Solution of the Inverse Problem of Identifying the Order of the Fractional Derivative in a Mathematical Model of the Dynamics of Solar Activitythe at Rising Phase

Abstract

В статье проводится уточнение математической модели динамики солнечной активности методом решения обратной задачи. В качестве дополнительной информации используются экспериментальные данные по наблюдению за значениями числа Вольфа. Этот параметр солнечной активности отражает число пятен на поверхности солнца, и считается индикатором его активности. Данный процесс характеризуется наблюдаемой цикличностью, периодами роста и спада. Проводится анализ и обработка исходных данных, с целью выделения из временных рядов участков соответствующих росту солнечной активности. Для описания данного динамического процесса используется ранее предложенная математическая модель описания 23 и 24 циклов. Модель представляет собой задачу Коши для дробного аналога нелинейного уравнения Риккати, где производная первого порядка замещается оператором дробного дифференцирования Герасимова-Капуто с порядком от 0 до 1. Порядок дробной производной связывается с интенсивностью течения процесса. Данное модельное уравнение решается численно с помощью нелокальной неявной конечно-разностной схемы. Для уточнения значений порядка дробной производной была решена задача одномерной оптимизации с помощью итерационного метода Левенберга-Марквардта второго порядка, на основе обработанный экспериментальных данных. Показано, что можно уточнить порядок дробной производной в модели солнечной активности за счет решения соответствующей обратной задачи, а полученные результаты лучше согласуются с данными. The article refines the mathematical model of solar activity dynamics by solving the inverse problem. Experimental data on the observation of Wolf number values are used as additional information. This parameter of solar activity reflects the number of spots on the surface of the sun, and is considered an indicator of its activity. This process is characterized by observable cyclicality, periods of growth and decline. The analysis and processing of the initial data is carried out in order to isolate from the time series areas corresponding to an increase in solar activity. To describe this dynamic process, a previously proposed mathematical model for describing cycles 23 and 24 is used. The model is a Cauchy problem for a fractional analogue of the nonlinear Riccati equation, where the first-order derivative is replaced by the Gerasimov-Caputo fractional differentiation operator with an order from 0 to 1. The order of the fractional derivative is associated with the intensity of the process. This model equation is solved numerically using a nonlocal implicit finite-difference scheme. To clarify the values of the order of the fractional derivative, the one-dimensional optimization problem was solved using the second-order Levenberg-Marquardt iterative method, based on processed experimental data. It is shown that it is possible to refine the order of the fractional derivative in the solar activity model by solving the corresponding inverse problem, and the results obtained are in better agreement with the data.