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Entropy Production Rates of the Multi-Dimensional Fractional Diffusion Processes

机译:多维分数扩散过程的熵生产率

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摘要

Our starting point is the n-dimensional time-space-fractional partial differential equation (PDE) with the Caputo time-fractional derivative of order β,0<β<2 and the fractional spatial derivative (fractional Laplacian) of order α,0<α≤2. For this equation, we first derive some integral representations of the fundamental solution and then discuss its important properties including scaling invariants and non-negativity. The time-space-fractional PDE governs a fractional diffusion process if and only if its fundamental solution is non-negative and can be interpreted as a spatial probability density function evolving in time. These conditions are satisfied for an arbitrary dimension n∈N if 0<β≤1,0<α≤2 and additionally for 1<β≤α≤2 in the one-dimensional case. In all these cases, we derive the explicit formulas for the Shannon entropy and for the entropy production rate of a fractional diffusion process governed by the corresponding time-space-fractional PDE. The entropy production rate depends on the orders β and α of the time and spatial derivatives and on the space dimension n and is given by the expression βnαt, t being the time variable. Even if it is an increasing function in β, one cannot speak about any entropy production paradoxes related to these processes (as stated in some publications) because the time-space-fractional PDE governs a fractional diffusion process in all dimensions only under the condition 0<β≤1, i.e., only the slow and the conventional diffusion can be described by this equation.
机译:我们的起始点是N维度 - 空间 - 分数部分微分方程(PDE),具有顺序β,0 <β<2和顺序α的分数空间衍生物(分数Laplacian)的Caputo时间分数衍生物,0 <。 α≤2。对于这个等式,我们首先导出了基本解决方案的一些积分表示,然后讨论其重要属性,包括缩放不变性和非消极性。时间空间 - 分数PDE如果才能且仅当其基本解决方案是非负数并且可以被解释为时空的空间概率密度函数而才能控制分数扩散过程。如果0 <β≤1,0<α≤2,则对任意尺寸N∈N表示满足这些条件,并且在一维外壳中另外进行1 <β≤α≤2。在所有这些情况下,我们都派生了Shannon熵的明确公式,以及由相应的时空分数PDE管辖的分数扩散过程的熵产生率。熵产生率取决于时间和空间衍生物的订单β和α以及空间尺寸n,并且由表达βnαt,t是时间变量给出。即使是β的越来越多的函数,也不能谈论与这些过程相关的任何熵产生悖论(如某些出版物所述),因为时间 - 分数PDE仅在条件0下仅在所有尺寸下管理分数扩散过程<β≤1,即,该等式可以仅描述慢速和传统的扩散。

著录项

  • 期刊名称 Entropy
  • 作者

    Yuri Luchko;

  • 作者单位
  • 年(卷),期 2019(21),10
  • 年度 2019
  • 页码 973
  • 总页数 12
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种
  • 中图分类
  • 关键词

    机译:时间空间分数扩散方程;基本解决方案;MELLIN-BARNES INESTORAL;SHANNON熵;熵生产率;
  • 入库时间 2022-08-21 12:21:00

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