Abstract
In this article, effective techniques are described to solve numerically the Fredholm integro-differential equations of multi-fractional order that lie in (0,1] in the Caputo sense (FIFDEs). The approach uses finite difference approximation to Caputo derivative utilizing collocation points and is based on the quadrature rule, Trapezoidal, and Simpson process. Our method simplifies the evaluation of treatments by transforming the FIFDEs into algebraic equations with operational matrices. After calculating the Caputo derivative at a specific point using the finite difference method, we use the quadrature method, which includes the trapezoidal and Simpson rules, to create a finite difference formula for our fractional equation. Additionally, numerical examples are provided to demonstrate the validity and use of the approach as well as comparisons with earlier findings. The aforementioned procedure has been used to construct algorithms for treating FIFDEs. A MATLAB program is created to express these solutions. Furthermore, some numerical tests are provided to demonstrate the method's accuracy.
Keywords
Caputo-fractional derivative
forward difference approximation.
Fractional Calculus
integral-differential equation
Newton-Cotes Quadrature Technique
Simpson’s Method
Trapezoidal Method
Abstract
في هذه المقالة، تُعرض تقنيات فعّالة لحل معادلات فردهولم التكاملية-التفاضلية ذات الرتب الكسرية المتعددة عددياً، والتي تقع رتبها ضمن المجال المفتوح )0,1[ وفقاً لتعريف كابوتو. وتعتمد المنهجية المقترحة على تقريب الفروق المحدودة لمشتقة كابوتو باستخدام نقاط التجميع مستندةً إلى قواعد التربيع، وتحديداً طريقتي شبه المنحرف وسيمبسون.
تُسهِم هذه الطريقة في تبسيط عمليات المعالجة من خلال تحويل معادلات فردهولم التكاملية-الكسيرية إلى معادلات جبرية باستخدام مصفوفات تشغيلية. وبعد حساب مشتقة كابوتو في نقطة معينة باستخدام طريقة الفروق المحدودة، يتم تطبيق طريقة التربيع التي تتضمن قواعد شبه المنحرف وسيمبسون، لبناء صيغة عددية تعتمد على الفروق المحدودة للمعادلة الكسرية.
كما تتضمن الدراسة عرضاً لأمثلة عددية تُبيّن صحة وكفاءة المنهج المتبع، إلى جانب مقارنات مع نتائج سابقة منشورة. وقد استُخدم هذا الأسلوب في تصميم خوارزميات لحل معادلات فردهولم التكاملية-الكسيرية، وتم تنفيذ الحلول باستخدام برنامج ماتلاب. إضافةً إلى ذلك، تم إجراء اختبارات عددية لتوضيح دقة الطريقة المقترحة وفعاليتها.
تُسهِم هذه الطريقة في تبسيط عمليات المعالجة من خلال تحويل معادلات فردهولم التكاملية-الكسيرية إلى معادلات جبرية باستخدام مصفوفات تشغيلية. وبعد حساب مشتقة كابوتو في نقطة معينة باستخدام طريقة الفروق المحدودة، يتم تطبيق طريقة التربيع التي تتضمن قواعد شبه المنحرف وسيمبسون، لبناء صيغة عددية تعتمد على الفروق المحدودة للمعادلة الكسرية.
كما تتضمن الدراسة عرضاً لأمثلة عددية تُبيّن صحة وكفاءة المنهج المتبع، إلى جانب مقارنات مع نتائج سابقة منشورة. وقد استُخدم هذا الأسلوب في تصميم خوارزميات لحل معادلات فردهولم التكاملية-الكسيرية، وتم تنفيذ الحلول باستخدام برنامج ماتلاب. إضافةً إلى ذلك، تم إجراء اختبارات عددية لتوضيح دقة الطريقة المقترحة وفعاليتها.
Keywords
حساب الكسور، المشتقة الكسرية كابوتو، المعادلة التكاملية التفاضلية، تقنية تربيع نيوتن-كوت، طريقة شبه المنحرف، طريقة سيمبسون، تقريب الفرق الأمامي.