Orientador: Rubens de Figueiredo Camargo / Coorientador: Paulo Fernando de Arruda Mancera / Banca: Edmundo de Oliveira Capela / Banca: Alexys Bruno Alfonso / Resumo: Este trabalho trata do Cálculo Fracionário e suas aplicações em problemas biológicos. Nas aplicações nos concentramos no sistema de Lotka-Volterra clássico e fracionário, para depois analisar o controle biológico da praga da cana-de-açúcar. Como trabalho futuro, propomos analisar as aplicações do sistema de Lotka-Volterra fracionário em problemas reais do câncer, com saturação de crescimento tumoral enfocando tratamento quimioterápico / Abstract: This work is about Fractional Calculus and its applications in biological problems. In the applications we focus on the classical Lotka-Volterra system and into the corresponding fractional order version to examine the biological control of sugar cane's pest. As future work, we analyze the fractional system in real problems of cancer, with saturation of tumor growth with a focus on chemotherapy / Mestre

O método das matrizes operacionais é expandido para o corpo complexo a ordens arbitrárias pela abordagem de Riemann-Liouville e Caputo com ênfase nas séries de Fourier complexas. Elabora-se uma adaptação do formalismo bra-ket de Dirac à linguagem tensorial no espaço de Hilbert de funções com expansões finitas para uso específico na teoria de equações diferenciais e matrizes operacionais, denominado \\Formalismo Coadjunto\". Estende-se o tratamento aos operadores fracionais de Weyl para períodos genéricos a fim de determinar as matrizes operacionais de derivação e integração de ordem arbitrária na base complexa de Fourier. Introduz-se um novo método de resolução de equações diferenciais ordinárias lineares e fracionais não-homogêneas, denominado \\Modelagem Operacional\", que permite a obtenção de soluções de equações de alta ordem com grande precisão sem a necessidade de imposição de condições iniciais ou de contorno. O método apresentado é aperfeiçoado por meio de um novo tipo de expansão, que denominamos \"Séries Associadas de Fourier\", a qual apresenta convergência mais rápida que a série de Fourier original numa restrição de domínio, possibilitando soluções de EDOs e EDFs de alta ordem com maior precis~ao e ampliando a esfera de casos passíveis de resolução. / Operational matrices method is expanded to complex field and arbitrary orders by using the Riemann-Liouville and Caputo approach with emphasis on complex Fourier series. Dirac\'s bra-ket notation is associated to tensor procedures in Hilbert spaces for finite function expansions to be applied specifically to dfferential equations and operational matrices, being called \\Coadjoint Formalism\". This treatment is extended to Weyl fractional operators for generic periods in order to establish the integral and derivative operational matrices of fractional order to complex Fourier basis. A new method to solve linear non-homogeneous ODEs and FDEs, called \\Operational Modelling\"is introduced. It yields high precision solutions on high order dfferential equations without assumption of boundary or initial conditions. The presented method is improved by a new kind of function expansion, called \\Fourier Associated Series\", which yields a faster convergence than original Fourier in a restrict domain, enabling to obtain solutions of high order ODEs and FDEs with excellent precision and broadening the set of solvable equations.

Orientador: Edmundo Capelas de Oliveira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-26T02:22:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Contharteze_Eliana_D.pdf: 2292843 bytes, checksum: c606ccefade98acff6e3f2b74c2ac021 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: Apresentamos operadores de integração e derivação fracionárias, que em particular, podem ser utilizados para descrever um processo difusivo anômalo através de uma equação diferencial fracionária. Como aplicação, discutimos uma equação diferencial fracionária associada ao processo de desaceleração de nêutrons, utilizando as transformadas integrais de Laplace e Fourier e através de uma conveniente implementação computacional, obtemos gráficos associados à solução dessa equação. Algumas propriedades dos operadores de integração e derivação fracionárias são mencionadas e utilizadas para escrever o teorema fundamental do cálculo fracionário. A clássica função de Mittag-Leffler, envolvendo um parâmetro e a função de Mittag-Leffler com dois parâmetros desempenham um papel importante no estudo das equações diferenciais fracionárias. A chamada função de Mittag-Leffler com três parâmetros, que generaliza as duas anteriores, emerge naturalmente no estudo da equação diferencial fracionária associada ao problema do telégrafo. Novas representações para as funções de Mittag-Leffler foram obtidas em termos de integrais impróprias de funções trigonométricas, a partir do cálculo da transformada de Laplace inversa sem usar um contorno de integração e como aplicação, encontramos algumas integrais impróprias interessantes que, geralmente, são demonstradas por aproximação com o uso de análise de Fourier ou teoria dos resíduos / Abstract: We present the operators of fractional integration and differentiation, which can be used to describe an anomalous diffusion process by means of a fractional differential equation. As an application we discuss a fractional differential equation associated with the slowing-down of neutrons using Laplace and Fourier transforms. With the help of a convenient computational implementation we obtain graphs of the solutions of this equation. Some properties of the operators of fractional integration and differentiation are mentioned and used to demonstrate the fundamental theorem of fractional calculus. The classical Mittag-Leffler function with one parameter and the Mittag-Leffler function with two parameters play an important role in the study of fractional differential equations. The so-called Mittag-Leffler function with three parameters, which generalizes the previous two functions, naturally arises in the study of the fractional differential equation associated with the telegraph problem. By calculating the inverse Laplace transform without using contour integration we obtain new representations for the Mittag-Leffler functions in terms of improper integrals of trigonometric functions; as an application we obtain some interesting improper integrals which are usually proved by approximation using Fourier analysis or residue theory / Doutorado / Matematica Aplicada / Doutora em Matemática Aplicada

Orientador: Edmundo Capelas de Oliveira / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matemática Estatística e Computação Científica / Made available in DSpace on 2018-08-26T23:00:41Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rodrigues_FabioGrangeiro_D.pdf: 1185818 bytes, checksum: 96f82c6ff4622e4ecdd3ccae79803dae (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: Neste trabalho é apresentado um modo de se obter soluções de um caso particular da equação hipergeométrica confluente, a equação de Bessel de ordem p, utilizando-se da teoria do cálculo de ordem arbitrária, também conhecido popularmente por cálculo fracionário. Em particular, discutimos alguns equívocos identificados na literatura e levantamos questionamentos sobre algumas interpretações a respeito dos operadores formulados segundo Riemann-Liouville quando aplicados a certos tipos de funções. Para tanto, apresentamos inicialmente os operadores de integração e diferenciação fracionárias segundo as formulações mais clássicas (Riemann-Liouville, Caputo e Grünwald-Letnikov) e, em seguida, apresentamos o operador de integrodiferenciação fracionária que é a tentativa de unificar as operações de integração e diferenciação sob um único operador. Ao longo do texto indicamos as principais propriedades destes operadores e citamos algumas das suas aplicações comumente encontrados na Matemática, Física e Engenharias / Abstract: In this thesis we discuss the solvability of the Bessel's differential equation of order p, which is a particular case of the confluent hypergeometric equation, from the perspective of the theory of calculus of arbitrary order, also commonly known as fractional calculus. In particular, we expose some misconceptions encountered in the literature and we raise some questions about interpretations of the Riemann-Liouville operators when acting on certain types of functions. In order to do so, we present the main fractional operators (Riemann-Liouville, Caputo and Grünwald-Letnikov) as well as the fractional integrodifferential operator, which is an unified view of both integration and differentiation under a single operator. We also show the main properties of these operators and mention some of its applications in Mathematics, Physics and Engeneering / Doutorado / Matematica Aplicada / Doutor em Matemática Aplicada

Orientadores: Edmundo Capelas de Oliveira, Ary Orozimbo Chiacchio / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Cientifica / Made available in DSpace on 2018-08-12T21:42:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Camargo_RubensdeFigueiredo_D.pdf: 9956358 bytes, checksum: 45d7b7d76ae44d9b713d341ffc7a1ad5 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Apresentamos neste trabalho um estudo sistemático e detalhado sobre integrais e derivadas de ordens arbitrárias, o assim chamado cálculo de ordem não-inteira, popularizado com o nome de Cálculo Fracionário. Em particular, discutimos e resolvemos equações diferenciais e integrodiferenciais de ordem não-inteira e suas aplicações em diversas áreas do conhecimento, bem como apresentamos resultados inéditos, isto é, teoremas de adição, envolvendo as funções de Mittag-Leffler. Após abordar as diferentes definições para a derivada de ordem não-inteira, justificamos o fato de utilizarmos, em nossas aplicações, a definição de derivada conforme proposta por Caputo, mais restritiva, e não a definição segundo Riemann-Liouville, embora seja esta a mais difundida. Nas aplicações apresentamos uma generalização para a equação diferencial associada ao problema do telégrafo na versão fracionária, cuja solução, obtida de duas maneiras distintas, deu origem a dois novos teoremas de adição envolvendo as funções de Mittag-Leffler. Numa segunda aplicação, discutimos o conhecido sistema de Lotka-Volterra na versão fracionária; por fim, introduzimos e resolvemos uma equação integrodiferencial fracionária, a assim chamada, equação de Langevin generalizada fracionária. / Abstract: At this work we present a systematic and detailed study about integrals and derivatives of arbitrary order, the so-called non-integer order calculus, popularized with the name Fractional Calculus. Particularly, we discuss and solve non-integer order differential and integrodifferential equations and its applications into several areas of the knowledge, as well as introduce some new results, i.e., addition theorems, involving the Mittag-Leffler functions. After approaching the different definitions to the non-integer order derivative, we justify the fact that we use, in our applications, the definition proposed by Caputo to the fractional derivative, which is more restrictive, instead of the Riemann-Liouville ones, although this one is best known. Into the applications we presented a fractional generalization to the equation associated with the telegraph's problem, whose solution, obtained by two different ways, was the origin of two new addition theorems to the Mittag-Leffler functions. As a second application, we present the fractional version of the Lotka-Volterra system; finally, we introduce and solve the fractional generalized Langevin equation. / Doutorado / Doutor em Matemática

Orientador: Edmundo Capelas de Oliveira / Dissertação (mestrado profissional) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Matematica, Estatistica e Computação Cientifica / Made available in DSpace on 2018-08-11T17:01:55Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rosendo_DaniloCastro_M.pdf: 1231397 bytes, checksum: 33e1a80ea06fa615b7b7aec7917bbbe2 (MD5) Previous issue date: 2008 / Resumo: Neste trabalho abordamos um estudo da equação diferencial ordinária, linear, homogênea de segunda ordem com três singularidades regulares, incluindo uma no infinito de onde obtivemos a equação hipergeométrica e, através do método de Frobenius, introduzimos a função hipergeométrica com singularidade na origem. Por um conveniente processo de limite na equação hipergeométrica obtivemos a equação hipergeométrica confluente, bem como a função hipergeométrica confluente. Apresentamos a função de Mittag-Le²er como uma generalização da função exponencial e suas relações com outras funções, em especial com a função hipergeométrica confluente. Abordamos o conceito de integral e derivada de ordens fracionárias de algumas funções conhecidas. Através da metodologia da transformada de Laplace discutimos uma equação diferencial fracionária com coeficientes constantes de onde emergem as funções de Mittag-Leffler. Por fim, definimos as equações diferenciais fracionárias e, como aplicação, efetuamos um estudo sistemático do oscilador harmônico fracionário. / Abstract: This work presents an introductory study of a second order, linear and homogeneous, ordinary differential equation with three singular regular points, including a singularity at the infinity. We obtain the hypergeometric equation and, by means of the Frobenius method, we introduce the hypergeometric function which is regular at the origin. By a convenient limit process we obtain the confluent hypergeometric equation which has the confluent hypergeometric function as a regular solution at the origin. We introduce the Mittag-Leffler function as a generalization of the exponential function and present a relation with the confluent hypergeometric function. Finally, we present the so-called fractional ordinary differential equation and as an application we discuss the fractional harmonic oscillator / Mestrado / Mestre em Matemática

Orientador: Rubens de Figueiredo Camargo / Resumo: O presente trabalho apresenta a nova modelagem fracionária, que considera propriedades hereditárias e efeitos de memória, no modelo de Gompertz, para descrever a evolução do câncer causado pela infecção do HPV 16. Devido a variabilidade do desenvolvimento do câncer em humanos, utiliza-se o crescimento in vivo do tumor em camundongo transgênico que expressam os oncogenes E6 e E7 tratados com DMBA / TPA (inicializador e promotor do HPV 16) para capturar as características gerais dessa variabilidade. Resultados mostram que a inserção de um novo parâmetro na correção dimensional da modelagem fracionária, descreve, em comparação ao modelo clássico, o progresso do volume tumoral em maior conformidade com os conjuntos de dados reais. / Abstract: The present work presents the fractional modeling, which considers hereditary properties and memory effects, to describe through the Gompertz model, the evolution of cancer caused by HPV 16 infection. Due to the variability of the development of cancer in humans, we used the in vivo growth of the transgenic mouse tumor expressing DMBA / TPA-treated E6 and E7 oncogenes (HPV 16 initiator and promoter) to capture the general characteristics of this variability. Results show that the insertion of a new parameter in the dimensional correction of fractional modeling describes, compared to the classical model, the progress of tumor volume in greater concorda with the actual data sets. / Doutor

Submitted by LUCAS KENJY BAZAGLIA KURODA null (lucaskuroda@ibb.unesp.br) on 2016-04-15T18:44:12Z No. of bitstreams: 1 Dissertacao_Lucas.pdf: 6780478 bytes, checksum: 57d28e20a68fa0c65cd5e519b8657401 (MD5) / Approved for entry into archive by Felipe Augusto Arakaki (arakaki@reitoria.unesp.br) on 2016-04-18T19:59:31Z (GMT) No. of bitstreams: 1 kuroda_lkb_me_bot.pdf: 6780478 bytes, checksum: 57d28e20a68fa0c65cd5e519b8657401 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-04-18T19:59:31Z (GMT). No. of bitstreams: 1 kuroda_lkb_me_bot.pdf: 6780478 bytes, checksum: 57d28e20a68fa0c65cd5e519b8657401 (MD5) Previous issue date: 2016-02-29 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Um dos problemas de saúde mais conhecidos e temidos atualmente e o câncer. Hoje em dia, existem diversos estudos e trabalhos acerca do tratamento e combate desta doença. Nesse sentido, este trabalho utiliza o Cálculo Fracionário (generalização do cálculo usual, com integração e diferenciação de ordens arbitrárias) para descrever o comportamento do número de células tumorais sob a ação do sistema imunológico e do tratamento quimioterápico. Para isso, dividimos a apresentação deste trabalho em três etapas. Primeiramente, é apresentado um estudo do Cálculo Fracionário, suas principais definições, transformadas de Laplace e funções especiais relacionadas. No segundo momento, é apresentado o método "Multi-Step Generalized Differential Transform Method" (MSGDTM), utilizado para resolver sistemas de equações diferenciais fracionárias. Por fim, a versão fracionária de um modelo de dinâmica tumoral e apresentado e discutido. É observado que uma mudança na ordem da derivada fracionária gera uma mudança no comportamento da dinâmica tumoral, apresentada pelo modelo clássico. / One of the most known and feared health problems is cancer. Nowadays, there are several studies and works about the treatment and combat to this disease. In this sense, this work uses the fractional calculus (generalization of the usual calculus, with integration and differentiation of arbitrary orders) to describe the behavior of the number of tumor cells under the action of the immune system and chemotherapy. To do this, we divide the presentation of this work in three stages. First, a study of Fractional Calculus, its main de nitions, Laplace transforms and special functions, are presented. In the second phase, the "Multi-Step Generalized Differential Transform Method" (MSGDTM) is displayed and used to solve fractional differential equations. Finally, the fractional version of a tumor dynamics model is presented and discussed. It is observed that a change in the order of fractional derivative generates a change in behavior of the tumor dynamics, presented by the classical model.

Submitted by Arianne Vellasco Gomes (ariannevellasco@gmail.com) on 2018-06-15T18:52:22Z No. of bitstreams: 1 Arianne_Vellasco_Gomes_TESE_POSMAT_2018.pdf: 4211125 bytes, checksum: 16221f3149817fbc6e4db2f2026f2f14 (MD5) / Approved for entry into archive by Lucilene Cordeiro da Silva Messias null (lubiblio@bauru.unesp.br) on 2018-06-18T17:39:32Z (GMT) No. of bitstreams: 1 gomes_av_dr_bauru.pdf: 3510911 bytes, checksum: 2abe98b4f93107bb6dc267a184ebef70 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-06-18T17:39:32Z (GMT). No. of bitstreams: 1 gomes_av_dr_bauru.pdf: 3510911 bytes, checksum: 2abe98b4f93107bb6dc267a184ebef70 (MD5) Previous issue date: 2018-04-17 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Tópicos fundamentais da estrutura eletrônica de materiais cristalinos, são investigados de forma generalizada mediante o Cálculo Fracionário. São calculadas as bandas de energia, as funções de Bloch e as funções de Wannier, para a equação de Schrödinger fracionária com derivada de Riesz. É apresentado um estudo detalhado do caráter não local desse tipo de derivada fracionária. Resolve-se a equação de Schrödinger fracionária para o modelo de Kronig-Penney e estuda-se os efeitos da ordem da derivada e da intensidade do potencial. Verificou-se que, ao passar da derivada de segunda ordem para derivadas fracionárias, o comportamento assintótico das funções de Wannier muda apreciavelmente. Elas perdem o decaimento exponencial, e exibem um decaimento acentuado em forma de potência. Fórmulas simples foram dadas para as caudas das funções de Wannier. A banda de energia mais baixa mostrou-se estar relacionada ao estado ligado de um único poço quântico. Sua função de onda também apresentou decaimento em lei de potência. As bandas de energia superiores mudam de comportamento em função da intensidade do potencial. No caso inteiro, a largura de cada uma dessas bandas diminui. No caso fracionário, diminui inicialmente e depois volta a aumentar, aproximando-se de um valor infinito à medida que a intensidade do potencial tende ao infinito. O grau de localização das funções de Wannier, expresso pelo desvio padrão da posição, mostra um comportamento similar ao da largura das bandas de energia. Além dos cristais perfeitos a Ciência de Materiais estuda cristais com defeito. Os defeitos são responsáveis por muitas propriedades de interesse tecnológico e podem induzir estados localizados. Neste trabalho, calculado o estado localizado de menor energia no modelo de Kronig-Penney fracionário com defeito, mediante método das transformadas de Fourier e das funções de Wannier. Verificou-se que este estado também decai em forma de lei de potência. / Basics topics on the electronic structure of crystalline materials are investigated in a generalized fashion through Fractional Calculus. The energy bands, the Bloch and Wannier functions for the fractional Schr odinger equation with Riesz derivative are calculated. The non-locality of the Riesz fractional derivative is analyzed. The fractional Schr odinger equation is solved for the Kronig-Penney model and the e ects of the derivative order and the potential intensity are studied. It was shown that moving from the integer to the fractional order strongly a ects the asymptotic behavior of the Wannier functions. They lose the exponential decay, gaining a strong power-law decay. Simple formulas have been given for the tails of the Wannier functions. A close relatim between the lowest energy band and the bound state of a single quantum well was found. The wavefunction of the latter decays as a power law. Higher energy bands change their behavior as the periodic potential gets stronger. In the integer case, the width of each one of those bands decreases. In the fractional case, it initially decreases and then increases. The width approaching a nite value as the strength tends to in nity. The degree of localization of the Wannier functions, as expressed by the position standard deviation, behaves similarly to the width of the energy bands. In addition to perfect crystals, Materials Science studies defective crystals. Defects are responsible for many properties of technological interest and can induce localized states. In this work, the localized state of lowest energy in the fractional Kronig-Penney model with defect is calculated through of the Fourier transform method and the Wannier functions. It was shown that is decays as a power law.

Orientador: Rubens de Figueiredo Camargo / Resumo: Um dos problemas de saúde mais conhecidos e temidos atualmente e o câncer. Hoje em dia, existem diversos estudos e trabalhos acerca do tratamento e combate desta doença. Nesse sentido, este trabalho utiliza o Cálculo Fracionário (generalização do cálculo usual, com integração e diferenciação de ordens arbitrárias) para descrever o comportamento do número de células tumorais sob a ação do sistema imunológico e do tratamento quimioterápico. Para isso, dividimos a apresentação deste trabalho em três etapas. Primeiramente, é apresentado um estudo do Cálculo Fracionário, suas principais definições, transformadas de Laplace e funções especiais relacionadas. No segundo momento, é apresentado o método "Multi-Step Generalized Differential Transform Method" (MSGDTM), utilizado para resolver sistemas de equações diferenciais fracionárias. Por fim, a versão fracionária de um modelo de dinâmica tumoral e apresentado e discutido. É observado que uma mudança na ordem da derivada fracionária gera uma mudança no comportamento da dinâmica tumoral, apresentada pelo modelo clássico. / Abstract: One of the most known and feared health problems is cancer. Nowadays, there are several studies and works about the treatment and combat to this disease. In this sense, this work uses the fractional calculus (generalization of the usual calculus, with integration and differentiation of arbitrary orders) to describe the behavior of the number of tumor cells under the action of the immune system and chemotherapy. To do this, we divide the presentation of this work in three stages. First, a study of Fractional Calculus, its main de nitions, Laplace transforms and special functions, are presented. In the second phase, the "Multi-Step Generalized Differential Transform Method" (MSGDTM) is displayed and used to solve fractional differential equations. Finally, the fractional version of a tumor dynamics model is presented and discussed. It is observed that a change in the order of fractional derivative generates a change in behavior of the tumor dynamics, presented by the classical model. / Mestre