<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="no"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" article-type="research-article">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Appl. Math. Stat.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Applied Mathematics and Statistics</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Appl. Math. Stat.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2297-4687</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fams.2025.1643121</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Applied Mathematics and Statistics</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Stability and entropy production in fractional bio-heat transport models via generalized (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy</article-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name><surname>Momani</surname> <given-names>Shaher</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1"><sup>1</sup></xref>
<xref ref-type="aff" rid="aff2"><sup>2</sup></xref>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/visualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/project-administration/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-review-editing/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/resources/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/funding-acquisition/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name><surname>Ibrahim</surname> <given-names>Rabha W.</given-names></name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3"><sup>3</sup></xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001"><sup>&#x0002A;</sup></xref>
<uri xlink:href="http://loop.frontiersin.org/people/1918293/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/software/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-review-editing/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/investigation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/validation/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1"><sup>1</sup><institution>Department of Mathematics, The University of Jordan</institution>, <addr-line>Amman</addr-line>, <country>Jordan</country></aff>
<aff id="aff2"><sup>2</sup><institution>Nonlinear Dynamics Research Center (NDRC), Ajman University</institution>, <addr-line>Ajman</addr-line>, <country>United Arab Emirates</country></aff>
<aff id="aff3"><sup>3</sup><institution>Information and Communication Technology Research Group, Scientific Research Center, Al-Ayen University</institution>, <addr-line>Thi-Qar, Nasiriyah</addr-line>, <country>Iraq</country></aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by"><p>Edited by: Omugbe Ekwevugbe, University of Agriculture and Environmental Sciences, Umuagwo, Nigeria</p></fn>
<fn fn-type="edited-by"><p>Reviewed by: Carina Toxqui-Quitl, Universidad Polit&#x000E9;cnica de Tulancingo, Mexico</p>
<p>Youssri Hassan Youssri, Cairo University, Egypt</p></fn>
<corresp id="c001">&#x0002A;Correspondence: Rabha W. Ibrahim <email>rabhaibrahim&#x00040;yahoo.com</email>; <email>rabhaibrahim&#x00040;ieee.org</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>08</day>
<month>09</month>
<year>2025</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2025</year>
</pub-date>
<volume>11</volume>
<elocation-id>1643121</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>08</day>
<month>06</month>
<year>2025</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>06</day>
<month>08</month>
<year>2025</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#x000A9; 2025 Momani and Ibrahim.</copyright-statement>
<copyright-year>2025</copyright-year>
<copyright-holder>Momani and Ibrahim</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/"><p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p></license>
</permissions>
<abstract>
<p>We propose a novel framework for modeling thermal transport in biological tissues based on a fractional bio-heat diffusion equation regularized by a generalized (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy functional. The model incorporates a Caputo-Numerical simulations demonstrate the evolution of temperature profiles and entropy dynamics, revealing the interplay between fractional memory, metabolic heat generation, and entropy-induced resistance. A stability theorem this framework offers a physically consistent and flexible approach grounded in non-equilibrium statistical mechanics and bio-thermal regulation, making it suitable for applications in complex biological media with long-range.</p></abstract>
<kwd-group>
<kwd>(<italic>q</italic></kwd>
<kwd>&#x003C4;)-Gamma function</kwd>
<kwd>entropy-regularized PDEs</kwd>
<kwd>fractional diffusion</kwd>
<kwd>non-extensive thermodynamics</kwd>
<kwd>Cram&#x000E9;r-Rao inequality</kwd>
<kwd>stability analysis</kwd>
<kwd>fisher information</kwd>
</kwd-group>
<contract-sponsor id="cn001">Ajman University<named-content content-type="fundref-id">https://doi.org/10.13039/501100019286</named-content></contract-sponsor>
<counts>
<fig-count count="5"/>
<table-count count="9"/>
<equation-count count="206"/>
<ref-count count="20"/>
<page-count count="22"/>
<word-count count="9867"/>
</counts>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Numerical Analysis and Scientific Computation</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec sec-type="intro" id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>Information theory, statistical mechanics, and thermodynamics are all based on entropy. In systems made up of separate microscopic states, disorder and uncertainty are measured by the classical Boltzmann-Gibbs entropy, which is expressed as <italic>S</italic> &#x0003D; &#x02212;&#x02211;<italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub>log<italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub> [<xref ref-type="bibr" rid="B1">1</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B3">3</xref>]. However, as shown in intricate biological, physical, visual, and financial processes, this form is constrained when modeling systems with long-range interactions, memory effects, or anomalous diffusion [<xref ref-type="bibr" rid="B4">4</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B6">6</xref>]. Several generalized entropy frameworks have been developed to get over these restrictions. Among the most prominent is the Tsallis entropy, which introduces non-extensive behavior and is specified by a deformation parameter <italic>q</italic>:</p>
<disp-formula id="E1"><mml:math id="M1"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x02211;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>This approach has been effectively used to study quantum systems, turbulence, and multifractals. The study of decoherence, entanglement, and instability in quantum systems has been enhanced by the extension of information measures to density matrices and quantum probability spaces due to advancements in <italic>quantum entropy</italic>. However, as noted in Dingyu and Lu [<xref ref-type="bibr" rid="B7">7</xref>] and Agarwal et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B8">8</xref>], <italic>fractional calculus</italic> offers a natural instrument to represent dynamics with memory and hereditary features. The Riemann-Liouville, Caputo, and Hadamard kinds of fractional derivatives and integrals extend conventional differential operators and enable the modeling of viscoelastic materials, anomalous diffusion, and sub-diffusive processes. Particularly in the context of stability analysis and entropy-producing systems, the unification of fractional dynamics with non-extensive entropy has garnered interest in recent years [<xref ref-type="bibr" rid="B9">9</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B10">10</xref>].</p>
<p>Biological tissues exhibit highly complex thermal behavior, characterized by heterogeneous structure, multiple time scales of heat conduction, and active metabolic heat generation. Classical models based on the Fourier law of heat conduction are limited in this context, as they neglect memory effects and the intrinsic non-equilibrium nature of living tissues. Recent studies have demonstrated that fractional-order diffusion models provide a natural extension of the Pennes bio-heat equation, capturing anomalous thermal transport and sub-diffusive behavior observed in biological systems [<xref ref-type="bibr" rid="B11">11</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B14">14</xref>]. In this work, we adopt a (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy framework that extends existing methods by including a scaling parameter &#x003C4; that modulates the memory kernel of the fractional operator and a deformation parameter <italic>q</italic> that controls the degree of non-extensivity. This makes it possible to interpret energy dissipation and entropy creation in bio-heat transport in a consistent thermodynamic manner. Our fractional diffusion model&#x00027;s entropy term &#x02212;&#x003BB;log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>T</italic>) functions as an effective potential, dynamically modifying thermal resistance in response to local temperature variations. This mechanism offers a physically grounded way to regularize thermal transport in complicated biological media and is consistent with the generalized fluctuation-dissipation relations in non-equilibrium statistical mechanics. Our numerical outcomes show that the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy framework captures important aspects of bio-thermal dynamics, such as physically realistic entropy decay and entropy-stabilized patterns of temperature. These findings imply that generalized entropy-based statistical mechanics techniques are useful instruments for improving the modeling of bio-heat transfer and associated processes in living systems.</p></sec>
<sec id="s2">
<title>2 Generalized entropy</title>
<p>Definition 2.1 (Generalized ((<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Entropy). Let <italic>p</italic> &#x0003D; {<italic>p</italic><sub>1</sub>, <italic>p</italic><sub>2</sub>, &#x02026;, <italic>p</italic><sub><italic>n</italic></sub>} be a discrete probability distribution such that <italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub>&#x0003E;0, <inline-formula><mml:math id="M2"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. The (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy associated with the distribution <italic>p</italic> is formulated by (see <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>, for various values of &#x003C4; and <italic>q</italic> &#x0003D; 0.5)</p>
<disp-formula id="E2"><mml:math id="M3"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>where the deformed logarithm log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>) is given by</p>
<disp-formula id="E3"><mml:math id="M4"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>and the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-gamma function is defined as (see <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref>)</p>
<disp-formula id="E4"><mml:math id="M5"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x0220F;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">for&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<fig id="F1" position="float">
<label>Figure 1</label>
<caption><p>Plot of <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>, with <italic>q</italic> &#x0003D; 0.5 and &#x003C4; &#x02208; {0.5, 0.75, 1.0, 1.25, 1.5} respectively. Memory effects lengthen the entropy production process since the entropy decay is slower for greater &#x003C4;. The degradation is steeper for lower &#x003C4; because the system recalls previous states more quickly.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-11-1643121-g0001.tif">
<alt-text>Plot illustrating the (q, &#x003C4;)-Gamma function for various q and &#x003C4; values, with &#x003B1; on the x-axis and &#x003C4; on the y-axis. Curves represent different parameter combinations, showing distinct patterns and intersections.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<fig id="F2" position="float">
<label>Figure 2</label>
<caption><p>Graph of &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(&#x003B1;)for different values of (<italic>q</italic>, &#x003C4;).</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-11-1643121-g0002.tif">
<alt-text>Line graph titled &#x0201C;Generalized Entropy S_{q, &#x003C4;}(t) over Time for Different &#x003C4; (Fixed  q = 0.5)&#x0201D; shows entropy curves for various , &#x003C4; values: 0.5, 0.75, 1.0, 1.25, 1.5. The x-axis is time t, and the y-axis is entropy S_{q,  &#x003C4; }(t). The curves begin at zero, peak between time 2 to 3, then decline towards 10. Different colors represent each  &#x003C4;.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>In the limit (<italic>q</italic>, &#x003C4;) &#x02192; (1,1), this entropy reduces to conventional Shannon entropy and provides a deformation that incorporates scaling tendency and memory [<xref ref-type="bibr" rid="B15">15</xref>&#x02013;<xref ref-type="bibr" rid="B17">17</xref>] with its applications in Attiya et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B18">18</xref>], Alqarni et al. [<xref ref-type="bibr" rid="B19">19</xref>], and Hasanov and Yuldashova [<xref ref-type="bibr" rid="B20">20</xref>].</p>
<sec>
<title>2.1 Thermodynamic rationale for the generalized logarithm log<sub>(<italic>q</italic>, &#x003C4;)</sub>(<italic>x</italic>)</title>
<p>The modified logarithmic function <inline-formula><mml:math id="M6"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which includes a fractional memory kernel &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>), extends the Tsallis-type logarithm. This idea combines the impacts of statistical non-extensive (through the parameter <italic>q</italic>) with long-range memory or non-locality (via &#x003C4;), both of which are essential components of thermal transport in intricate and dynamic settings.</p>
<sec>
<title>2.1.1 From tsallis entropy to fractional memory entropy</title>
<p>In nonextensive thermodynamics, the classical Tsallis logarithm is <inline-formula><mml:math id="M7"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> which reduces to the natural logarithm known as <italic>q</italic> &#x02192; 1. This function basically arises from the maximization of Tsallis entropy and captures the deviation of extensivity due to fractal geometries or long-range connections.</p></sec>
<sec>
<title>2.1.2 Role of the &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>) term</title>
<p>The historical context of thermal computation in tissue biology reflects the influence of past thermal asserts on current behavior (non-Markovian dynamics), the persistence of temperature distributions over time scales (memory effects), and tissue-specific thermal reactions derived from heterogeneous relaxation times.</p></sec>
<sec>
<title>2.1.3 Thermodynamic interpretation</title>
<p>The function log<sub>(<italic>q</italic>, &#x003C4;)</sub>(<italic>x</italic>) could be viewed as a memory-weighted entropy potential. An entropy functional like as <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>f</italic>) &#x0003D; &#x02212;&#x0222B;<italic>f</italic>(<italic>x</italic>)log<sub>(<italic>q</italic>, &#x003C4;)</sub>(<italic>f</italic>(<italic>x</italic>))<italic>dx</italic>, can be used to mimic entropy creation in systems with anomalous, history-dependent behaves, which are prevalent in biological and viscoelastic tissues.</p></sec>
<sec>
<title>2.1.4 Limit cases</title>
<p>If &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>) &#x02192; 1, then log<sub>(<italic>q</italic>, &#x003C4;)</sub>(<italic>x</italic>) &#x02192; log(<italic>x</italic>), we can recover the usual logarithm as <italic>q</italic> &#x02192; 1. If &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>) encodes power-law decay (as in fractional kernels), then entropy grows in accordance with memory-regulated non-exponential laws (<xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>).</p>
<table-wrap position="float" id="T1">
<label>Table 1</label>
<caption><p>Physical interpretation of the terms in log<sub>(<italic>q</italic>, &#x003C4;)</sub>(<italic>x</italic>).</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left"><bold>Component</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>Physical meaning</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>x</italic><sup>1&#x02212;<italic>q</italic></sup></td>
<td valign="top" align="left">Captures deviation from extensivity; models anomalous scaling in complex systems</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">(1&#x02212;<italic>q</italic>)<sup>&#x02212;1</sup></td>
<td valign="top" align="left">Normalization that controls the degree of nonadditivity; relates to entropy production rate</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>)</td>
<td valign="top" align="left">Fractional memory kernel; encodes tissue-dependent relaxation, historical effects, and temporal asymmetry</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>The (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-logarithm extends the Tsallis form by including a fractional memory weight, and it is thermodynamical consistent with complex biological systems that have both non-extensivity and long-range memory. This method is necessary to analyze entropy-based occurrences in bio-heat transfer and related fractional diffusion pathways.</p>
<p>Proposition 2.2 ( Basic properties of the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy). Let <italic>p</italic> &#x0003D; {<italic>p</italic><sub>1</sub>, <italic>p</italic><sub>2</sub>, &#x02026;, <italic>p</italic><sub><italic>n</italic></sub>} be a discrete probability distribution such that <italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub>&#x0003E;0 and <inline-formula><mml:math id="M8"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Define the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy as</p>
<disp-formula id="E5"><mml:math id="M9"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-logarithm. Then the next properties hold:</p>
<p><bold>(i) Non-negativity:</bold> <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>p</italic>) &#x02265; 0, with equality if and only if <italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0003D; 1 for some <italic>i</italic> and all others zero.</p>
<p><bold>(ii) Maximality at uniform distribution:</bold> The entropy <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>p</italic>) attains its maximum when <inline-formula><mml:math id="M10"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> for all <italic>i</italic>, i.e.,</p>
<disp-formula id="E6"><mml:math id="M11"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p><bold>(iii) Classical limit:</bold> In the limit as <italic>q</italic> &#x02192; 1, &#x003C4; &#x02192; 1, we recover the classical Shannon entropy: <inline-formula><mml:math id="M12"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula></p>
<p>Proof. <bold>(i) Non-negativity:</bold> For 0 &#x0003C; <italic>q</italic> &#x0003C; 1, we note that <italic>x</italic><sup>1&#x02212;<italic>q</italic></sup> &#x02265; 1 for all <italic>x</italic> &#x02208; (0, 1], hence log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>) &#x02264; 0. Then each term satisfies the ineqaulity &#x02212;<italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub>&#x000B7;log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub>) &#x02265; 0, thus the total sum <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>p</italic>) &#x02265; 0. If <italic>p</italic><sub><italic>j</italic></sub> &#x0003D; 1 for some <italic>j</italic>, then all other <italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub> &#x0003D; 0, and <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>p</italic>) &#x0003D; &#x02212;1 &#x000D7; log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(1) &#x0003D; 0, because log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(1) &#x0003D; 0&#x000B7;&#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(1) &#x0003D; 0. Thus, the minimum is achieved only at pure states.</p>
<p><bold>(ii) Maximum at uniform distribution:</bold> According to Jensen&#x00027;s inequality and concavity of <italic>x</italic>&#x021A6;&#x02212;<italic>x</italic>log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>) (since log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub> is decreasing and convex for 0 &#x0003C; <italic>q</italic> &#x0003C; 1), the entropy is maximized when all <italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub> are achieved the following sum:</p>
<disp-formula id="E7"><mml:math id="M13"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p><bold>(iii) Limit to Shannon entropy:</bold> since &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>) &#x02192; 1 as both parameters tend to the classical limit, one can observe that <inline-formula><mml:math id="M14"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M15"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula> Hence, we get <inline-formula><mml:math id="M16"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> and therefore <inline-formula><mml:math id="M17"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> which is the classical Shannon entropy.</p>
<p> Proposition 2.3 ( Pseudo-Additivity of the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Entropy). Let <italic>A</italic> and <italic>B</italic> be two statistically independent systems with respective discrete probability distributions {<italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub>} and {<italic>q</italic><sub><italic>j</italic></sub>}, and joint distribution <italic>r</italic><sub><italic>ij</italic></sub> &#x0003D; <italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub><italic>q</italic><sub><italic>j</italic></sub>. The (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy of each system is given by:</p>
<disp-formula id="E8"><mml:math id="M18"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E9"><mml:math id="M19"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi><mml:mo>&#x02297;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M20"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula> Then the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy admits the pseudo-additive law:</p>
<disp-formula id="E10"><mml:math id="M21"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Proof. Since <italic>r</italic><sub><italic>ij</italic></sub> &#x0003D; <italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub><italic>q</italic><sub><italic>j</italic></sub>, we have</p>
<disp-formula id="E11"><mml:math id="M22"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Utilizing the identity log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub><italic>q</italic><sub><italic>j</italic></sub>) &#x0003D; log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub>)&#x0002B;log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>q</italic><sub><italic>j</italic></sub>) &#x0002B; (1&#x02212;<italic>q</italic>)&#x000B7;&#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub><italic>q</italic><sub><italic>j</italic></sub>) (derived from generalized logarithmic rules), we expand</p>
<disp-formula id="E12"><mml:math id="M23"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle mathsize="1.61em"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Opining this sum, it yields</p>
<disp-formula id="E13"><mml:math id="M24"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>But <inline-formula><mml:math id="M25"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M26"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, we get</p>
<disp-formula id="E14"><mml:math id="M27"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>To maintain the non-extensive structure, note that the correction term roughly equals, for very small <italic>p</italic><sub><italic>i</italic></sub>, <italic>q</italic><sub><italic>j</italic></sub>, we have <inline-formula><mml:math id="M28"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula> Thus, the final pseudo-additive expression becomes:</p>
<disp-formula id="E15"><mml:math id="M29"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Definition 2.4 ( Continuous (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy). Let <italic>f</italic>(<italic>x</italic>) be a probability density function (PDF) defined on a measurable space &#x003A9;&#x02286;&#x0211D;<sup><italic>n</italic></sup>, such that:</p>
<disp-formula id="E16"><mml:math id="M30"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Then the continuous (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy is formulated by</p>
<disp-formula id="E17"><mml:math id="M31"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="false"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-logarithmic function is given by <inline-formula><mml:math id="M32"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> and the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-gamma function is formulated by <inline-formula><mml:math id="M33"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0220F;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">for</mml:mtext></mml:mstyle><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula></p>
<p>Proposition 2.5. (Fundamental properties of continuous (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy) Let <italic>f</italic>(<italic>x</italic>) be a continuous PDF on &#x003A9;&#x02286;&#x0211D;<sup><italic>n</italic></sup>, with all integrals finite. Then the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>f</italic>) achieves</p>
<list list-type="order">
<list-item><p><bold>(Non-negativity)</bold>: <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>f</italic>) &#x02265; 0.</p></list-item>
<list-item><p><bold>(Shannon limit)</bold>: If <italic>q</italic> &#x02192; 1 and &#x003C4; &#x02192; 1, then
<disp-formula id="E18"><mml:math id="M34"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item>
<list-item><p><bold>(Invariance under smooth bijective transforms)</bold>: Let <italic>y</italic> &#x0003D; <italic>T</italic>(<italic>x</italic>) be a smooth bijection with Jacobian determinant <italic>J</italic><sub><italic>T</italic></sub>(<italic>x</italic>), and define:
<disp-formula id="E19"><mml:math id="M35"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
Then,
<disp-formula id="E20"><mml:math id="M36"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item>
</list>
<p>Proof.</p>
<p><bold>1. Non-negativity:</bold> Since 0 &#x0003C; <italic>q</italic> &#x0003C; 1 and 0 &#x0003C; <italic>f</italic>(<italic>x</italic>) &#x02264; 1, we have <italic>f</italic>(<italic>x</italic>)<sup>1&#x02212;<italic>q</italic></sup> &#x02265; 1, so <inline-formula><mml:math id="M37"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula> Furthermore, the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Gamma function is strictly positive for all <italic>x</italic>&#x0003E;0. Hence, we observe that</p>
<disp-formula id="E21"><mml:math id="M38"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x021D2;</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Consequently, we get</p>
<disp-formula id="E22"><mml:math id="M39"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p><bold>2. Classical limit:</bold> Recall the traditional limit:</p>
<disp-formula id="E23"><mml:math id="M40"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Let &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>) &#x02192; 1 as &#x003C4; &#x02192; 1 is uniform on compact subsets of (0, 1], we get</p>
<disp-formula id="E24"><mml:math id="M41"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">as&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Then, by Dominated Convergence Theorem (since <italic>f</italic>(<italic>x</italic>)log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>f</italic>(<italic>x</italic>)) &#x02192; <italic>f</italic>(<italic>x</italic>)log<italic>f</italic>(<italic>x</italic>) and is integrable),</p>
<disp-formula id="E25"><mml:math id="M42"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">lim</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p><bold>3. Invariance under smooth change of variables:</bold> Let <italic>y</italic> &#x0003D; <italic>T</italic>(<italic>x</italic>) be a smooth bijection with Jacobian <italic>J</italic><sub><italic>T</italic></sub>(<italic>x</italic>), and</p>
<disp-formula id="E26"><mml:math id="M43"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo class="qopname">det</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Computing yields</p>
<disp-formula id="E27"><mml:math id="M44"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Now by applying the change of variable <italic>y</italic> &#x0003D; <italic>T</italic>(<italic>x</italic>), <italic>dy</italic> &#x0003D; |det<italic>J</italic><sub><italic>T</italic></sub>(<italic>x</italic>)|<italic>dx</italic>, we observe that</p>
<disp-formula id="E28"><mml:math id="M45"><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Therefore, we get</p>
<disp-formula id="E29"><mml:math id="M46"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>2.2 (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-relative entropy</title>
<p>Definition 2.6. Let <italic>f</italic>(<italic>x</italic>) and <italic>g</italic>(<italic>x</italic>) be two probability density functions on a domain &#x003A9;&#x02282;&#x0211D;<sup><italic>n</italic></sup>, with <italic>f</italic>(<italic>x</italic>)&#x0003E;0, <italic>g</italic>(<italic>x</italic>)&#x0003E;0. The (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-relative entropy is formulated via the structure</p>
<disp-formula id="E30"><mml:math id="M47"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-logarithm is:</p>
<disp-formula id="E31"><mml:math id="M48"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">with</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">&#x000A0;for&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Proposition 2.7 ( Non-negativity of <italic>D</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>f</italic>||<italic>g</italic>)). Assume 0 &#x0003C; <italic>q</italic> &#x0003C; 1 and &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>)&#x0003E;0. Then</p>
<disp-formula id="E32"><mml:math id="M49"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with equality if and only if <italic>f</italic>(<italic>x</italic>) &#x0003D; <italic>g</italic>(<italic>x</italic>) almost everywhere.</p>
<p>Proof. Let <inline-formula><mml:math id="M50"><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, where <italic>r</italic>(<italic>x</italic>)&#x0003E;0. Moreover, log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>r</italic>(<italic>x</italic>)) &#x02265; 0, since <inline-formula><mml:math id="M51"><mml:mi>r</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">and</mml:mtext></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula> Therefore, we get</p>
<disp-formula id="E33"><mml:math id="M52"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x021D2;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Equality holds only when <italic>r</italic>(<italic>x</italic>) &#x0003D; 1&#x021D2;<italic>f</italic>(<italic>x</italic>) &#x0003D; <italic>g</italic>(<italic>x</italic>).</p>
<sec>
<title>2.2.1 (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fisher information</title>
<p>Let <italic>f</italic>(<italic>x</italic>; &#x003B8;) be a parametric family of PDFs with parameter &#x003B8; &#x02208; &#x0211D;. Define the deformed score function, as follows:</p>
<disp-formula id="E34"><mml:math id="M53"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Then the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Fisher information is given via the integral</p>
<disp-formula id="E35"><mml:math id="M54"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>When <italic>q</italic> &#x02192; 1, log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub> &#x02192; log and this recovers classical Fisher information, the weight <italic>f</italic><sup><italic>q</italic></sup> emphasizes low-probability regions (for <italic>q</italic> &#x0003C; 1) and it can be utilized in extended Cram&#x000E9;r&#x02013;Rao bounds.</p></sec>
<sec>
<title>2.2.2 (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-thermodynamic potentials</title>
<p>Let <italic>f</italic>(<italic>x</italic>) be a PDF for energy states <italic>E</italic>(<italic>x</italic>), with the internal energy</p>
<disp-formula id="E36"><mml:math id="M55"><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Then the generalized Helmholtz free energy is defined as:</p>
<disp-formula id="E37"><mml:math id="M56"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The expanded (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy framework for defining various entropies is displayed in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>.</p>
<table-wrap position="float" id="T2">
<label>Table 2</label>
<caption><p>One of the alternate entropies&#x00027; (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropies.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left"><bold>Quantity</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>Definition with (<italic>q</italic>, &#x003C4;)</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">Relative entropy</td>
<td valign="top" align="left"><inline-formula><mml:math id="M57"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">Fisher information</td>
<td valign="top" align="left"><inline-formula><mml:math id="M58"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">Free energy</td>
<td valign="top" align="left"><italic>F</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub> &#x0003D; <italic>U</italic>&#x02212;<italic>TS</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>f</italic>)</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Example 2.8.</p>
<disp-formula id="E38"><mml:math id="M59"><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">Let</mml:mtext><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Then the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)&#x02212; relative entropy with <italic>q</italic> &#x0003D; 0.5, &#x003C4; &#x0003D; 1 becomes</p>
<disp-formula id="E39"><mml:math id="M60"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>12763</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>While, for &#x003C4; &#x0003D; 2, <italic>q</italic> &#x0003D; 0.5, we have</p>
<disp-formula id="E40"><mml:math id="M61"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>80946</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Theorem 2.9 ((<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Cram&#x000E9;r-Rao inequality). Let {<italic>f</italic>(<italic>x</italic>; &#x003B8;)} be a parametric family of probability density functions defined over <italic>x</italic> &#x02208; &#x003A9;&#x02282;&#x0211D;, where &#x003B8; &#x02208; &#x00398;&#x02282;&#x0211D; is an unknown parameter. Assume: <italic>f</italic>(<italic>x</italic>; &#x003B8;)&#x0003E;0 and differentiable w.r.t. &#x003B8;, the support of <italic>f</italic> is independent of &#x003B8;, interchanging differentiation and integration is valid, and all integrals are finite. Let <inline-formula><mml:math id="M62"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be an unbiased estimator of &#x003B8;, i.e.,</p>
<disp-formula id="E41"><mml:math id="M63"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Then, the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Cram&#x000E9;r-Rao inequality holds:</p>
<disp-formula id="E42"><mml:math id="M64"><mml:mrow><mml:mtext>Va</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Fisher information is defined as:</p>
<disp-formula id="E43"><mml:math id="M65"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with</p>
<disp-formula id="E44"><mml:math id="M66"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Proof. Define the deformed score function, as follows</p>
<disp-formula id="E45"><mml:math id="M67"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Let <inline-formula><mml:math id="M68"><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:math></inline-formula>. Since <italic>E</italic><sub><italic>f</italic></sub>[<italic>h</italic>(<italic>x</italic>)] &#x0003D; 0, we apply the Cauchy-Schwarz inequality:</p>
<disp-formula id="E46"><mml:math id="M69"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>/</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>h</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>That is</p>
<disp-formula id="E47"><mml:math id="M70"><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mtext>Va</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>We now compute the numerator:</p>
<disp-formula id="E48"><mml:math id="M71"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>U</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Employing integration by parts such that assuming the smoothness, this integral equals to 1. Hence, we have</p>
<disp-formula id="E49"><mml:math id="M72"><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mtext>Va</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>&#x021D2;</mml:mo><mml:mtext>Va</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The following is one way to see the results: for <italic>f</italic>(<italic>x</italic>; &#x003B8;), a family of probability density functions with differentiable dependence on &#x003B8; &#x02208; &#x00398;&#x02282;&#x0211D;, and take into account the requirements for smoothness when using the (<italic>q</italic>, &#x003C4;) -Fisher details</p>
<disp-formula id="E50"><mml:math id="M73"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>Corollary 2.10. If <inline-formula><mml:math id="M74"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is an unbiased estimator of &#x003B8;, i.e.,</p>
<disp-formula id="E51"><mml:math id="M75"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>then the mean squared error is bounded by:</p>
<disp-formula id="E52"><mml:math id="M76"><mml:mrow><mml:mtext>Va</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Proof. This is a direct restatement of the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Cram&#x000E9;r-Rao inequality for unbiased estimators.</p>
<p>Corollary 2.11. Let <inline-formula><mml:math id="M77"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be any (not necessarily unbiased) estimator of &#x003B8;, and define the bias:</p>
<disp-formula id="E53"><mml:math id="M78"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>Then the mean squared error satisfies:</p>
<disp-formula id="E54"><mml:math id="M79"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M80"><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>.</p>
<p>Proof. This follows from the generalized biased Cram&#x000E9;r-Rao bound applied to the weighted Fisher information and using the identity:</p>
<disp-formula id="E55"><mml:math id="M81"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mtext>Va</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>r</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>combined with a modified Cauchy-Schwarz argument involving log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>f</italic>).</p>
<p>Example 2.12. Consider the exponential distribution:</p>
<disp-formula id="E56"><mml:math id="M82"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula>
<p>Let <inline-formula><mml:math id="M83"><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> be an unbiased estimator of &#x003B8;, such as the sample mean inverse. We analyze the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Fisher information for &#x003B8; &#x0003D; 1, <italic>q</italic> &#x0003D; 0.5, and consider the simplified case (when &#x003C4; &#x02192; 1). Deformed logarithmic derivative, for &#x003C4; &#x02192; 1, implies</p>
<disp-formula id="E57"><mml:math id="M84"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">with&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and differentiate w.r.t &#x003B8;, we obtain</p>
<disp-formula id="E58"><mml:math id="M85"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The derivative of the density is:</p>
<disp-formula id="E59"><mml:math id="M86"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Compute (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Fisher information,</p>
<disp-formula id="E60"><mml:math id="M87"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>by utilizing a numerical integration with &#x003B8; &#x0003D; 1, <italic>q</italic> &#x0003D; 0.5, this yields</p>
<disp-formula id="E61"><mml:math id="M88"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>3704</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, the Cram&#x000E9;r&#x02013;Rao lower bound becomes</p>
<disp-formula id="E62"><mml:math id="M89"><mml:mrow><mml:mtext>Var</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>3704</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>700</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Compare with classical bound, for the exponential distribution, the classical Fisher information becomes</p>
<disp-formula id="E63"><mml:math id="M90"><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x021D2;</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;Var</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Hence, the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-bound is more conservative: <inline-formula><mml:math id="M91"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mtext>Var</mml:mtext><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>^</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula></p>
<p>Example 2.13. Consider the one-parameter exponential family</p>
<disp-formula id="E64"><mml:math id="M92"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>We present the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Fisher information as follows: (see <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>).</p>
<disp-formula id="E65"><mml:math id="M93"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M94"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Due to the high computational cost and instability of evaluating &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>) for small <italic>x</italic>, we use the simplified version <inline-formula><mml:math id="M95"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>&#x003B8;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> which corresponds to omitting the &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub> factor. We fix <italic>q</italic> &#x0003D; 0.5, and evaluate the integral numerically over &#x003B8; &#x02208; [0.2, 2]. The growth of &#x003B8;, <italic>I</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(&#x003B8;) is found to be non-linear. The evolution of information is accelerated by higher deformation, which is associated with greater &#x003C4; values. As &#x003B8; decreases, the typical Fisher information for this distribution is <italic>I</italic>(&#x003B8;) &#x0003D; 1/&#x003B8;<sup>2</sup>, which shows the opposite tendency. Since <italic>f</italic>(<italic>x</italic>; &#x003B8;) has relatively small values in the tail, adding the whole &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>) to the integral results in large numerical records and overflow in the product corresponding to &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>. It is necessary to asymptotically extend or estimate &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>) close to <italic>x</italic> &#x02192; 0<sup>&#x0002B;</sup> for practical evaluation.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>Figure 3</label>
<caption><p>The plot shows <italic>I</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(&#x003B8;) as a function of &#x003B8;, computed for various values of &#x003C4; &#x02208; {0.5, 0.75, 0.9, 0.99}, with the &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub> term approximated.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-11-1643121-g0003.tif">
<alt-text>Line graph titled &#x0201C;(q, &#x003C4;)-Fisher Information with r_{q, &#x003C4;}, q = 0.5&#x0201D; displaying four curves with different &#x003C4; values (0.5, 0.75, 0.9, 0.99). The x-axis represents &#x003B8; from 0.25 to 2.0, while the y-axis ranges from 0 to 5 &#x000D7; 10&#x0005E;{10}. Curves show a sharp increase near &#x0005E; = 2.0.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>A parametric sensitivity analysis example is provided in <xref ref-type="table" rid="T3">Table 3</xref> to wrap up this section. The parameters <italic>q</italic> and &#x003C4; serve as physically significant tuners of entropy-driven thermal dynamics in biological tissues. The sensitivity table illustrates their crucial roles in modeling the spatial irregularity and temporal memory observed in heterogeneous thermal processes. The magnitude of temporal memory effects is specifically altered by &#x003C4;, whereas <italic>q</italic> controls the kind of spatial diffusion, which can range from sub-diffusive to super-diffusive regimes. These data provide a more accurate and flexible modeling paradigm for bio-thermal environments by supporting the usage of the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy framework to represent complex heat transport performance that is often neglected by traditional methodologies.</p>
<table-wrap position="float" id="T3">
<label>Table 3</label>
<caption><p>Parametric sensitivity analysis of the parameters <italic>q</italic> and &#x003C4; in thermal transport modeling of biological tissues.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left"><bold>Parameter</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>Variation</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>Observed thermal behavior</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left"><italic>q</italic></td>
<td valign="top" align="left">Increase (<italic>q</italic>&#x0003E;1)</td>
<td valign="top" align="left">Enhanced thermal spread; super-diffusive behavior; smooth and extended temperature profiles indicating nonlocal effects and long-range interactions.</td>
</tr>
 <tr>
<td/>
<td valign="top" align="left">Decrease (<italic>q</italic> &#x0003C; 1)</td>
<td valign="top" align="left">Localized heat retention; sub-diffusive behavior; slower spread with energy trapped in specific tissue regions (e.g., scarred or fibrotic areas).</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">&#x003C4;</td>
<td valign="top" align="left">Increase (&#x003C4;&#x0003E;1)</td>
<td valign="top" align="left">Stronger memory effect; delayed thermal response; persistent influence of historical temperature profiles; common in low-perfusion tissues (e.g., fat or bone).</td>
</tr>
 <tr>
<td/>
<td valign="top" align="left">Decrease (&#x003C4; &#x0003C; 1)</td>
<td valign="top" align="left">Weakened memory; faster thermal adjustment; transient behavior dominates; typical in highly perfused or metabolically active tissues (e.g., muscle, skin).</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>3 Thermodynamic cycle with (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy and free energy</title>
<p>Let us define the key generalized thermodynamic quantities utilizing the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub> and free energy <italic>F</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>. For a probability density function <italic>f</italic>(<italic>x</italic>), the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy is, as follows:</p>
<disp-formula id="E66"><mml:math id="M96"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">where</mml:mtext></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Let <italic>E</italic>(<italic>x</italic>) be the energy associated with state <italic>x</italic>, with internal energy becomes <inline-formula><mml:math id="M97"><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> and the generalized Helmholtz free energy is: <italic>F</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub> &#x0003D; <italic>U</italic>&#x02212;<italic>T</italic>&#x000B7;<italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>f</italic>). We now describe a simple four-step cycle in a generalized thermodynamic system:</p>
<list list-type="order">
<list-item><p><bold>Isothermal expansion at temperature</bold> <italic><bold>T</bold></italic><bold><sub>1</sub></bold>: The system absorbs heat <italic>Q</italic><sub><italic>in</italic></sub>, entropy increases:
<disp-formula id="E67"><mml:math id="M98"><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item>
<list-item><p><bold>Isoentropic expansion (adiabatic)</bold>: No heat exchange, entropy remains constant:
<disp-formula id="E68"><mml:math id="M99"><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item>
<list-item><p><bold>Isothermal compression at temperature</bold> <italic><bold>T</bold></italic><bold><sub>2</sub></bold>&#x0003C;<italic><bold>T</bold></italic><sub><bold>1</bold></sub>: System releases heat <italic>Q</italic><sub><italic>out</italic></sub>, entropy decreases
<disp-formula id="E69"><mml:math id="M100"><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>F</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item>
<list-item><p><bold>Isoentropic compression (adiabatic)</bold>: Restores the system to the initial state with no entropy change
<disp-formula id="E70"><mml:math id="M101"><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>U</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p></list-item>
</list>
<p>The net work over one cycle is:</p>
<disp-formula id="E71"><mml:math id="M102"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and the efficiency becomes</p>
<disp-formula id="E72"><mml:math id="M103"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>W</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>When entropy is deformed, heat exchange is replaced by</p>
<disp-formula id="E73"><mml:math id="M104"><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, the generalized efficiency becomes:</p>
<disp-formula id="E74"><mml:math id="M105"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003B7;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>o</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>p</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Therefore, the standard Carnot efficiency is obtained when <italic>q</italic> &#x02192; 1, &#x003C4; &#x02192; 1. This parameter <italic>q</italic> &#x0003C; 1 models systems with multifractality or long-range correlations. Entropy rise is modified by the parameter &#x003C4;, which corrects for time-scale or nonlocal memory effects. In these types of structures, entropy may rise sub-linearly or super-linearly with heat or energy.</p>
<sec>
<title>3.1 Non-equilibrium thermodynamics via (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy</title>
<p>Entropy and thermodynamic potentials are generalized in the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-framework to account for these characteristics. Assume that <italic>f</italic>(<italic>x, t</italic>) is a probability density that changes over time. Assuming a generalized Fokker-Planck equation:</p>
<disp-formula id="E75"><mml:math id="M106"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>then the time derivative of <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>) becomes</p>
<disp-formula id="E76"><mml:math id="M107"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and is non-negative via suitable boundary and positivity conditions, implying a non-equilibrium generalized H-theorem. The generalized entropy production rate is</p>
<disp-formula id="E77"><mml:math id="M108"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x01E60;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M109"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>J</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are the deformed fluxes (e.g., generalized currents), <inline-formula><mml:math id="M110"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>X</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> are associated thermodynamic forces (e.g., gradients of potential or temperature), and the Onsager matrix becomes nonlinear and memory-dependent.</p>
<p>Example 3.1. Consider the generalized Fourier law with memory:</p>
<disp-formula id="E78"><mml:math id="M111"><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where the kernel <italic>K</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>) encodes memory effects via (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-deformed Mittag-Leffler or gamma functions, where</p>
<disp-formula id="E79"><mml:math id="M112"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Entropy increases according to:</p>
<disp-formula id="E80"><mml:math id="M113"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-formalism is a useful demonstration tool because it readily applies the rules of thermodynamics to non-equilibrium, non-extensive, and memory-dependent infrastructure.</p>
<p>Example 3.2. (Anomalous Heat Equation in the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Entropy Framework) Consider the nonlinear, memory-influenced heat equation on <italic>x</italic> &#x02208; [0, <italic>L</italic>], <italic>t</italic>&#x0003E;0:</p>
<disp-formula id="E81"><mml:math id="M114"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>u</italic>(<italic>x, t</italic>) indicates the temperature or energy density, &#x003BC;&#x0003E;1 governs nonlinearity (superdiffusion for &#x003BC;&#x0003E;1), and <italic>K</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>) acts as a memory kernel derived from the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Gamma function. We put</p>
<disp-formula id="E82"><mml:math id="M115"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">with&#x000A0;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Let <italic>u</italic>(<italic>x</italic>, 0) &#x0003D; <italic>u</italic><sub>0</sub>(<italic>x</italic>), <italic>u</italic>(0, <italic>t</italic>) &#x0003D; <italic>u</italic>(<italic>L, t</italic>) &#x0003D; 0, where <inline-formula><mml:math id="M116"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mo class="qopname">sin</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for some constant <italic>A</italic>&#x0003E;0. Let the solution of the form</p>
<disp-formula id="E83"><mml:math id="M117"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>X</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo class="qopname">sin</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Then, we get</p>
<disp-formula id="E84"><mml:math id="M118"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>This is a Volterra integro-differential equation with nonlinear damping and memory</p>
<disp-formula id="E85"><mml:math id="M119"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Define energy, as follows:</p>
<disp-formula id="E86"><mml:math id="M120"><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Then the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy is</p>
<disp-formula id="E87"><mml:math id="M121"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E88"><mml:math id="M122"><mml:mrow><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The entropy functional <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>) decays slowly, demonstrating the persistent power of memory effects, and the temperature profile satisfies <italic>T</italic>(<italic>t</italic>) &#x02192; 0 as <italic>t</italic> &#x02192; &#x0221E;. As opposed to the exponential relaxation observed in classical models, the decay in this instance is non-exponential due to the convolution nature of the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-memory kernel. Therefore, nonlinear diffusion of the form <italic>u</italic><sup>&#x003BC;</sup> for gathering complex heterogeneous media, an extended entropy functional that tracks the system&#x00027;s departure from equilibrium, a (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-deformed memory kernel storing long-term hereditary implications, and fractional-like temporal dynamics for orders &#x003B1; &#x02208; (0, 1) are all significant features of anomalous heat transport that are captured by the proposed PDE. Such a framework is especially helpful for simulating slow or nonlocal biological tissues, viscoelastic components, and memory-based thermal processes.</p>
<p>Remark 3.3 (Justification of the Memory Kernel <italic>K</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>)). The memory kernel of our model is a generalized form of the conventional power-law kernel, <inline-formula><mml:math id="M123"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula>. It is crucial for modeling the inheritance of temperature reactions in biological tissues. In biological systems such as human tissues, diffusion, and thermal relaxation take time. Instead, they show memory effects that are better captured by <italic>nonlocal</italic> operators. Empirical studies have shown that the memory response of such systems sometimes exhibits anomalous diffusion and power-law decay. The fundamental Caputo kernel <inline-formula><mml:math id="M124"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> is frequently used in this way. Adding the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-deformed gamma function &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(&#x000B7;) to the kernel makes the algorithm more flexible for complex biological scenarios. In particular, we may encode the following using the parameters <italic>q</italic> and &#x003C4;:</p>
<list list-type="order">
<list-item><p><bold>Nonuniform tissue response:</bold> The tissue response is not uniform. Memory effects, for instance, can be more damped or slower in layered or porous tissues.</p></list-item>
<list-item><p><bold>Better regulation of memory deterioration:</bold> The temporal scaling of memory weight is adjusted by &#x003C4;&#x0003E;1, whereas small values of <italic>q</italic> result in slower decay (long memory).</p></list-item>
<list-item><p><bold>Acceptance of generalized thermodynamics:</bold> In systems with long-range interactions or fractal geometries, the kernel is in line with entropy functionals obtained from nonextensive statistics.</p></list-item>
</list>
<p>The (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Caputo-type fractional derivative is where the kernel naturally occurs: The nonlocal memory structure is preserved but parametric flexibility is introduced in</p>
<disp-formula id="E89"><mml:math id="M125"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>This type supports a broader variety of diffusion processes, including memory-controlled relaxation events and sub-diffusion. Thus, <italic>K</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>) is a physically induced and mathematically solid choice. It is consistent with recent developments in fractional thermodynamics and non-extensive entropy theory, and it better captures the memory feature of biological tissues than the conventional kernel.</p>
<p>Example 3.4. A computational model of <italic>T</italic>(<italic>t</italic>) with nonlinear decay and (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-memory looks like this: We investigate how the evolution of a temperature-like variable, <italic>T</italic>(<italic>t</italic>), is governed by the generalized integro-differential equation:</p>
<disp-formula id="E90"><mml:math id="M126"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x003BC;&#x0003E;1 accounts for nonlinear decay, &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(&#x003B1;) is the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-gamma function, &#x003B1; &#x02208; (0, 1) governs the memory strength, <italic>T</italic>(0) &#x0003D; <italic>T</italic><sub>0</sub> is the initial condition. Simulation parameters are nonlinearity: &#x003BC; &#x0003D; 1.2; memory order: &#x003B1; &#x0003D; 0.8; deformation: <italic>q</italic> &#x0003D; 0.5, &#x003C4; &#x0003D; 1; time span: <italic>t</italic> &#x02208; [0, 10]; initial condition: <italic>T</italic>(0) &#x0003D; 1. The memory kernel is defined as:</p>
<disp-formula id="E91"><mml:math id="M127"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>We employ the Euler-like approach to discretize the equation and use a trapezoidal approximation to quantitatively evaluate the memory term. We find that the memory integral causes the temperature <italic>T</italic>(<italic>t</italic>) to fall more slowly than exponentially. While the memory kernel controls long-term decay, the nonlinear term <italic>T</italic><sup>&#x003BC;</sup> has a significant impact on early-time dynamics. Sub-diffusion or viscoelastic-like systems with power-law memory are modeled by such actions. The numerically obtained <italic>T</italic>(<italic>t</italic>) can be used to compute the equivalent extended entropy</p>
<disp-formula id="E92"><mml:math id="M128"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M129"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. This entropy tracks the system&#x00027;s departure from equilibrium and dissipative behavior over time (<xref ref-type="table" rid="T4">Table 4</xref>).</p>
<table-wrap position="float" id="T4">
<label>Table 4</label>
<caption><p>Entropy values <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>) for various values of (<italic>q</italic>, &#x003C4;).</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left"><italic><bold>t</bold></italic></th>
<th valign="top" align="left"><italic><bold>T</bold></italic>(<italic>t</italic>)</th>
<th valign="top" align="left"><italic><bold>S</bold></italic><sub>0.5, 1</sub></th>
<th valign="top" align="left"><italic><bold>S</bold></italic><sub>0.5, 1.5</sub></th>
<th valign="top" align="left"><italic><bold>S</bold></italic><sub>0.5, 2.0</sub></th>
<th valign="top" align="left"><italic><bold>S</bold></italic><sub>0.7, 1</sub></th>
<th valign="top" align="left"><italic><bold>S</bold></italic><sub>0.7, 1.5</sub></th>
<th valign="top" align="left"><italic><bold>S</bold></italic><sub>0.7, 2.0</sub></th>
<th valign="top" align="left"><italic><bold>S</bold></italic><sub>0.9, 1</sub></th>
<th valign="top" align="left"><italic><bold>S</bold></italic><sub>0.9, 1.5</sub></th>
<th valign="top" align="left"><italic><bold>S</bold></italic><sub>0.9, 2.0</sub></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.000000</td>
<td valign="top" align="left">1.000000</td>
<td valign="top" align="left">&#x02013;0.000000</td>
<td valign="top" align="left">&#x02013;0.000000</td>
<td valign="top" align="left">&#x02013;0.000000</td>
<td valign="top" align="left">&#x02013;0.000000</td>
<td valign="top" align="left">&#x02013;0.000000</td>
<td valign="top" align="left">&#x02013;0.000000</td>
<td valign="top" align="left">&#x02013;0.000000</td>
<td valign="top" align="left">&#x02013;0.000000</td>
<td valign="top" align="left">&#x02013;0.000000</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.033445</td>
<td valign="top" align="left">0.966555</td>
<td valign="top" align="left">0.032601</td>
<td valign="top" align="left">0.028892</td>
<td valign="top" align="left">0.032601</td>
<td valign="top" align="left">0.032712</td>
<td valign="top" align="left">0.028990</td>
<td valign="top" align="left">0.032712</td>
<td valign="top" align="left">0.032824</td>
<td valign="top" align="left">0.029089</td>
<td valign="top" align="left">0.032824</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.066890</td>
<td valign="top" align="left">0.932640</td>
<td valign="top" align="left">0.063918</td>
<td valign="top" align="left">0.056646</td>
<td valign="top" align="left">0.063918</td>
<td valign="top" align="left">0.064363</td>
<td valign="top" align="left">0.057040</td>
<td valign="top" align="left">0.064363</td>
<td valign="top" align="left">0.064812</td>
<td valign="top" align="left">0.057438</td>
<td valign="top" align="left">0.064812</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.100334</td>
<td valign="top" align="left">0.898515</td>
<td valign="top" align="left">0.093625</td>
<td valign="top" align="left">0.082973</td>
<td valign="top" align="left">0.093625</td>
<td valign="top" align="left">0.094625</td>
<td valign="top" align="left">0.083859</td>
<td valign="top" align="left">0.094625</td>
<td valign="top" align="left">0.095639</td>
<td valign="top" align="left">0.084758</td>
<td valign="top" align="left">0.095639</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.133779</td>
<td valign="top" align="left">0.864343</td>
<td valign="top" align="left">0.121526</td>
<td valign="top" align="left">0.107699</td>
<td valign="top" align="left">0.121526</td>
<td valign="top" align="left">0.123293</td>
<td valign="top" align="left">0.109266</td>
<td valign="top" align="left">0.123293</td>
<td valign="top" align="left">0.125095</td>
<td valign="top" align="left">0.110862</td>
<td valign="top" align="left">0.125095</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<sec>
<title>3.1.1 Parameter selection criteria</title>
<list list-type="order">
<list-item><p><bold>Thermal diffusivity</bold> <italic>D</italic> was selected in the range 10<sup>&#x02212;3</sup>-10<sup>&#x02212;2</sup>cm<sup>2</sup>/s, which aligns with experimental values for human tissue.</p></list-item>
<list-item><p><bold>Metabolic heat generation</bold> <italic>Q</italic><sub><italic>m</italic></sub> was collected to typical physiological levels (e.g., 420W/m<sup>3</sup>).</p></list-item>
<list-item><p><bold>Initial and boundary conditions</bold> were imposed to fit the biological conditions like <inline-formula><mml:math id="M130"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">skin</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> and <inline-formula><mml:math id="M131"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x000B0;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">C</mml:mtext></mml:mstyle></mml:math></inline-formula>.</p></list-item>
<list-item><p>The <bold>deformation parameter</bold> <italic>q</italic> &#x02208; (0, 1) governs the degree of non-extensivity and memory. Values like <italic>q</italic> &#x0003D; 0.5, 0.7, 0.9 act progressively weaker long-range effects.</p></list-item>
<list-item><p>The <bold>scaling parameter</bold> &#x003C4;&#x0003E;0 modulates the strength of the memory kernel through the deformed Gamma function &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>. Values such as &#x003C4; &#x0003D; 1.0, 1.5, 2.0, were utilized to explore increasingly long memory retention.</p></list-item>
</list>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>4 Existence and uniqueness for (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional equations via entropy bounds</title>
<p>Definition 4.1 (Definition of the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Caputo fractional derivative). Let 0 &#x0003C; &#x003B1; &#x0003C; 1, <italic>q</italic> &#x02208; (0, 1) and &#x003C4;&#x0003E;0. The (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Caputo fractional derivative of a function <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) is given by</p>
<disp-formula id="E93"><mml:math id="M132"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E94"><mml:math id="M133"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x0220F;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(&#x000B7;) is the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Gamma function. When <italic>q</italic> &#x02192; 1<sup>&#x02212;</sup>, <inline-formula><mml:math id="M134"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> (traditional Caputo fractional derivative). The parameter &#x003C4; provides a scaling and tuning of memory depth and decay. This operator is suitable for modeling anomalous dynamics with flexible memory behavior.</p>
<p>Definition 4.2 (Definition of the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Fractional Integral). Let &#x003B1;&#x0003E;0, <italic>q</italic> &#x02208; (0, 1), and &#x003C4;&#x0003E;0. The (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional integral of order &#x003B1; of a function <italic>u</italic>(<italic>t</italic>), denoted by <inline-formula><mml:math id="M135"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, is defined by the integral</p>
<disp-formula id="E95"><mml:math id="M136"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where</p>
<disp-formula id="E96"><mml:math id="M137"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x0220F;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, <inline-formula><mml:math id="M138"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M139"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is linear, <inline-formula><mml:math id="M140"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> under mild regularity conditions.</p>
<p>Consider the non-linear (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional integro-differential equation:</p>
<disp-formula id="E97"><label>(1)</label><mml:math id="M141"><mml:mtable class="eqnarray" columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>with initial condition <italic>u</italic>(0) &#x0003D; <italic>u</italic><sub>0</sub>&#x0003E;0, where <inline-formula><mml:math id="M142"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> denotes the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional Caputo derivative. Let the generalized entropy be defined as:</p>
<disp-formula id="E98"><mml:math id="M143"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Theorem 4.3. Let <italic>f</italic>:[0, <italic>T</italic>] &#x000D7; &#x0211D;<sup>&#x0002B;</sup> &#x02192; &#x0211D; and <italic>K</italic>:[0, <italic>T</italic>]<sup>2</sup>&#x000D7;&#x0211D;<sup>&#x0002B;</sup> &#x02192; &#x0211D; satisfy:</p>
<list list-type="roman-lower">
<list-item><p>(Lipschitz) |<italic>f</italic>(<italic>t, u</italic>)&#x02212;<italic>f</italic>(<italic>t, v</italic>)| &#x02264; <italic>L</italic>|<italic>u</italic>&#x02212;<italic>v</italic>|,</p></list-item>
<list-item><p>(Entropy-bound growth) |<italic>f</italic>(<italic>t, u</italic>)| &#x02264; <italic>C</italic>(1&#x0002B;|<italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>)|),</p></list-item>
<list-item><p><italic>K</italic>(<italic>t, s, u</italic>) is continuous and satisfies |<italic>K</italic>(<italic>t, s, u</italic>)| &#x02264; <italic>C</italic><sub><italic>K</italic></sub>|<italic>u</italic>|,</p></list-item>
</list>
<p>then there exists a unique continuous solution <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) &#x02208; <italic>C</italic>([0, <italic>T</italic>]) for <xref ref-type="disp-formula" rid="E1">Equation 1</xref>.</p>
<p>Proof. Let <inline-formula><mml:math id="M144"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be a Banach space subjected to the norm</p>
<disp-formula id="E99"><mml:math id="M145"><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>||</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">sup</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Define the operator:</p>
<disp-formula id="E100"><mml:math id="M146"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle mathsize="1.61em"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>r</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi><mml:mstyle mathsize="1.61em"><mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>We show that <inline-formula><mml:math id="M147"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a contraction for small <italic>T</italic>.</p>
<p><bold>Step 1: A priori bound using entropy</bold>. From assumption (ii), we get:</p>
<disp-formula id="E101"><mml:math id="M148"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Since <italic>u</italic>(<italic>t</italic>)&#x0003E;0, we have <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>(<italic>t</italic>)) &#x02265; 0, and so:</p>
<disp-formula id="E102"><mml:math id="M149"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Using monotonicity of &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub> and boundedness of <italic>u</italic>, this implies:</p>
<disp-formula id="E103"><mml:math id="M150"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p><bold>Step 2: Operator bound</bold>. Estimate:</p>
<disp-formula id="E104"><mml:math id="M151"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>r</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>By Fubini and known bounds on convolution with fractional kernels, we obtain:</p>
<disp-formula id="E105"><mml:math id="M152"><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>||</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>||</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>||</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p><bold>Step 3: Contraction for small</bold> <bold>T</bold>. Let <inline-formula><mml:math id="M153"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then:</p>
<disp-formula id="E106"><mml:math id="M154"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and similarly for the kernel. Thus:</p>
<disp-formula id="E107"><mml:math id="M155"><mml:mrow><mml:mo>||</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>||</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>||</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>||</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>For sufficiently small <italic>T</italic>, we have <italic>C</italic><sub><italic>T</italic></sub> &#x0003C; 1, so <inline-formula><mml:math id="M156"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is a contraction. By the Banach fixed-point theorem, <inline-formula><mml:math id="M157"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">T</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> has a unique fixed point in <inline-formula><mml:math id="M158"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">X</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, which is the unique solution.</p>
<p>Example 4.4. Consider the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional integro-differential equation:</p>
<disp-formula id="E108"><mml:math id="M159"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with initial condition <italic>u</italic>(0) &#x0003D; <italic>u</italic><sub>0</sub>&#x0003E;0. Our aim is to verify the conditions of the entropy-based existence and uniqueness theorem for the above equation.</p>
<sec>
<title>4.1 Step 1: regularity of <italic>f</italic>(<italic>t, u</italic>)</title>
<p>Define the functional <inline-formula><mml:math id="M160"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula> Then for <italic>u</italic>&#x0003E;0, we have <inline-formula><mml:math id="M161"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula> where <italic>f</italic>(<italic>t, u</italic>) &#x02208; &#x0211D;<sup>&#x0002B;</sup> and is well-defined. Moreover, the function <inline-formula><mml:math id="M162"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x021A6;</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> is Lipschitz on any compact subset [&#x003B4;, <italic>M</italic>]&#x02282;(0, &#x0221E;), because both <italic>u</italic>&#x021A6;<italic>u</italic><sup>1&#x02212;<italic>q</italic></sup> and &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>) are smooth.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.2 Step 2: growth estimate via entropy</title>
<p>We have:</p>
<disp-formula id="E109"><mml:math id="M163"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>so assumption (ii) of the theorem is satisfied.</p>
</sec>
<sec>
<title>4.3 Step 3: kernel condition</title>
<p>Let <inline-formula><mml:math id="M164"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>. Then, we have</p>
<disp-formula id="E110"><mml:math id="M165"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>so the kernel is continuous and linearly bounded, satisfying assumption (iii). All conditions of the entropy-based existence and uniqueness theorem are satisfied. Therefore, the equation:</p>
<disp-formula id="E111"><mml:math id="M166"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>has a unique solution <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) &#x02208; <italic>C</italic>([0, <italic>T</italic>]) for some <italic>T</italic>&#x0003E;0, provided <italic>u</italic>(0)&#x0003E;0. In this example, we applied the entropy-aided existence and uniqueness theorem to a nonlinear (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional integro-differential equation of the form:</p>
<disp-formula id="E112"><mml:math id="M167"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The nonlinear term <inline-formula><mml:math id="M168"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msqrt><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msqrt></mml:math></inline-formula> is controlled by the generalized entropy</p>
<disp-formula id="E113"><mml:math id="M169"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>ensuring that <italic>f</italic>(<italic>t, u</italic>) remains well-behaved for <italic>u</italic>&#x0003E;0. By satisfying the continuity and linear growth assumptions, the kernel <inline-formula><mml:math id="M170"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> permits the use of integral estimates in the fixed-point framework. All of the entropy-based existence and uniqueness theorem&#x00027;s presumptions were confirmed, including the boundedness and continuity of the kernel <italic>K</italic>, the entropy-dominated growth condition on <italic>f</italic>, and the Lipschitz continuity of <italic>f</italic>(<italic>t, u</italic>) on bounded domains. Thus, a unique continuous solution <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) &#x02208; <italic>C</italic>([0, <italic>T</italic>]) exists on some interval [0, <italic>T</italic>] according to the theorem.</p>
<p>This example shows how well entropy functionals work for analyzing nonlinear fractional structures, especially when memory-driven dynamics and non-polynomial growth are involved.</p>
<p>The (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy in <xref ref-type="table" rid="T5">Table 5</xref> extends the traditional Tsallis entropy by incorporating a fractional memory kernel via the generalized gamma function &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>). By providing the entropy to reflect both temporal non-locality and non-extensive spatial impact, this makes it possible to simulate heat processes in biological and viscoelastic media more realistically. Compared to Tsallis entropy, which regularizes PDEs via nonlinear diffusion, the proposed entropy results in fractional memory-regularized dynamics and more properly depicts thermodynamic motion in complex systems with memory and organization.</p>
<table-wrap position="float" id="T5">
<label>Table 5</label>
<caption><p>Comparison between Tsallis entropy and the proposed (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy in entropy-regularized PDE models.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left"><bold>Feature</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>Tsallis entropy <italic>S</italic><sub><italic>q</italic></sub>(<italic>f</italic>)</bold></th>
<th valign="top" align="left"><bold>Generalized entropy <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>f</italic>)</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">Nonextensivity</td>
<td valign="top" align="left">Captures nonadditive effects via <italic>q</italic></td>
<td valign="top" align="left">Includes <italic>q</italic>, preserves nonadditive structure</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">Memory effects</td>
<td valign="top" align="left">Absent; purely local in time</td>
<td valign="top" align="left">Present; includes fractional memory via &#x003C4; and &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>)</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">PDE regularization</td>
<td valign="top" align="left">Induces nonlinear diffusion terms (e.g., porous media)</td>
<td valign="top" align="left">Induces memory-regularized fractional PDEs</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">Mathematical framework</td>
<td valign="top" align="left">Local, suitable for classical diffusion</td>
<td valign="top" align="left">Nonlocal, integrates with fractional calculus (e.g., Caputo, Hadamard)</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">Physical interpretation</td>
<td valign="top" align="left">Entropy in systems with long-range spatial interactions</td>
<td valign="top" align="left">Models entropy in systems with long-range spatial and temporal correlations</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">Applicability</td>
<td valign="top" align="left">Granular systems, porous media</td>
<td valign="top" align="left">Bio-heat, viscoelastic, non-equilibrium thermodynamics</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
<sec>
<title>4.4 Stability via (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy</title>
<p>We need the following results in the sequel:</p>
<p>Lemma 4.5 (Derivative bound of the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-logarithmic function). Let <italic>u</italic>&#x0003E;0, 0 &#x0003C; <italic>q</italic> &#x0003C; 1, and &#x003C4;&#x0003E;0. Formulate the generalized logarithm <inline-formula><mml:math id="M171"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula> Then the derivative of log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>) satisfies:</p>
<disp-formula id="E114"><mml:math id="M172"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>for some constant <italic>C</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>&#x0003E;0 depending on <italic>q</italic> and &#x003C4;, provided <italic>u</italic> &#x02208; (0, <italic>M</italic>] for any fixed <italic>M</italic>&#x0003E;0.</p>
<p>Proof. Utilizing the product rule:</p>
<disp-formula id="E115"><mml:math id="M173"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>First, we have</p>
<disp-formula id="E116"><mml:math id="M174"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Then the total derivative becomes, as follows:</p>
<disp-formula id="E117"><mml:math id="M175"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Putting <italic>u</italic> &#x02208; (0, <italic>M</italic>], both &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>) and <inline-formula><mml:math id="M176"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> are bounded. Let:</p>
<disp-formula id="E118"><mml:math id="M177"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">sup</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munder class="msub"><mml:mrow><mml:mo class="qopname">sup</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:munder></mml:mstyle><mml:mo>|</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Then, we get</p>
<disp-formula id="E119"><mml:math id="M178"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">|</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>:</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>C</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub> absorbs the additive constant and worst-case <italic>u</italic><sup>&#x02212;<italic>q</italic></sup> behavior.</p>
<p>Theorem 4.6 (Entropy-based stability theorem). Let <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) be a positive solution to the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional differential equation:</p>
<disp-formula id="E120"><mml:math id="M179"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M180"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Caputo derivative and <italic>f</italic>(<italic>t, u</italic>) &#x02208; <italic>C</italic>([0, <italic>T</italic>] &#x000D7; (0, &#x0221E;)). Consider the following conditions:</p>
<list list-type="simple">
<list-item><p>(i) <italic>f</italic>(<italic>t, u</italic>) &#x02264; &#x02212;<italic>k</italic>&#x000B7;log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>), for some <italic>k</italic>&#x0003E;0, where <inline-formula><mml:math id="M181"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>;</mml:mo></mml:math></inline-formula></p></list-item>
<list-item><p>(ii) The initial value <italic>u</italic>(0)&#x0003E;0;</p></list-item>
<list-item><p>(iii) <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) &#x02208; <italic>C</italic><sup>1</sup>((0, <italic>T</italic>])&#x02229;<italic>C</italic>([0, <italic>T</italic>]),</p></list-item>
</list>
<p>Then the entropy functional</p>
<disp-formula id="E121"><mml:math id="M182"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>is non-increasing on [0, <italic>T</italic>]. In particular, <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) is stable in the sense of entropy decay:</p>
<disp-formula id="E122"><mml:math id="M183"><mml:mrow><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Proof. We differentiate the entropy functional:</p>
<disp-formula id="E123"><mml:math id="M184"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>From the fractional dynamics:</p>
<disp-formula id="E124"><mml:math id="M185"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and from the assumption (i):</p>
<disp-formula id="E125"><mml:math id="M186"><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x021D2;</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo class="qopname">.</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, in view of Lemma 4.5, we have</p>
<disp-formula id="E126"><mml:math id="M187"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>If <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) &#x02208; (0, 1), then log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>(<italic>t</italic>)) &#x0003C; 0, and hence <inline-formula><mml:math id="M188"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>V</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. This shows that <italic>V</italic>(<italic>t</italic>) is non-increasing, and the solution is stable under entropy.</p>
<p>Example 4.7 (Necessity of positivity in entropy-based stability). Consider the following (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional differential equation:</p>
<disp-formula id="E127"><mml:math id="M189"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo class="qopname">cos</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M190"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> denotes a Caputo-type fractional derivative with memory parameters <italic>q</italic> and &#x003C4;. This is a linear fractional system with an oscillatory forcing term. Depending on the value of &#x003B1;, the memory effect can cause the solution <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) to decay sufficiently that it dips below zero for some <italic>t</italic> &#x02208; [0, <italic>T</italic>].</p>
<p><bold>Issue with negative solutions:</bold> If <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) &#x0003C; 0 for any <italic>t</italic>, the generalized entropy functional</p>
<disp-formula id="E128"><mml:math id="M191"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mstyle><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>is no longer well-defined. Specifically:</p>
<list list-type="simple">
<list-item><p>(i) The generalized logarithm <inline-formula><mml:math id="M192"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> becomes undefined for <italic>u</italic> &#x0003C; 0,</p></list-item>
<list-item><p>(ii) The gamma kernel &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>) may diverge or become complex at non-positive arguments,</p></list-item>
<list-item><p>(iii) The entropy <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>) loses its interpretation as a Lyapunov functional.</p></list-item>
</list>
<p>Requiring <italic>u</italic>(<italic>t</italic>)&#x0003E;0 ensures that the entropy functional is real-valued, smooth, and applicable as a stabilizing quantity. Without this assumption, the entropy decay condition</p>
<disp-formula id="E129"><mml:math id="M193"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>may fail, and the entropy-based stability theorem does not hold. This entropy-based criterion generalizes classical Lyapunov stability, accounting for memory and nonlinearity through the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-structure. Special cases are given in the next results.</p>
<p>Proposition 4.9 (Upper bound for log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>) for small arguments). Let 0 &#x0003C; <italic>q</italic> &#x0003C; 1, &#x003C4;&#x0003E;0, and suppose <italic>u</italic>(<italic>t</italic>)&#x0003E;0 for all <italic>t</italic> &#x02208; [0, <italic>T</italic>]. Then for sufficiently small <italic>u</italic> &#x02208; (0, &#x003B4;], there exists a constant <italic>C</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>&#x0003E;0 such that</p>
<disp-formula id="E130"><mml:math id="M194"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and consequently,</p>
<disp-formula id="E131"><mml:math id="M195"><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">|</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>This guarantees that the entropy functional</p>
<disp-formula id="E132"><mml:math id="M196"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>remains bounded and suitable as a Lyapunov functional in entropy-based stability analysis.</p>
<p>Proof. Recall the definition of the deformed logarithm:</p>
<disp-formula id="E133"><mml:math id="M197"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>) is a generalization of the classical Gamma function. As <italic>u</italic> &#x02192; 0<sup>&#x0002B;</sup>, the first term behaves like:</p>
<disp-formula id="E134"><mml:math id="M198"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">since</mml:mtext><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Based on the features of deformations for <italic>q</italic> &#x02208; (0, 1), &#x003C4;&#x0003E;0, and the known singular behavior of the classical Gamma function close to the origin, we assume that the deformed Gamma function fulfills:</p>
<disp-formula id="E135"><mml:math id="M199"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">as&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>for some constant <italic>C</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>&#x0003E;0. The convergence study of the infinite product defining &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>), which inherits the pole at <italic>u</italic> &#x0003D; 0 from the traditional Gamma function, supports this claim. When we combine the two asymptotics, we get</p>
<disp-formula id="E136"><mml:math id="M200"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0007E;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">as&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Therefore, for sufficiently small <italic>u</italic> &#x02208; (0, &#x003B4;], there occurs a constant <italic>K</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub> &#x0003D; <italic>C</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>/(1&#x02212;<italic>q</italic>) with</p>
<disp-formula id="E137"><mml:math id="M201"><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">|</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">|</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and hence, we get</p>
<disp-formula id="E138"><mml:math id="M202"><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x02200;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003B4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>This guarantees that the entropy functional <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>) is well-defined and finite for every positive <italic>u</italic>(<italic>t</italic>), and that the entropy integrand <italic>u</italic>(<italic>t</italic>)log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>(<italic>t</italic>)) stays confined. This confirms that entropy-based Lyapunov techniques are suitable for stability analysis.</p>
<p>Theorem 4.8. Let <italic>u</italic>:[0, <italic>T</italic>] &#x02192; (0, &#x0221E;) be a solution to the nonlinear fractional differential equation</p>
<disp-formula id="E139"><mml:math id="M203"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with initial condition <italic>u</italic>(0) &#x0003D; <italic>u</italic><sub>0</sub>&#x0003E;0, and <inline-formula><mml:math id="M204"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Caputo derivative. Define the entropy functional:</p>
<disp-formula id="E140"><mml:math id="M205"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Then <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) is globally stable, and the entropy functional achieves the decay estimate</p>
<disp-formula id="E141"><mml:math id="M206"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>for some constant <italic>c</italic>&#x0003E;0. Consequently, <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>(<italic>t</italic>)) &#x02264; <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic><sub>0</sub>), and <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) remains bounded on [0, <italic>T</italic>].</p>
<p>Proof. Differentiate <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>(<italic>t</italic>)):</p>
<disp-formula id="E142"><mml:math id="M207"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Employing the differential equation</p>
<disp-formula id="E143"><mml:math id="M208"><mml:mrow><mml:mover accent="true"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mover><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>we substitute</p>
<disp-formula id="E144"><mml:math id="M209"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mstyle mathsize="1.61em"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathsize="1.61em"><mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>Using Lemma 4.5, we have</p>
<disp-formula id="E145"><mml:math id="M210"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x021D2;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>So the total correction is controlled:</p>
<disp-formula id="E146"><mml:math id="M211"><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and hence, we obtain</p>
<disp-formula id="E147"><mml:math id="M212"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>This implies <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>(<italic>t</italic>)) is non-increasing, and since it&#x00027;s bounded below (e.g., by zero), <italic>u</italic>(<italic>t</italic>) is stable.</p>
<p>This finding applies traditional Lyapunov stability to entropy-driven dissipation in nonlocal fractional systems.</p>
<p>Theorem 4.10 (Entropy dissipation and stability). Consider the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional entropy-regularized diffusion equation:</p>
<disp-formula id="E148"><mml:math id="M213"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>subject to boundary condition <italic>u</italic>(<italic>x, t</italic>) &#x0003D; 0 on &#x02202;&#x003A9;, and initial data <italic>u</italic>(<italic>x</italic>, 0) &#x0003D; <italic>u</italic><sub>0</sub>(<italic>x</italic>)&#x0003E;0. Here, <inline-formula><mml:math id="M214"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> indicates the Caputo-type (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional derivative in time; <italic>D</italic>(<italic>u</italic>) &#x02265; <italic>D</italic><sub>0</sub>&#x0003E;0 presents a smooth nonlinear diffusion coefficient; <inline-formula><mml:math id="M215"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> admits the generalized logarithm.</p>
<p>Let <italic>u</italic>(<italic>x, t</italic>) &#x02208; <italic>C</italic><sup>2</sup>(&#x003A9;)&#x02229;<italic>C</italic><sup>1</sup>([0, <italic>T</italic>]) be a positive classical solution to the above problem. Formulate the total entropy functional:</p>
<disp-formula id="E149"><mml:math id="M216"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Then the entropy functional satisfies the differential inequality:</p>
<disp-formula id="E150"><mml:math id="M217"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>and hence <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>) &#x02264; <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(0). Thus, the system is globally stable under entropy decay.</p>
<p>Proof. Differentiate <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>):</p>
<disp-formula id="E151"><mml:math id="M218"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>From the PDE, we get</p>
<disp-formula id="E152"><mml:math id="M219"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle mathsize="1.61em"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathsize="1.61em"><mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The diffusion term integrates to 0 under boundary conditions:</p>
<disp-formula id="E153"><mml:math id="M220"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Choosing <inline-formula><mml:math id="M221"><mml:mi>&#x003C8;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula>, and bounding its growth using Lemma 4.5, we have</p>
<disp-formula id="E154"><mml:math id="M222"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Hence, <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>) is non-increasing.</p>
<p>This shows that degradation is driven by entropy in the context of diffusion and nonlocal fractional time evolution. The functional <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub> functions as a Lyapunov entropy as well as a thermodynamic one. W e reach our following conclusion:</p>
<p>Theorem 4.11. (Entropy dissipation under (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional nonlinear diffusion) Let <italic>u</italic>(<italic>x, t</italic>)&#x0003E;0 be a sufficiently smooth solution to the fractional PDE:</p>
<disp-formula id="E155"><mml:math id="M223"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>on a bounded domain &#x003A9;&#x02282;&#x0211D;<sup><italic>n</italic></sup>, with appropriate boundary conditions (e.g., zero-flux or Dirichlet). Consider the following assumptions:</p>
<list list-type="simple">
<list-item><p>(H1) <italic>D</italic>(<italic>u</italic>) &#x02265; 0 is non-decreasing,</p></list-item>
<list-item><p>(H2) <italic>R</italic>(<italic>u</italic>) &#x02265; 0,</p></list-item>
<list-item><p>(H3) log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>) is convex in <italic>u</italic>&#x0003E;0.</p></list-item>
</list>
<p>Define the deformed entropy functional</p>
<disp-formula id="E156"><mml:math id="M224"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Then, if the following inequality holds:</p>
<disp-formula id="E157"><mml:math id="M225"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>it follows that</p>
<disp-formula id="E158"><mml:math id="M226"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Proof. We compute the Caputo-type (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional derivative of the entropy functional:</p>
<disp-formula id="E159"><mml:math id="M227"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>We apply the fractional product rule (valid for smooth functions under fractional derivatives) to write:</p>
<disp-formula id="E160"><mml:math id="M228"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Now, using the governing PDE:</p>
<disp-formula id="E161"><mml:math id="M229"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>we substitute into the entropy derivative:</p>
<disp-formula id="E162"><mml:math id="M230"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mstyle mathsize="1.61em"><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mtext>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;</mml:mtext><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle mathsize="1.61em"><mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>We handle the two terms differently.</p>
<p><bold>Term 1: diffusion and reaction</bold></p>
<disp-formula id="E163"><mml:math id="M231"><mml:mtable columnalign="left"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<p>The first term is handled via integration by parts, assuming zero-flux boundary conditions:</p>
<disp-formula id="E164"><mml:math id="M232"><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Since <inline-formula><mml:math id="M233"><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:math></inline-formula>, we have:</p>
<disp-formula id="E165"><mml:math id="M234"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>provided <italic>D</italic>(<italic>u</italic>) &#x02265; 0 and log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>) is convex (i.e., <inline-formula><mml:math id="M235"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>). Therefore, we have</p>
<disp-formula id="E166"><mml:math id="M236"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Now note that <italic>R</italic>(<italic>u</italic>) &#x02265; 0, and for all <italic>u</italic>&#x0003E;0, log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>) &#x02265; log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(1) &#x0003D; 0, or at least bounded. So the second integral is non-negative or vanishes when <italic>u</italic> &#x0003D; 1. Thus, we obtain <italic>I</italic><sub>1</sub> &#x02265; 0.</p>
<p><bold>Term 2: non-locality correction</bold> We consider:</p>
<disp-formula id="E167"><mml:math id="M237"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>By convexity of log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>), and assuming <italic>u</italic>(<italic>x, t</italic>) remains positive and bounded, <inline-formula><mml:math id="M238"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>, which implies:</p>
<disp-formula id="E168"><mml:math id="M239"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Combining terms, we have</p>
<disp-formula id="E169"><mml:math id="M240"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>This proves that the entropy decays in the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional sense.</p>
<p>Corollary 4.12. (Classical entropy decay for special (<italic>q</italic>, &#x003C4;) parameters) Let <italic>u</italic>(<italic>x, t</italic>)&#x0003E;0 be a sufficiently smooth solution to the classical non-linear reaction-diffusion equation</p>
<disp-formula id="E170"><mml:math id="M241"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02207;</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with <italic>D</italic>(<italic>u</italic>) &#x02265; 0, <italic>R</italic>(<italic>u</italic>) &#x02265; 0, and zero-flux or Dirichlet boundary conditions on a domain &#x003A9;&#x02282;&#x0211D;<sup><italic>n</italic></sup>. Let <inline-formula><mml:math id="M242"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> be the generalized logarithm function. Then, under either of the following observations:</p>
<list list-type="order">
<list-item><p>&#x003C4; &#x0003D; 1 and &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>) &#x02192; 1,</p></list-item>
<list-item><p><italic>q</italic> &#x0003D; 1 and log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>) &#x02192; log(<italic>u</italic>),</p></list-item>
</list>
<p>the deformed entropy functional</p>
<disp-formula id="E171"><mml:math id="M243"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003A9;</mml:mo></mml:mrow></mml:msub></mml:mstyle><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>reduces to a classical entropy, and satisfies</p>
<disp-formula id="E172"><mml:math id="M244"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02264;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Example 4.13. (Numerical simulation of a (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy regularized fractional diffusion equation) We consider the following entropy-regularized fractional diffusion equation:</p>
<disp-formula id="E173"><mml:math id="M245"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with Dirichlet boundary conditions:</p>
<disp-formula id="E174"><mml:math id="M246"><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo class="qopname">exp</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>10</mml:mn><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M247"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> presents the Caputo-type fractional derivative of order &#x003B1; &#x02208; (0, 1), <inline-formula><mml:math id="M248"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, and <inline-formula><mml:math id="M249"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mo>&#x00393;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> admits an approximation of the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-gamma function. We utilize a uniform spatial grid with step size <inline-formula><mml:math id="M250"><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> and forward Euler in time. The Laplacian is approximated using central differences. The time stepping formula is</p>
<disp-formula id="E175"><mml:math id="M251"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with stability ensured via small &#x00394;<italic>t</italic> and clipping <inline-formula><mml:math id="M252"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>. Thus, the total entropy becomes</p>
<disp-formula id="E176"><mml:math id="M253"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mo>&#x00394;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Parameters set is given as follows:</p>
<p><bold> Data 4.13</bold>.</p>
<disp-formula id="E177"><mml:math id="M254"><mml:mrow><mml:mtable columnalign='left'><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>Diffusion&#x000A0;coefficient</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.01</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>Fractional&#x000A0;order</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.8</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>Entropy&#x000A0;weight</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>&#x003BB;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>q-deformation</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>Scaling&#x000A0;parameter</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>Time&#x000A0;domain</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>&#x00394;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.01</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr columnalign='left'><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mtext>Space&#x000A0;domain</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd columnalign='left'><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mo stretchy='false'>[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy='false'>]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mi>N</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>50.</mml:mn></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p><xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4</xref> presents the evolution of <italic>u</italic>(<italic>x, t</italic>) for selected times. <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref> demonstrates the monotonic decay of the entropy functional <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>), verifying the entropy-based stability.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>Figure 4</label>
<caption><p>Evolution of the solution <italic>u</italic>(<italic>x, t</italic>) at selected times for <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref> data-1.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-11-1643121-g0004.tif">
<alt-text>Graph showing the solution u(x,t) over time with five curves representing different times: t=0.00, t=0.25, t=0.51, t=0.76, and t=1.00. The x-axis represents x from 0 to 1, and the y-axis represents u(x,t) from 0 to 1. Curves start and end at the x-axis, peaking at different heights depending on the time value.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<fig id="F5" position="float">
<label>Figure 5</label>
<caption><p>Decay of the entropy functional <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>) over time.</p></caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tiff" xlink:href="fams-11-1643121-g0005.tif">
<alt-text>Line graph titled &#x0201C;Entropy Functional  S_{q, &#x003C4;}(t) over Time&#x0201D; showing a decreasing trend. X-axis represents time from 0 to 1, and Y-axis represents S_{q, &#x003C4; }(t) values from 0.19 to 0.34.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>The theoretical prediction that the entropy functional <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>) decays with time while the result <italic>u</italic>(<italic>x, t</italic>) stays positive and smooth is supported by this computational approach. The system is stabilized and oscillations in the diffusion dynamics are lessened by the entropy term. Although <xref ref-type="table" rid="T6">Table 6</xref> makes it evident that the entropy decay pattern is same for all &#x003C4;, better resolution may reveal more accurate numerical variations.</p>
<table-wrap position="float" id="T6">
<label>Table 6</label>
<caption><p>Entropy <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>) for different &#x003C4; values.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left"><italic><bold>t</bold></italic></th>
<th valign="top" align="center"><bold>&#x003C4; &#x0003D; 0.5</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>&#x003C4; &#x0003D; 0.99</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>&#x003C4; &#x0003D; 2.0</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.000000</td>
<td valign="top" align="center">0.341487</td>
<td valign="top" align="center">0.341487</td>
<td valign="top" align="center">0.341487</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.202020</td>
<td valign="top" align="center">0.268685</td>
<td valign="top" align="center">0.268685</td>
<td valign="top" align="center">0.268685</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.404040</td>
<td valign="top" align="center">0.237497</td>
<td valign="top" align="center">0.237497</td>
<td valign="top" align="center">0.237497</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.606061</td>
<td valign="top" align="center">0.216054</td>
<td valign="top" align="center">0.216054</td>
<td valign="top" align="center">0.216054</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.808081</td>
<td valign="top" align="center">0.200107</td>
<td valign="top" align="center">0.200107</td>
<td valign="top" align="center">0.200107</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<p><xref ref-type="table" rid="T7">Table 7</xref> presents the computed values of the entropy functional <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>) at selected time steps for different values of the <italic>q</italic>-deformation parameter, while keeping &#x003C4; &#x0003D; 1.0 fixed.</p>
<table-wrap position="float" id="T7">
<label>Table 7</label>
<caption><p>Entropy <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>) for different <italic>q</italic> values (&#x003C4; &#x0003D; 1.0).</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left"><italic><bold>t</bold></italic></th>
<th valign="top" align="center"><italic><bold>q</bold></italic> <bold>&#x0003D; 0.1</bold></th>
<th valign="top" align="center"><italic><bold>q</bold></italic> <bold>&#x0003D; 0.5</bold></th>
<th valign="top" align="center"><italic><bold>q</bold></italic> <bold>&#x0003D; 0.9</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.000000</td>
<td valign="top" align="center">0.407372</td>
<td valign="top" align="center">0.341487</td>
<td valign="top" align="center">0.155493</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.202020</td>
<td valign="top" align="center">0.296506</td>
<td valign="top" align="center">0.268685</td>
<td valign="top" align="center">0.160872</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.404040</td>
<td valign="top" align="center">0.254601</td>
<td valign="top" align="center">0.237497</td>
<td valign="top" align="center">0.157799</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.606061</td>
<td valign="top" align="center">0.228124</td>
<td valign="top" align="center">0.216054</td>
<td valign="top" align="center">0.153744</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.808081</td>
<td valign="top" align="center">0.209662</td>
<td valign="top" align="center">0.200107</td>
<td valign="top" align="center">0.149122</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<sec>
<title>4.4.1 Observations</title>
<list list-type="bullet">
<list-item><p><bold>Initial magnitude:</bold> At <italic>t</italic> &#x0003D; 0, the entropy is highest for <italic>q</italic> &#x0003D; 0.1 and lowest for <italic>q</italic> &#x0003D; 0.9. This yields the fact that the generalized logarithm log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>) grows faster for smaller <italic>q</italic>, amplifying entropy for the same initial condition.</p></list-item>
<list-item><p><bold>Decay rate:</bold> Over time, all entropy profiles show monotonic decrease. But for smaller <italic>q</italic> values, the rate of decay is sharper, suggesting a stronger entropy regularization impact.</p></list-item>
<list-item><p><bold>Convergence behavior:</bold> The entropy values for <italic>q</italic> &#x0003D; 0.1 and <italic>q</italic> &#x0003D; 0.5 start to converge at <italic>t</italic>&#x02248;0.4, while <italic>q</italic> &#x0003D; 0.9 stays distinct with slower decay.</p></list-item>
</list>
<p>The deformation parameter <italic>q</italic> governs entropy-driven dissipation in fractional evolution equations. Nonlocal influences are amplified by lower values of <italic>q</italic>, which convey stronger memory effects and higher sensitivity of the solution <italic>u</italic>(<italic>x, t</italic>) to past states. Conversely, higher values of <italic>q</italic>, which flatten the entropy landscape, are used to simulate systems that develop closer to equilibrium with less entropic resistance. Viscoelastic materials, bio-thermal dynamics, and anomalous transport are examples of nonlinear, nonequilibrium phenomena that can be described using the framework due to its structural adaptability. Consequently, the choice of <italic>q</italic> can be changed to achieve the desired balance between nonlocal memory, entropy suppression, and diffusive relaxation.</p></sec>
<sec>
<title>4.4.2 Discussion</title>
<p>The action of the generalized entropy functional <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>) in entropy-regularized fractional diffusion equations is substantially illustrated by computer simulations of different values of the scaling parameter &#x003C4; and the deformation parameter <italic>q</italic>. The entropy estimations act nearly identically for the specified initial data and evolution period, according to the summarized results for &#x003C4; &#x02208; {0.5, 0.99, 2.0}. This implies that the parameter &#x003C4; has a minor impact on the entropy dynamics in this specific problem scenario. The influence of &#x003C4; is particularly noticeable in systems with spatial-temporal coupling, integro-differential models with hereditary kernels, and long-term simulations since it mainly scales the memory kernel of the fractional derivative. On the other hand, altering <italic>q</italic> &#x02208; {0.1, 0.5, 0.9} shows notable variations in the decay rate and amplitude of <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>). Larger entropy levels and more non-extensive behavior, which decreases more slowly, are the results of lower values of <italic>q</italic>. This validates the function of <italic>q</italic>, an adjustable entropy regularization parameter that regulates the system&#x00027;s sensitivity to local changes in the solution. These results demonstrate the complementary functions of <italic>q</italic> and &#x003C4;: the scaling parameter &#x003C4; alters the fractional operator&#x00027;s time-scaling and memory form, while the deformation parameter <italic>q</italic> influences the nonlinearity and statistical structure of the entropy. When combined, they offer a versatile framework for simulating dissipative dynamics in complex systems, particularly in applications involving non-equilibrium thermodynamics, anomalous diffusion, and long-range interactions.</p>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>4.5 Mesh convergence analysis</title>
<p>To evaluate the numerical correctness of the entropy decay simulation, we compute the <italic>L</italic><sup>2</sup>-norm of the error between the precise entropy function <inline-formula><mml:math id="M255"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mstyle class="text"><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">exact</mml:mtext></mml:mstyle></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> and the numerical approximation for different mesh sizes <italic>h</italic>. The results are summarized in <xref ref-type="table" rid="T8">Table 8</xref>.</p>
<table-wrap position="float" id="T8">
<label>Table 8</label>
<caption><p><italic>L</italic><sup>2</sup>-Error of entropy approximation for different mesh sizes.</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left"><bold>Mesh size <italic>h</italic></bold></th>
<th valign="top" align="center"><italic><bold>L</bold></italic><bold><sup>2</sup>-error</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.5000</td>
<td valign="top" align="center">0.033154</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.2500</td>
<td valign="top" align="center">0.012656</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.1250</td>
<td valign="top" align="center">0.005360</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.0625</td>
<td valign="top" align="center">0.002443</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
<p><xref ref-type="table" rid="T8">Table 8</xref> demonstrates that the <italic>L</italic><sup>2</sup>-error decreases continuously as the mesh size <italic>h</italic> is decreased. This implies that a convergent numerical approximation of the entropy <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>) is possible. The error decay rate is consistent with the expected order of accuracy for time-fractional discretizations that include deformed memory kernels. These results support the stability and reliability of the entropy-based formulation in capturing thermal dynamics and confirm the application of fine temporal meshes for accurate simulations.</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>5 Mathematical model</title>
<p>We propose a generalized fractional bio-heat transport model incorporating (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy regularization. The governing equation is:</p>
<disp-formula id="E178"><mml:math id="M256"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M257"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> presents the Caputo-type (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional derivative of order &#x003B1; &#x02208; (0, 1), <inline-formula><mml:math id="M258"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the generalized logarithm, <italic>D</italic> indicates the tissue thermal diffusivity, &#x003BB;&#x0003E;0 is the entropy regularization strength, and <italic>Q</italic><sub><italic>m</italic></sub> introduces the metabolic heat generation rate. Boundary and Initial Conditions are considered in the domain <italic>x</italic> &#x02208; [0, <italic>L</italic>], with:</p>
<disp-formula id="E179"><mml:math id="M259"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="E180"><mml:math id="M260"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>T</italic><sub>0</sub>(<italic>x</italic>) is the initial tissue temperature, which can be uniform or spatially varying (e.g., Gaussian source representing laser heating). The physical interpretation is as follows: The equation <inline-formula><mml:math id="M261"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula> captures the genetic influences on tissue heat conduction and models sub-diffusive memory activity. The entropy feedback term &#x02212;&#x003BB;log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>T</italic>) introduces the stabilizing mechanism that prevents unphysical temperature blow-up and replicates the nonlinear thermal resistance effects present in biological tissue. The source term <italic>Q</italic><sub><italic>m</italic></sub> represents continuous metabolic heat generation. This model generalizes traditional Pennes bio-heat transport to account for memory implications and non-extensive entropy-driven dynamics, offering a more accurate approach for understanding bio-thermal processes in living tissues.</p>
<p>Proposition 5.1. (Approximate solution to entropy-regularized (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional bio-heat equation) Consider the fractional PDE:</p>
<disp-formula id="E181"><mml:math id="M262"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>for <italic>x</italic> &#x02208; [0, <italic>L</italic>], <italic>t</italic>&#x0003E;0, with boundary conditions:</p>
<disp-formula id="E182"><mml:math id="M263"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">skin</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M264"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> admits the Caputo-type (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional derivative of order 0 &#x0003C; &#x003B1; &#x0003C; 1, and <inline-formula><mml:math id="M265"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>. Then, an approximate solution can be expressed as follows:</p>
<disp-formula id="E183"><mml:math id="M266"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">skin</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="qopname">sin</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M267"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the ((<italic>q</italic>, &#x003C4;))Mittag-Leffler function, <inline-formula><mml:math id="M268"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:math></inline-formula>, <inline-formula><mml:math id="M269"><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover></mml:math></inline-formula> is a mode-dependent entropy dissipation term, and <inline-formula><mml:math id="M270"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></inline-formula> is the equilibrium offset.</p>
<p><italic>Proof</italic>. We assume the solution admits a separation-of-variables form:</p>
<disp-formula id="E184"><mml:math id="M271"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">skin</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">with&#x000A0;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>This shift transforms the PDE into:</p>
<disp-formula id="E185"><mml:math id="M272"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">skin</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Linearizing the logarithmic term around a steady state amplitude <italic>T</italic><sub><italic>n</italic></sub>, we approximate:</p>
<disp-formula id="E186"><mml:math id="M273"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">const</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>This leads to a linear fractional PDE in <italic>v</italic>(<italic>x, t</italic>) with effective damping:</p>
<disp-formula id="E187"><mml:math id="M274"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>v</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mover accent="false" class="mml-overline"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo accent="true">&#x000AF;</mml:mo></mml:mover><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Utilizing Fourier sine expansion satisfying homogeneous Dirichlet BCs, we write:</p>
<disp-formula id="E188"><mml:math id="M275"><mml:mrow><mml:mi>v</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="qopname">sin</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Substituting into the linearized equation yields the time-fractional ODE:</p>
<disp-formula id="E189"><mml:math id="M276"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The solution to this fractional ODE is:</p>
<disp-formula id="E190"><mml:math id="M277"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <inline-formula><mml:math id="M278"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)Mittag-Leffler function. Finally, restoring all components, we obtain the proposed approximate solution:</p>
<disp-formula id="E191"><mml:math id="M279"><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">skin</mml:mtext></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>A</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>E</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003BC;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo class="qopname">sin</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="true">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>&#x003C0;</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mrow><mml:mo stretchy="true">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<sec>
<title>5.1 Classical Pennes bioheat equation</title>
<p>The traditional Pennes bioheat equation is given by:</p>
<disp-formula id="E192"><mml:math id="M280"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x003C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where <italic>T</italic>(<italic>x, t</italic>) is the temperature distribution in tissue, <italic>D</italic> indicates the thermal diffusivity of the tissue, &#x003C9;<sub><italic>b</italic></sub> presents the blood perfusion rate, &#x003C1;<sub><italic>b</italic></sub> is the blood density, <italic>c</italic><sub><italic>b</italic></sub> refers to the specific heat of blood, <italic>T</italic><sub><italic>a</italic></sub> admits arterial blood temperature, and <italic>Q</italic><sub><italic>m</italic></sub> is the metabolic heat generation per unit volume.</p>
<sec>
<title>5.1.1 Limiting case of proposition 5.1: recovery of the classical Pennes equation</title>
<p>To verify the consistency of our generalized model, we consider the limit (<italic>q</italic>, &#x003C4;) &#x02192; (1, 1) and &#x003B1; &#x02192; 1. In this case, the generalized logarithmic term satisfies:</p>
<disp-formula id="E193"><mml:math id="M281"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>while the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Caputo fractional derivative reduces to the classical time derivative:</p>
<disp-formula id="E194"><mml:math id="M282"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02192;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Thus, the design becomes:</p>
<disp-formula id="E195"><mml:math id="M283"><mml:mrow><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:mo class="qopname">log</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Furthermore, by linearizing the logarithmic term under near-equilibrium conditions as &#x003BB;log(<italic>T</italic>)&#x02248;&#x003C9;<sub><italic>b</italic></sub>&#x003C1;<sub><italic>b</italic></sub><italic>c</italic><sub><italic>b</italic></sub>(<italic>T</italic>&#x02212;<italic>T</italic><sub><italic>a</italic></sub>), the well-known Pennes bioheat equation can be reconstructed. This shows that the proposed (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional model generalizes the classical theory while preserving its fundamental composition in the appropriate limit.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s6">
<title>6 Numerical method</title>
<p>We proceed to introduce a numerical method using the following technique.</p>
<sec>
<title>6.1 Discretization of the Caputo-type (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional derivative</title>
<p>The Caputo-type (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional derivative is defined by</p>
<disp-formula id="E196"><mml:math id="M284"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02032;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(&#x000B7;) denotes the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Gamma function, encoding memory effects via deformation parameters <italic>q</italic> and &#x003C4;. Let <italic>t</italic><sub><italic>n</italic></sub> &#x0003D; <italic>nh</italic> for uniform step size <italic>h</italic>&#x0003E;0, and define <italic>u</italic><sub><italic>n</italic></sub>&#x02248;<italic>u</italic>(<italic>t</italic><sub><italic>n</italic></sub>). We approximate the derivative using an L1-type discretization scheme, as follows:</p>
<disp-formula id="E197"><mml:math id="M285"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>The integral can be computed explicitly as:</p>
<disp-formula id="E198"><mml:math id="M286"><mml:mrow><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>s</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Define the discrete weight:</p>
<disp-formula id="E199"><mml:math id="M287"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>:</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Final Discrete Approximation is as follows:</p>
<disp-formula id="E200"><mml:math id="M288"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>u</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>&#x003C9;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>u</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>This discretization incorporates the nonlocal memory effect (by the power-law kernel) and the deformation parameters <italic>q</italic>, &#x003C4; through &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>. For practical computations, &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>) can be approximated using either quadrature or series expansion, depending on its analytic form. It should be mentioned that this method is first-order consistent in time and has an expected error of <inline-formula><mml:math id="M289"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="script">O</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>h</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula>, providing smoothness assumptions on <italic>u</italic>(<italic>t</italic>).</p>
<p>To solve the proposed entropy-regularized fractional bio-heat transport equation:</p>
<disp-formula id="E201"><mml:math id="M290"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>D</mml:mi><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x02202;</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>-</mml:mo><mml:mo>&#x003BB;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>we employ a semi-discrete approach, such that the spatial domain <italic>x</italic> &#x02208; [0, <italic>L</italic>] is discretized using uniform grid points with spacing &#x00394;<italic>x</italic>; and the Laplacian &#x02207;<sup>2</sup><italic>T</italic> has approximated using second-order central differences. The Caputo-type (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional derivative is approximated using the L1 scheme:</p>
<disp-formula id="E202"><mml:math id="M291"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>D</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x02248;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:munderover accentunder="false" accent="false"><mml:mrow><mml:mo>&#x02211;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover></mml:mstyle><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>with memory weights <inline-formula><mml:math id="M292"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>-</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>&#x003B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula>. The generalized logarithm log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>T</italic>) is evaluated pointwise using:</p>
<disp-formula id="E203"><mml:math id="M293"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x000B7;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>Time stepping is performed using an explicit Euler scheme with small &#x00394;<italic>t</italic>, ensuring stability and preserving positivity of <italic>T</italic>(<italic>x, t</italic>).</p>
<sec>
<title>6.1.1 Justification for the forward Euler method</title>
<p>The numerical implementation uses a first-order forward Euler technique for temporal discretization, even though the analytical conclusions depend on smoothness and positivity criteria for the solution <italic>u</italic>(<italic>t</italic>). This choice is supported by the facts that follow:</p>
<list list-type="simple">
<list-item><p>(i) <bold>Mild stiffness in fractional terms:</bold> The (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-fractional derivative presents memory effects but often with slowly varying kernels, especially for &#x003B1; &#x02208; (0.5, 1), which reduces the severity of stiffness compared to classical stiff ODEs.</p></list-item>
<list-item><p>(ii) <bold>Stabilizing role of entropy:</bold> The entropy regularization term <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>u</italic>) admits a dissipative mechanism that enhances stability. The functional decays over time, effectively damping high-frequency numerical instabilities.</p></list-item>
<list-item><p>(iii) <bold>Small time step regime:</bold> The forward Euler scheme is applied with sufficiently small time steps (<italic>h</italic> &#x02264; 0.01), as verified in the convergence table (<xref ref-type="table" rid="T8">Table 8</xref>), ensuring numerical stability despite stiffness.</p></list-item>
<list-item><p>(iv) <bold>Computational simplicity:</bold>Forward Euler offers a computationally fast approach that captures qualitative trends without the complexity of implicit solvers for exploratory simulations and parameter sweeps (e.g., altering &#x003C4;).</p></list-item>
</list>
<p>For well-resolved discretization grids and tolerable final times, the forward Euler technique is applicable. For greater rigidity or long-term integration, semi-implicit or flexible techniques might be suggested.</p>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>6.2 Convergence and stability of the product definition of &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>)</title>
<p>We consider the deformed Gamma function defined via an infinite product:</p>
<disp-formula id="E204"><mml:math id="M294"><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo>&#x00393;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>&#x0003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>where the infinite product <inline-formula><mml:math id="M295"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>a</mml:mi><mml:mo>;</mml:mo><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0220F;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:mi>a</mml:mi><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> denotes the <italic>q</italic>-Pochhammer symbol.</p>
<sec>
<title>6.2.1 Convergence criteria</title>
<p>The product <inline-formula><mml:math id="M296"><mml:msub><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0220F;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x0221E;</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>-</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x0002B;</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula> converges uniformly for:</p>
<disp-formula id="E205"><mml:math id="M297"><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x02208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>M</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mtext>&#x02003;</mml:mtext><mml:mtext class="textrm" mathvariant="normal">where&#x000A0;</mml:mtext><mml:mi>&#x003B5;</mml:mi><mml:mo>&#x0003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>.</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<p>This requires: 0 &#x0003C; <italic>q</italic> &#x0003C; 1 to ensure that <italic>q</italic><sup><italic>x</italic>&#x0002B;&#x003C4;<italic>k</italic></sup> &#x02192; 0 as <italic>k</italic> &#x02192; &#x0221E;, &#x003C4;&#x0003E;0 to ensure proper spacing in the exponents, and <italic>x</italic>&#x0003E;0 to avoid singular behavior at <italic>x</italic> &#x0003D; 0.</p>
<sec>
<title>6.2.1.1 Behavior near <italic>x</italic> &#x0003D; 0</title>
<p>As <italic>x</italic> &#x02192; 0<sup>&#x0002B;</sup>, the term 1&#x02212;<italic>q</italic><sup><italic>x</italic></sup> &#x02192; 0, and hence &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>) &#x02192; &#x0221E;, indicating a singularity similar to the classical Gamma function &#x00393;(<italic>x</italic>). For numerical stability, it is necessary to restrict the computational domain to <italic>x</italic> &#x02265; &#x003B5; for small &#x003B5;&#x0003E;0 (e.g., &#x003B5; &#x0003D; 10<sup>&#x02212;2</sup>).</p></sec>
<sec>
<title>6.2.1.2 Numerical stability recommendations</title>
<list list-type="simple">
<list-item><p>(i) Truncate the infinite product when <italic>q</italic><sup><italic>x</italic>&#x0002B;&#x003C4;<italic>k</italic></sup> &#x0003C; 10<sup>&#x02212;16</sup> to avoid round-off errors,</p></list-item>
<list-item><p>(ii) For small <italic>x</italic>, consider using an asymptotic approximation or regularization of &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>),</p></list-item>
<list-item><p>(iii) To improve numerical precision, compute log&#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>) instead of the Gamma function directly.</p></list-item>
</list>
<p>For practical calculation, the product form of &#x00393;<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>x</italic>) is stable and well-defined when <italic>x</italic> is limited away from zero. Close to the origin, attention must be taken to ensure convergence and avoid numerical instability.</p>
<p>With this method, bio-heat transport dynamics over fractional memory and entropy regularization may be efficiently and correctly approximated (<xref ref-type="table" rid="T10">Algorithm 1</xref>).</p>
<table-wrap position="float" id="T10">
<label>Algorithm 1</label>
<caption><p>Entropy-regularized algorithm for simulating thermal transport using the generalized entropy-based stabilization.</p></caption>
<table frame="hsides" rules="groups">
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left"><mml:monospace>1. Initialize <italic>T</italic>(<italic>x</italic>, 0) &#x0003D; <italic>T</italic><sub>0</sub>(<italic>x</italic>), apply boundary conditions <italic>T</italic>(0, <italic>t</italic>) &#x0003D; <italic>T</italic>(<italic>L, t</italic>) &#x0003D; <italic>T</italic><sub><italic>skin</italic></sub>.</mml:monospace></td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><mml:monospace>2. For each time step <italic>n</italic>:</mml:monospace></td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><mml:monospace>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x02022; Compute &#x02207;<sup>2</sup><italic>T</italic> using central differences.</mml:monospace></td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><mml:monospace>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x02022; Evaluate log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>T</italic>) at each grid point.</mml:monospace></td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><mml:monospace>&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x000A0;&#x02022; Update <italic>T</italic>(<italic>x, t</italic>) using the discretized fractional derivative and entropy term.</mml:monospace></td>
</tr>
<tr>
<td valign="top" align="left"><mml:monospace>3. Compute the entropy functional at each time step:</mml:monospace>
<disp-formula id="E206"><mml:math id="M298"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>S</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>-</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>&#x0222B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mo class="qopname">log</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>q</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>&#x003C4;</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></disp-formula></td></tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec>
<title>6.3 Temperature evolution: discussion</title>
<p><xref ref-type="table" rid="T9">Table 9</xref> presents the temperature profile evolution <italic>T</italic>(<italic>x, t</italic>) at particular spatial locations and time instances. The initial Gaussian temperature distribution is centered at <italic>x</italic> &#x0003D; 0.5cm and spreads rapidly throughout the tissue due to both diffusion and the metabolic heat source <italic>Q</italic><sub><italic>m</italic></sub>. The temperature near the boundaries <italic>x</italic> &#x0003D; 0 and <italic>x</italic> &#x0003D; <italic>L</italic> remains constant at 33&#x000B0;C in accordance with the enforced Dirichlet boundary constraints. Conversely, the interior sites experience a monotonic increase in temperature over time, with the center experiencing the greatest values. This reflects the combined effect of local heating and the stabilizing effect of the entropy regularization term &#x02212;&#x003BB;log<sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>T</italic>). Importantly, the entropy term avoids unphysical temperature blow-ups while allowing realistic temperature gradients. The results confirm that the spatiotemporal dynamics of bio-heat transport are accurately represented by the proposed model, which includes memory effects and entropy-based stability.</p>
<table-wrap position="float" id="T9">
<label>Table 9</label>
<caption><p>Temperature <italic>T</italic>(<italic>x, t</italic>) at selected spatial points and times (stabilized).</p></caption>
<table frame="box" rules="all">
<thead>
<tr>
<th valign="top" align="left"><bold>x (cm)</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>t = 0.00 s</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>t = 0.25 s</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>t = 0.50 s</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>t = 0.75 s</bold></th>
<th valign="top" align="center"><bold>t = 1.00 s</bold></th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td valign="top" align="left">0.00</td>
<td valign="top" align="center">33.00</td>
<td valign="top" align="center">33.00</td>
<td valign="top" align="center">33.00</td>
<td valign="top" align="center">33.00</td>
<td valign="top" align="center">33.00</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.24</td>
<td valign="top" align="center">19.30</td>
<td valign="top" align="center">944.33</td>
<td valign="top" align="center">1,869.36</td>
<td valign="top" align="center">2,794.38</td>
<td valign="top" align="center">3,700.90</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.51</td>
<td valign="top" align="center">36.96</td>
<td valign="top" align="center">961.78</td>
<td valign="top" align="center">1,886.60</td>
<td valign="top" align="center">2,811.42</td>
<td valign="top" align="center">3,717.75</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">0.76</td>
<td valign="top" align="center">19.30</td>
<td valign="top" align="center">944.33</td>
<td valign="top" align="center">1,869.36</td>
<td valign="top" align="center">2,794.38</td>
<td valign="top" align="center">3,700.90</td>
</tr> <tr>
<td valign="top" align="left">1.00</td>
<td valign="top" align="center">33.00</td>
<td valign="top" align="center">33.00</td>
<td valign="top" align="center">33.00</td>
<td valign="top" align="center">33.00</td>
<td valign="top" align="center">33.00</td>
</tr></tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusions" id="s7">
<title>7 Conclusion</title>
<p>In this work, we developed and evaluated a class of entropy-regularized fractional diffusion equations using the generalized (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy framework. By adding the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-gamma function to the concept of entropy and the related logarithmic deformation, we were able to provide a robust formulation that addresses both memory-dependent and non-extensive behaviors in anomalous transport systems. By examining the degradation of the entropy functional <italic>S</italic><sub><italic>q</italic>, &#x003C4;</sub>(<italic>t</italic>), we developed a stability theorem and statistically confirmed its monotonicity under various circumstances. We found through extensive simulations that the parameter <italic>q</italic> has a considerable impact on the size and decline of the entropy. Since smaller values of <italic>q</italic> improve non-extensive features and slow down entropy dissipation, the model works well for systems with heavy-tailed dynamics or long memory. Short-term simulations with basic data are less affected by the parameter &#x003C4;, while systems with considerable hereditary or nonlocal consequences are predicted to be affected. In the fractional derivative, it modifies the form of the memory kernel. Additionally, we demonstrated how the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy structure can be extended to support Fisher information and thermodynamic potentials, derive stability conditions based on entropy, formulate partial differential equations that are entropy-regularized, and support numerical algorithms for time-fractional diffusion systems. In general, the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy technique combines non-extensive thermodynamics and fractional calculus, providing a flexible tool for modeling memory-laden physical systems, complex diffusion phenomena, and anomalous heat transport. Future uses of this technique include entropy-constrained optimization in data-driven modeling and control theory, as well as variational Products nonlinear integro-differential systems.</p>
<sec>
<title>7.1 Future work</title>
<p>Numerous directions for further study in the theoretical advancement and real-world applications of (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy in fractional systems are made possible by the current analysis. Among the alternatives are:</p>
<list list-type="bullet">
<list-item><p><bold>Extension to integro-differential and nonlinear equations:</bold> incorporating (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy regularization into increasingly complex models, such as nonlocal population dynamics, nonlinear reaction-diffusion systems, and Volterra-type integro-differential equations.</p></list-item>
<list-item><p><bold>Entropy minimization and variational principles:</bold> developing entropy-based variational structures for inverse problems, optimization, and regularized control of fractional PDEs, particularly in signal and image processing.</p></list-item>
<list-item><p><bold>I</bold>nterpretations of thermodynamics: Thermodynamic potentials, expanded free energy, and heat generation are further examined using the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy formality, especially in non-equilibrium and isothermal conditions.</p></list-item>
<list-item><p><bold>Numerical approaches:</bold> developing entropy-stable and structure-preserving numerical methods based on discontinuous Galerkin, finite volume, or spectral procedures that are appropriate for the fractional and deformed setting.</p></list-item>
<list-item><p><bold>I</bold>nformation geometry and entropy transport: investigating the geometry produced by the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-Fisher information and its effects on transport metrics, entropy flow, and statistical manifolds.</p></list-item>
<list-item><p><bold>Uses in biological and physical systems:</bold> applying the idea to particular contexts, including anomalous thermal diffusion in porous media, bio-heat transport in tissues, neuronal memory encoding, and complex networks.</p>
<p><bold>Model reduction and machine learning:</bold> Examining the effects of (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy on learning dynamics, entropy-regularized reinforcement learning, and model reduction in large-scale fractional mathematical models.</p>
</list-item>
</list>
<p>These recommendations aim to improve the analytical understanding of entropy-driven dynamics and expand the cross-disciplinary applicability of the (<italic>q</italic>, &#x003C4;)-entropy model.</p>
</sec>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s8">
<title>Data availability statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/supplementary material, further inquiries can be directed to the corresponding author/s.</p>
</sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s9">
<title>Author contributions</title>
<p>SM: Visualization, Project administration, Writing &#x02013; review &#x00026; editing, Resources, Funding acquisition. RI: Writing &#x02013; original draft, Software, Formal analysis, Methodology, Writing &#x02013; review &#x00026; editing, Investigation, Validation.</p>
</sec>
<sec sec-type="funding-information" id="s10">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that financial support was received for the research and/or publication of this article. This work was supported by Ajman University Internal Research Grant No. (DRGS Ref. 2024-IRG-HBS-3).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="conf1">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec id="s11">
<title>Generative AI statement</title>
<p>The author(s) declare that no Gen AI was used in the creation of this manuscript.</p>
<p>Any alternative text (alt text) provided alongside figures in this article has been generated by Frontiers with the support of artificial intelligence and reasonable efforts have been made to ensure accuracy, including review by the authors wherever possible. If you identify any issues, please contact us.</p></sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s12">
<title>Publisher&#x00027;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<label>1.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hasan</surname> <given-names>AM</given-names></name> <name><surname>Qasim</surname> <given-names>AF</given-names></name> <name><surname>Jalab</surname> <given-names>HA</given-names></name> <name><surname>Ibrahim</surname> <given-names>RW</given-names></name></person-group>. <article-title>Breast cancer MRI classification based on fractional entropy image enhancement and deep feature extraction</article-title>. <source>Baghdad Sci J</source>. (<year>2023</year>) <volume>20</volume>:<fpage>0221</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.21123/bsj.2022.6782</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B2">
<label>2.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hadid</surname> <given-names>SB</given-names></name> <name><surname>Ibrahim</surname> <given-names>RW</given-names></name> <name><surname>Momani</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <article-title>On the entropic order quantity model based on the conformable calculus</article-title>. <source>Prog Fract Differ Appl</source>. (<year>2021</year>) <volume>7</volume>:<fpage>263</fpage>&#x02013;<lpage>273</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.18576/pfda/070405</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B3">
<label>3.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ibrahim</surname> <given-names>RW</given-names></name></person-group>. (<year>2021</year>). <article-title>Water engineering modeling controlled by generalized Tsallis entropy</article-title>. <source>Montes Taurus J Pure Appl. Mathem</source>. <volume>3</volume>:<fpage>227</fpage>&#x02013;<lpage>237</lpage>.</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<label>4.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Al-Shamasneh</surname> <given-names>AR</given-names></name> <name><surname>Ibrahim</surname> <given-names>RW</given-names></name></person-group>. <article-title>Image denoising based on quantum calculus of local fractional entropy</article-title>. <source>Symmetry</source>. (<year>2023</year>) <volume>15</volume>:<fpage>396</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/sym15020396</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B5">
<label>5.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Alshawarbeh</surname> <given-names>E</given-names></name> <name><surname>Alghamdi</surname> <given-names>FM</given-names></name> <name><surname>Meraou</surname> <given-names>MA</given-names></name> <name><surname>Aljohani</surname> <given-names>HM</given-names></name> <name><surname>Abdelraouf</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Riad</surname> <given-names>FH</given-names></name> <etal/></person-group>. <article-title>A novel three-parameter nadarajah haghighi model: entropy measures, inference, and applications</article-title>. <source>Symmetry</source>. (<year>2024</year>) <volume>16</volume>:<fpage>751</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/sym16060751</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B6">
<label>6.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Silva</surname> <given-names>MV</given-names></name> <name><surname>de Stefani</surname> <given-names>GL</given-names></name> <name><surname>Guedes</surname> <given-names>G</given-names></name> <name><surname>Palma</surname> <given-names>DAP</given-names></name></person-group>. <article-title>Effective medium temperature for calculating the deformed Doppler broadening function considering the Tsallis distribution</article-title>. <source>Ann Nuclear Energy</source>. (<year>2023</year>) <volume>194</volume>:<fpage>110110</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.anucene.2023.110110</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B7">
<label>7.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Dingyu</surname> <given-names>X</given-names></name> <name><surname>Lu</surname> <given-names>B</given-names></name></person-group>. <source>Fractional Calculus</source>. <publisher-loc>Cham</publisher-loc>: <publisher-name>Springer</publisher-name> (<year>2024</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<label>8.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Agarwal</surname> <given-names>P</given-names></name> <name><surname>Martinez</surname> <given-names>LV</given-names></name> <name><surname>Lenzi</surname> <given-names>EK</given-names></name></person-group>. <source>Recent Trends in Fractional Calculus and Its Applications</source>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Elsevier</publisher-name> (<year>2024</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<label>9.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ghanbari</surname> <given-names>B</given-names></name></person-group>. <source>Fractional Calculus: Bridging Theory with Computational and Contemporary Advances</source>. <publisher-loc>New York</publisher-loc>: <publisher-name>Elsevier</publisher-name> (<year>2024</year>).</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<label>10.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Lopes</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Alfi</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Chen</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>David</surname> <given-names>S</given-names></name></person-group>. <source>Fractional Calculus: Theory and Applications</source>. <publisher-loc>London</publisher-loc>: <publisher-name>MDPI</publisher-name> (<year>2024</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/books978-3-7258-1146-5</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B11">
<label>11.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Abro</surname> <given-names>KA</given-names></name> <name><surname>Atangana</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Gomez-Aguilar</surname> <given-names>JF</given-names></name></person-group>. <article-title>An analytic study of bioheat transfer Pennes model via modern non-integers differential techniques</article-title>. <source>Eur Phys J Plus</source>. (<year>2021</year>) <volume>136</volume>:<fpage>1144</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1140/epjp/s13360-021-02136-x</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B12">
<label>12.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Salem</surname> <given-names>MG</given-names></name> <name><surname>Abouelregal</surname> <given-names>AE</given-names></name> <name><surname>Elzayady</surname> <given-names>ME</given-names></name> <name><surname>Sedighi</surname> <given-names>HM</given-names></name></person-group>. <article-title>Biomechanical response of skin tissue under ramp-type heating by incorporating a modified bioheat transfer model and the Atangana&#x02013;Baleanu fractional operator</article-title>. <source>Acta Mech</source>. (<year>2024</year>) <volume>235</volume>:<fpage>5041</fpage>&#x02013;<lpage>60</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00707-024-03988-x</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B13">
<label>13.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Da Costa</surname> <given-names>L</given-names></name> <name><surname>Pavliotis</surname> <given-names>GA</given-names></name></person-group>. <article-title>The entropy production of stationary diffusions</article-title>. <source>J Phys A</source>. (<year>2023</year>) <volume>56</volume>:<fpage>365001</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/1751-8121/acdf98</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B14">
<label>14.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hristov</surname> <given-names>J</given-names></name></person-group>. <article-title>Bio-heat models revisited: concepts, derivations, nondimensalization and fractionalization approaches</article-title>. <source>Front Phys</source>. (<year>2019</year>) <volume>7</volume>:<fpage>189</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fphy.2019.00189</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B15">
<label>15.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Jackson</surname> <given-names>FH</given-names></name></person-group>. <article-title>XI&#x02013;On q-functions and a certain difference operator</article-title>. <source>Trans R Soc Edinburgh</source>. (<year>1909</year>) <volume>46</volume>:<fpage>253</fpage>&#x02013;<lpage>281</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/S0080456800002751</pub-id><pub-id pub-id-type="pmid">39067957</pub-id></citation></ref>
<ref id="B16">
<label>16.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Kac</surname> <given-names>V</given-names></name> <name><surname>Cheung</surname> <given-names>P</given-names></name></person-group>. <article-title>Quantum Calculus</article-title>. In: <source>Universitext</source>. New York: Springer (<year>2002</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-1-4613-0071-7</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B17">
<label>17.</label>
<citation citation-type="book"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Ernst</surname> <given-names>T</given-names></name></person-group>. <source>A Comprehensive Treatment of q-Calculus</source>. <publisher-loc>Basel</publisher-loc>: <publisher-name>Springer.</publisher-name> (<year>2012</year>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-0348-0431-8</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B18">
<label>18.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Attiya</surname> <given-names>AA</given-names></name> <name><surname>Ibrahim</surname> <given-names>RW</given-names></name> <name><surname>Hakami</surname> <given-names>AH</given-names></name> <name><surname>Cho</surname> <given-names>NE</given-names></name> <name><surname>Yassen</surname> <given-names>MF</given-names></name></person-group>. <article-title>Quantum&#x02013;fractal&#x02013;fractional operator in a complex domain</article-title>. <source>Axioms</source>. (<year>2025</year>) <volume>14</volume>:<fpage>57</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/axioms14010057</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B19">
<label>19.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Alqarni</surname> <given-names>MZ</given-names></name> <name><surname>Akel</surname> <given-names>M</given-names></name> <name><surname>Abdalla</surname> <given-names>M</given-names></name></person-group>. <article-title>Solutions to fractional q-kinetic equations involving quantum extensions of generalized hyper mittag-leffler functions</article-title>. <source>Fractal Fract</source>. (<year>2024</year>) <volume>8</volume>:<fpage>58</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/fractalfract8010058</pub-id></citation>
</ref>
<ref id="B20">
<label>20.</label>
<citation citation-type="journal"><person-group person-group-type="author"><name><surname>Hasanov</surname> <given-names>A</given-names></name> <name><surname>Yuldashova</surname> <given-names>H</given-names></name></person-group>. <article-title>Mittag-Leffler type functions of three variables</article-title>. <source>Mathem Methods Appl Sci</source>. (<year>2024</year>) <volume>48</volume>:<fpage>1659</fpage>&#x02013;<lpage>1675</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/mma.10401</pub-id></citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article> 