سوي ديگر، مسئله شتورم-ليوويل يكي از مسائل اساسي در حوزه‌هاي علوم و مهندسي، نقش بسزايي در پيشرفت و توسعه‌ي اين حوزه‌ها ايفا كرده است. همچنين، بهره‌گيري از روش‌هاي طيفي براي ساخت پايه‌هاي دقيق‌تر، به ‌ويژه در مسائل پيچيده، همواره مورد توجه پژوهشگران بوده‌ است. در اين پايان‌نامه، مسئله شتورم-ليوويل مرتبه ‌كسري در دامنه‌ي نيمه‌‌نامتناهي مورد بررسي قرار گرفته و پايه‌هاي جديدي به دست آمده‌اند كه به عنوان جواب‌هاي مسئله شتورم-ليوويل كسري قابل استفاده‌اند. به همين منظور، يك روش طيفي جديد به نام لاگر پتروف-گالركين معرفي شده است؛ روشي تطبيقي كه به طور خاص براي حل مسائل اوليه با مشتقات كسري از مرتبه حداكثر يك و ضرايب ثابت در دامنه نيمه‌‌نامتناهي طراحي شده است. روش پيشنهادي منجر به تشكيل معادله‌اي ماتريسي با ساختاري خاص مي‌شود كه امكان حل آن با پيچيدگي زماني ο(Ν logΝ) فراهم است؛ اين امر منجر به افزايش چشمگير كارايي محاسبات در حل معادلات كسري مي‌شود. در اين راستا، از روابط بازگشتي توابع لاگر تعميم يافته بهره گرفته شده تا فرمول‌هايي براي اجزاي ماتريس‌هاي سختي و جرم استخراج گردد. اين اجزا به ‌گونه‌اي طراحي شده‌اند كه به صورت حاصل ‌ضرب يك ماتريس قطري و يك ماتريس پايين‌مثلثي توپليتز قابل تفكيك هستند، كه اين ويژگي به‌طور قابل ‌توجهي سرعت محاسبات را در حل معادلات ديفرانسيل كسري افزايش مي‌دهد. علاوه بر اين، اين روش به حل معادلات ديفرانسيل شامل چندين مشتق مرتبه كسري نيز تعميم يافته است. در اين حالت، معادلات با استفاده از تقريب‌هاي چندجمله‌اي خطي و قاعده گاوس-لژاندر بازنويسي شده و قابل‌ حل مي‌شوند.
  • كليدواژه لاتين
    Spectral Accuracy , Linear Complexity , Singular Solutions , Tunable Accuracy , Distributed Order , Petrov-Galerkin Spectral Method
  • عنوان لاتين
    A Petrov–Galerkin Spectral Method of Linear Complexity for Solving Fractional Differential Equations on the Half Line
  • گروه آموزشي
    رياضي كاربردي و علوم كامپيوتر
  • چكيده لاتين
    In recent years, mathematical models involving fractional-order derivatives have garnered significant attention for addressing complex problems across various disciplines, including the basic sciences, physics, an‎d medicine. Owing to their superior capability in accurately modeling natural phenomena an‎d predicting the behavior of dynamic systems, these models have become increasingly vital. Concurrently, the Sturm–Liouville problem stan‎ds as a cornerstone in scientific an‎d engineering domains, playing a crucial role in the theoretical an‎d numerical development of these fields. Moreover, spectral methods have consistently been of interest for constructing accurate basis functions, especially when dealing with challenging an‎d highdimensional problems. This thesis investigates the fractional-order Sturm–Liouville problem defined on a semi-infinite domain an‎d derives a new family of basis functions that serve as its solutions. To facilitate this, a novel an‎d flexible spectral scheme—referred to as the Laguerre Petrov–Galerkin method—is introduced. This method is specifically designed to solve initial value problems involving constantcoefficient fractional derivatives of order up to one on unbounded (semi-infinite) domains. The proposed scheme results in a structured matrix system that can be solved with a computational complexity of O(N logN), significantly improving the efficiency of fractional differential equation solvers. To derive closed-form expressions for the entries of the mass an‎d stiffness matrices, recurrence relations for generalized Laguerre functions are exploited. The resulting matrices are constructed in a separable form as the product of a diagonal matrix an‎d a lower-triangular Toeplitz matrix, which drastically reduces computational cost an‎d enhances performance in numerical simulations. Additionally, this method is extended to fractional differential equations involving multiple fractional derivatives. In such cases, the equations are reformulated into systems of linear algebraic equations through appropriate polynomial approximations an‎d the application of the Gauss–Legendre quadrature rule, making them amenable to efficient numerical solution.
  • تعداد فصل ها
    5
  • فهرست مطالب pdf
    150267
  • نويسنده

    نقدعلي فروشاني، زهرا