Luận án tiến sĩ một số vấn đề về phương trình vi phân phân thứ caputo ngẫu nhiên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ PHAN THỊ HƯƠNG MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN PHÂN THỨ CAPUTO NGẪU NHIÊN LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC HÀ NỘI - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ PHAN THỊ HƯƠNG MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ PHƯƠNG TRÌNH VI PHÂN PHÂN THỨ CAPUTO NGẪU NHIÊN CHUYÊN NGÀNH: TOÁN ỨNG DỤNG MÃ SỐ: 46 01 12 LUẬN ÁN TIẾN SĨ TOÁN HỌC Cán hướng dẫn khoa học: PGS TSKH Đoàn Thái Sơn TS Tạ Ngọc Ánh HÀ NỘI - 2020 i Mục lục Lời cam đoan Lời cảm ơn Mở đầu Bảng ký hiệu 11 Chương Một số kiến thức chuẩn bị 13 1.1 1.2 Một số kiến thức giải tích ngẫu nhiên 13 1.1.1 Chuyển động Brown 13 1.1.2 Tích phân ngẫu nhiên Itơ 15 1.1.3 Phương trình vi phân ngẫu nhiên 19 Một số kiến thức giải tích phân thứ 22 1.2.1 Tích phân đạo hàm phân thứ 22 1.2.2 Phương trình vi phân phân thứ Caputo 24 Chương Một số tính chất nghiệm phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên 2.1 Sự tồn nghiệm cổ điển phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên 2.2 28 Sự phụ thuộc liên tục vào giá trị ban đầu nghiệm phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên 2.3 27 36 Sự tồn nghiệm nhẹ phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên 39 ii 2.4 Công thức biến thiên số cho phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên 2.5 41 Cận cho phân tách tiệm cận hai nghiệm phân biệt phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên 49 Chương Lược đồ số kiểu Euler-Maruyama cho phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên 3.1 3.2 3.3 57 Lược đồ số kiểu Euler-Maruyama cho phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên 58 Tốc độ hội tụ lược đồ số kiểu Euler-Maruyama 59 3.2.1 Tốc độ hội tụ lược đồ số kiểu Euler-Maruyama 59 3.2.2 Ví dụ 70 Lược đồ Euler-Maruyama mũ cho phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên chiều tuyến tính 73 3.3.1 Lược đồ Euler-Maruyama mũ 73 3.3.2 Tốc độ hội tụ ổn định lược đồ Euler-Maruyama mũ 74 Kết đạt 84 Hướng nghiên cứu 85 Danh mục cơng trình khoa học tác giả có liên quan đến luận án 86 Bảng thuật ngữ 87 Tài liệu tham khảo 88 Lời cam đoan Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tôi, hướng dẫn cán tập thể hướng dẫn khoa học Các kết viết chung với tác giả khác trí đồng tác giả đưa vào luận án Các kết luận án hoàn tồn trung thực chưa cơng bố cơng trình tác giả khác Các tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ NCS Phan Thị Hương Lời cảm ơn Bản luận án hồn thành Bộ mơn Tốn, Khoa Cơng nghệ Thơng tin, Học viện Kỹ thuật Quân sự hướng dẫn PGS TSKH Đoàn Thái Sơn TS Tạ Ngọc Ánh Trong trình học tập nghiên cứu, tác giả nhận động viên, khuyến khích bảo tận tình tập thể giáo viên hướng dẫn Các thầy không quản công sức, dành nhiều thời gian thảo luận, rèn giũa định hướng cho trò Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc tới hai Thầy Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn thầy Bộ mơn Tốn, Học viện Kỹ thuật Qn thầy Viện Tốn học-Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam quan tâm giúp đỡ, động viên cho nghiên cứu sinh ý kiến đóng góp quý báu Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS TS Ngô Hoàng Long, TS Phạm Thế Anh, TS Bùi Văn Định, TS Nguyễn Như Thắng, anh chị bạn bè đồng nghiệp bên cạnh động viên, dạy giúp đỡ nghiên cứu sinh trình học tập nghiên cứu Nghiên cứu sinh trân trọng gửi lời cảm ơn đến Ban Giám đốc, Phòng Sau đại học, Ban Chủ nhiệm Khoa Công nghệ Thông tin, Hệ quản lý Học viên Sau đại học, Học viện Kỹ thuật Quân giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả thời gian làm nghiên cứu sinh Tác giả thành kính dâng tặng quà tinh thần đến gia đình thân yêu với lịng biết ơn sâu sắc Bản luận án khơng thể hồn thành khơng có cảm thông giúp đỡ người thân gia đình tác giả Tác giả Mở đầu Lịch sử vấn đề lý chọn đề tài Phép tính vi phân, tích phân cơng cụ phổ biến để mơ tả q trình tiến hóa (xem [25, 43, 55]) Thơng thường, q trình tiến hóa biểu diễn phương trình vi phân thường Bằng việc nghiên cứu (định tính định lượng) nghiệm phương trình, người ta biết trạng thái thời dự đoán dáng điệu q khứ hay tương lai q trình Tuy nhiên, tượng hay gặp sống có tính chất phụ thuộc vào q khứ (xem [11, 12, 29]) Đối với tượng này, việc ngoại suy dáng điệu hệ thời điểm tương lai từ khứ phụ thuộc vào quan sát địa phương lẫn toàn khứ Hơn nữa, phụ thuộc nói chung khơng giống tất thời điểm Một lý thuyết xây dựng để giải toán thực tế vừa nêu giải tích phân thứ (xem [18, 21, 35, 36, 45, 46, 53]) Mặc dù nghiên cứu từ lâu lý thuyết giải tích phân thứ phát triển tương đối chậm Một nguyên nhân người ta chưa tìm thấy ý nghĩa hình học hay vật lý toán tử đạo hàm phân thứ Thật ra, hạn chế vừa nêu mang tính lý thuyết Vai trò quan trọng lý thuyết giải tích phân thứ ứng dụng giải tốn thực tế (xem [11, 12, 44, 51]) Lý thuyết có ưu so với phép tính vi phân, tích phân cổ điển mơ q trình có trí nhớ Cùng với phát triển máy tính điện tử phương pháp tính, bốn thập kỷ gần đây, người ta phát ngày nhiều ứng dụng giải tích phân thứ ngành khoa học khác từ Vật lý, Hóa học, Sinh học đến Tài chính, Khoa học xã hội, Một sách viết ứng dụng giải tích phân thứ [41] Trong sách này, K Oldham J Spenier trình bày nhiều ý tưởng, phương pháp ứng dụng giải tích phân thứ Sau [41], nhiều cơng trình phương diện khác lý thuyết cơng bố Nổi bật số sách S Samko, O Marichev, A Kilbas [49], M Caputo [10], R Gorenflo S Vessella [22], K Miller B Ross [38], A Carpinteri F Mainardi [14] Rất gần có thêm chuyên khảo đáng ý K Diethelm [19], V Lakshmikantham, S Leela J Vasundhara Devi [32], B Bandyopadhyay S Kamal [9] Có nhiều loại đạo hàm phân thứ khác tùy thuộc vào cách người ta tổng quát hóa đạo hàm dn dxn f (x) cho trường hợp n không nguyên Tuy nhiên, hai khái niệm dùng phổ biến đạo hàm Riemann-Liouville đạo hàm Caputo Đạo hàm phân thứ Riemann-Liouville phát triển Abel, Riemann Liouville nửa đầu kỷ 19 (xem [18, 45]) Tuy nhiên, áp dụng khái niệm để mơ tả tượng thực tế gặp hạn chế điều kiện ban đầu tốn giá trị ban đầu khơng có ý nghĩa vật lý Đạo hàm phân thứ Caputo M Caputo xây dựng năm 1969 (xem [10]) Định nghĩa đạo hàm xây dựng dựa cải biên khái niệm đạo hàm RiemannLiouville với mục đích ban đầu giải toán nhớt So với đạo hàm phân thứ Riemann-Liouville, đạo hàm Caputo dễ áp dụng cho toán thực tế điều kiện ban đầu mơ hình sử dụng đạo hàm Caputo có ý nghĩa vật lý (xem [19]) Lý thuyết giải tích phân thứ ngày trở nên phổ biến phát triển nhanh (xem thêm [4, 7, 8, 15, 27, 52]) Nhiều kết lý thuyết ứng dụng thực tế tìm ngày nhiều (xem [42, 52]) ngồi người đọc tham khảo [36] Đây sách gồm tám tác giả viết năm 2019, trình bày cách hệ thống lý thuyết giải tích phân thứ, giải số phương trình vi phân phân thứ ứng dụng Vật lý, Điều khiển, Kỹ thuật, sống Khoa học xã hội Lý thuyết phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên hướng nghiên cứu tương đối sinh từ lý thuyết phương trình vi phân phân thứ Caputo lý thuyết xác suất Nó nhấn mạnh tới khía cạnh giới ta sống bao gồm nhiều yếu tố ngẫu nhiên Bằng cách kết hợp kết hai ngành sở trên, lý thuyết phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên nhận lợi hai ngành đưa mơ hình tốn học thích hợp cho tượng tự nhiên xã hội Phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên mở rộng tự nhiên phương trình vi phân phân thứ, nhận nhiều quan tâm nhà tốn học giới thực tế hệ phân thứ xuất nhiều mô hình Cơ học, Vật lý, Kỹ thuật điện tử, Lý thuyết điều khiển, , chi tiết tham khảo [19, 44] nhiều tài liệu chuyên khảo khác Tuy nhiên, tương phản số lớn cơng bố phương trình vi phân phân thứ tất định, có số báo liên quan đến phương trình vi phân ngẫu nhiên với đạo hàm phân thứ Caputo hầu hết báo dừng lại việc thiết lập kết tồn nghiệm nghiên cứu tính quy nghiệm (xem [48, 56, 57]) Ở phân biệt hai loại nghiệm, loại nghiệm nghiệm cổ điển (classical solutions) theo hiểu biết tác giả, câu hỏi tồn nghiệm loại đề cập [56, 57] Trong [57], tác giả chưa chứng minh tồn nghiệm cổ điển với bậc phân thứ α ∈ ( 21 , 34 ) [56] việc chứng minh định lý tồn nghiệm cổ điển toàn cục gặp vấn đề thác triển nghiệm cổ điển từ khoảng nhỏ [0, Ta ] toàn khoảng [0, ∞) Luận án khắc phục hạn chế Ngồi ra, chúng tơi cịn đưa cơng thức biến thiên số số tính chất nghiệm phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên Loại nghiệm thứ hai nghiệm nhẹ (mild solutions), tồn loại nghiệm nghiên cứu [48] cho lớp phương trình rộng Tuy nhiên, điều kiện đưa báo chặt (xem [48, Định lý 4.2]) Với điều kiện yếu (xem Định lý 2.3.2 Mục 2.3 Chương 2), chứng minh tồn nghiệm nhẹ cho phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên Việc giải số phương trình vi phân phương trình vi phân ngẫu nhiên tốn có nhiều ý nghĩa ứng dụng Thực tế phương trình vi phân ngẫu nhiên giải nghiệm hiển tìm nghiệm hiển biểu thức phức tạp Vì vậy, nhiều thập kỷ qua, toán thu hút nhiều quan tâm nhà toán học giới (xem [30, 37, 39]) Tương tự thế, việc giải số phương trình vi phân phân thứ phương trình vi phân phân thứ ngẫu nhiên thú vị Đối với phương trình vi phân phân thứ tất định, phương pháp giải số xây dựng cách có hệ thống đầy đủ (xem [19, 36]) Tuy nhiên, theo hiểu biết nghiên cứu sinh việc giải số phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên đề cập [59] Tác giả báo đưa lược đồ Euler cho phương trình Volterra ngẫu nhiên với nhân kỳ dị chưa đưa tốc độ hội tụ hiển lược đồ Tiếp nối hướng nghiên cứu dựa theo ý tưởng báo [59], thiết lập lược đồ số cho phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên đánh giá tốc độ hội tụ hiển lược đồ số Ngồi ra, chúng tơi cịn đưa tốc độ hội tụ tính ổn định lược đồ Euler-Maruyama mũ cho phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên chiều tuyến tính Mục tiêu nghiên cứu Trong luận án này, tập trung nghiên cứu chủ điểm sau lý thuyết phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên: (i) Một số tính chất nghiệm phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên (ii) Giải số nghiệm phương trình vi phân phân thứ Caputo ngẫu nhiên ϕ ( t, η ) − ψ ( t, η ) , C + Ξ( τ ) dW τ * + Z T d X ξi (τ ) dWτ ≤ d ϕi (t, η ) − ψi (t, η ), ci +