From random times to fractional kinetics
DOI:
https://doi.org/10.31392/iscs.2020.16.005Ключові слова:
Bernstein functions, general fractional derivative, configuration space, Karamata’s Tauberian theorem, subordination principle, traveling wavesАнотація
In this paper we study the effect of the subordination by a
general random time-change to the solution of a model on spatial eco-
logy in terms of its evolution density. In particular on traveling waves
for a non-local spatial logistic equation. We study the Cesaro limit of
the subordinated dynamics in a number of particular cases related to the
considered fractional derivative making use of the Karamata Tauberian
theorem.
Посилання
T. M. Atanackovic, S. Pilipovic, and D. Zorica. 2009. Time distributed-order diffusion-wave equation. I., II. In Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, volume 465, pages 1869–1891, 1893–1917. The Royal Society.
E. G. Bazhlekova. 2000. Subordination principle for fractional evolution equations. Fract. Calc. Appl. Anal., 3(3):213–230.
E. G. Bazhlekova. 2001. Fractional Evolution Equations in Banach Spaces. PhD thesis, University of Eindhoven.
E. Bazhlekova. 2015. Subordination principle for a class of fractional order differential equations. Mathematics, 3(2):412–427.
N. H. Bingham. 1971. Limit theorems for occupation times of Markov processes. Z. Wahrsch. verw. Gebiete, 17:1–22.
N. H. Bingham, C. M. Goldie, and J. L. Teugels. 1987. Regular variation, volume 27 of Encyclopedia of Mathematics and its Applications. Cambridge University Press, Cambridge.
S. Bochner. 1955. Harmonic Analysis and the Theory of Probability. Univ. California Press, Berkeley.
N. N. Bogoliubov. 1946. Problems of a dynamical theory in statistical physics. Gostekhisdat, Moskau. In Russian. English translation in J. de Boer and G. E. Uhlenbeck, editors, Studies in Statistical Mechanics, volume 1, pages 1-118, Amsterdam, North-Holland, 1962.
B. Bolker and S. W. Pacala. 1997. Using moment equations to understand stochastically driven spatial pattern formation in ecological systems. Theor. Popul. Biol., 52(3):179–197.
L. Bondesson, G. K. Kristiansen, and F. W. Steutel. 1996. Infinite divisibility of random variables and their integer parts. Statist. Probab. Lett., 28:271–276.
Zhen-Qing Chen, Panki Kim, Takashi Kumagai, and Jian Wang. 2018. Heat kernel estimates for time fractional equations. Forum Math., published online 2018-02-16.
J. L. Da Silva, Y. G. Kondratiev, and P. Tkachov. 2018. Fractional kinetics in a spatial ecology model. Meth. Funct. Anal. Topology, 24(3):275–287.
V. Daftardar-Gejji and S. Bhalekar. 2008. Boundary value problems for multi-term fractional differential equations. J. Math. Anal. Appl., 345(2):754–765.
S. D. Eidelman, S. D. Ivasyshen, and A. N. Kochubei. 2004. Analytic Methods in the Theory of Differential and Pseudo-Differential Equations of Parabolic Type, volume 152. Springer Science & Business Media. From random times to fractional kinetics 31
D. Finkelshtein, Y. Kondratiev, and O. Kutoviy. 2009. Individual based model with competition in spatial ecology. SIAM J. Math. Anal., 41(1):297–317.
D. L. Finkelshtein, Y. G. Kondratiev, and O. Kutoviy. 2010. Vlasov scaling for stochastic dynamics of continuous systems. J. Stat. Phys., 141(1):158–178.
D. Finkelshtein, Y. G. Kondratiev, and O. Kutoviy. 2012. Semigroup approach to birth-and-death stochastic dynamics in continuum. J. Funct. Anal., 262(3):1274–1308.
D. Finkelshtein, Y. G. Kondratiev, Y. Kozitsky, and O. Kutoviy. 2015. The statistical dynamics of a spatial logistic model and the related kinetic equation. Math. Models Methods Appl. Sci., 25(02):343–370.
D. L. Finkelshtein, Y. G. Kondratiev, and P. Tkachov. 2019. Doubly nonlocal Fisher–KPP equation: Existence and properties of traveling waves. Electr. J. Differential Equ., 10(1):27.
N. Fournier and S. Meґleґard. 2004. A microscopic probabilistic description of a locally regulated population and macroscopic approximations. Ann. Appl. Probab., 14(4):1880–1919.
R. Gorenflo, A. A. Kilbas, F. Mainardi, and V. R. Sergei. 2014. Mittag–Leffler Functions, Related Topics and Applications. Springer.
G. Gripenberg. 1985. Volterra integro-differential equations with accretive nonlinearity. J. Differential Equations, 60(1):57–79.
R. Gorenflo and S. Umarov. 2005. Cauchy and nonlocal multi-point problems for distributed order pseudo-differential equations, Part one. Z. Anal. Anwend., 24(3):449–466.
A. Hanyga. 2007. Anomalous diffusion without scale invariance. J. Phys. A: Mat. Theor., 40(21):5551.
M. J. Karamata. 1933. Sur un mode de croissance reґgulie`re. Theґore`mes fondamentaux. Bull. Soc. Math. France, 61:55–62.
A. A. Kilbas, H. M. Srivastava, and J. J. Trujillo. 2006. Theory and Applications of Fractional Differential Equations, volume 204 of North-Holland Mathematics Studies. Elsevier Science B.V., Amsterdam.
A. N. Kochubei. 2008. Distributed-order calculus: An operator-theoretic interpretation. Ukrainian Math. J., 60(4):551–562.
A. N. Kochubei. 2008. Distributed order calculus and equations of ultraslow diffusion. J. Math. Anal. Appl., 340(1):252–281.
A. N. Kochubei. 2011. General fractional calculus, evolution equations, and renewal processes. Integral Equations Operator Theory, 71(4):583–600.
A. N. Kochubei and Y. G. Kondratiev. 2017. Fractional kinetic hierarchies and intermittency. Kinet. Relat. Models 10(3):725–740.
V. N. Kolokoltsov. 2009. Generalized continuous-time random walks, subordination by hitting times, and fractional dynamics. Theory Probab. Appl., 53(4), 594–609.
V. N. Kolokoltsov. 2011. Markov Processes, Semigroups and generators, volume 38. Walter de Gruyter.
T. Kolsrud. 1992. On a class of probabilistic integrodifferential equations. In: Ideas and Methods in Mathematics and Physics. Vol. 1, Cambridge University Press, pp. 168–172. 32 Yu. Kondratiev, A. N. Kochubei, J. L. da Silva
Y. G. Kondratiev and T. Kuna. 2002. Harmonic analysis on configuration spaces I. General theory. Infin. Dimens. Anal. Quantum Probab. Relat. Top., 5(2):201–233.
Y. G. Kondratiev and O. Kutoviy. 2006. On the metrical properties of the configuration space. Math. Nachr., 279(7):774–783.
J. L. Loґpez and C. Ferreira. 2002. Asymptotic expansions of generalized Stieltjes transforms of algebraically decaying functions. Stud. Appl. Math., 108(2):187–215.
F. Mainardi. 2010. Fractional Calculus and Waves in Linear Viscoelasticity: An Introduction to Mathematical Models. World Scientific.
M. M. Meerschaert and H.-P. Scheffler. 2006. Stochastic model for ultraslow diffusion. Stochastic Process. Appl., 116(9):1215–1235.
M. M. Meerschaert and H.-P. Scheffler. 2008. Triangular array limits for continuous time random walks. Stochastic Process. Appl. 118, 1606–1633.
M. M. Meerschaert, H.-P. Scheffler, P.Kern. 2004. Limit theorems for continuous-time random walks with infinite mean waiting times. J. Appl. Probab. 41:455–466.
R. Metzler and J. Klafter. 2000. The random walk’s guide to anomalous diffusion: a fractional dynamics approach. Phys. Rep., 339(1):1–77.
R. Metzler and J. Klafter. 2004.The restaurant at the end of the random walk: recent developments in the description of anomalous transport by fractional dynamics. J. Phys. A, 37(31):R161–R208.
A. Mura, M.S. Taqqu and F. Mainardi. 2008. Non-Markovian diffusion equations and processes: Analysis and simulations. Physica A, 387: 5033–5064.
J. PruЁss. 1993. Evolutionary Integral Equations and Applications, volume 87 of Monographs in Mathematics. BirkhaЁuser Verlag, Basel.
E. Ya. Riekstyn’sh. 1981. Asymptotic Expansions of Integrals, vol. 3. Zinatne, Riga. In Russian.
K.-I. Sato. 1999. Leґvy Processes and Infinite Divisible Distributions. Cambridge University Press, Cambridge.
E. Seneta. 1976. Regularly Varying Functions, volume 508 of Lect. Notes Math. Springer.
D. Sornette. 2006. Critical Phenomena in Natural Sciences: Chaos, Fractals, Selforganization and Disorder: Concepts and Tools. Springer Science & Business Media.
R. L. Schilling, R. Song, and Z. Vondracˇek. 2012. Bernstein Functions: Theory and Applications. De Gruyter Studies in Mathematics. De Gruyter, Berlin, 2nd ed.
B. Toaldo. 2015. Convolution-type derivatives, hitting times of subordinators and time-changed C0-semigroups. Potential Anal. 42: 115–140.
R. Wong. 2001. Asymptotic Approximations of Integrals, volume 34 of SIAM’s Classics in Applied Mathematics. SIAM.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).