<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD JATS (Z39.96) Journal Publishing DTD v1.1 20151215//EN" "http://jats.nlm.nih.gov/publishing/1.1/JATS-journalpublishing1.dtd">
<article xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xml:lang="en" article-type="research-article" dtd-version="1.1">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="pmc">CMES</journal-id>
<journal-id journal-id-type="nlm-ta">CMES</journal-id>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">CMES</journal-id>
<journal-title-group>
<journal-title>Computer Modeling in Engineering &#x0026; Sciences</journal-title>
</journal-title-group>
<issn pub-type="epub">1526-1506</issn>
<issn pub-type="ppub">1526-1492</issn>
<publisher>
<publisher-name>Tech Science Press</publisher-name>
<publisher-loc>USA</publisher-loc>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">70298</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.32604/cmes.2025.070298</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Article</subject>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>A Hybrid Machine Learning and Fractional-Order Dynamical Framework for Multi-Scale Prediction of Breast Cancer Progression</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">A Hybrid Machine Learning and Fractional-Order Dynamical Framework for Multi-Scale Prediction of Breast Cancer Progression</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">A Hybrid Machine Learning and Fractional-Order Dynamical Framework for Multi-Scale Prediction of Breast Cancer Progression</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib id="author-1" contrib-type="author" corresp="yes">
<name name-style="western"><surname>Amilo</surname><given-names>David</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref><email>amilodavid.ikechukwu@neu.edu.tr</email></contrib>
<contrib id="author-2" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Sadri</surname><given-names>Khadijeh</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref></contrib>
<contrib id="author-3" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Hincal</surname><given-names>Evren</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-1">1</xref><xref ref-type="aff" rid="aff-2">2</xref></contrib>
<contrib id="author-4" contrib-type="author">
<name name-style="western"><surname>Hafez</surname><given-names>Mohamed</given-names></name><xref ref-type="aff" rid="aff-3">3</xref><xref ref-type="aff" rid="aff-4">4</xref></contrib>
<aff id="aff-1"><label>1</label><institution>Mathematics Research Center, Near East University TRNC</institution>, <addr-line>Mersin 10, Nicosia, 99138</addr-line>, <country>Turkey</country></aff>
<aff id="aff-2"><label>2</label><institution>Research Center of Applied Mathematics, Khazar University</institution>, <addr-line>Baku, AZ1096</addr-line>, <country>Azerbaijan</country></aff>
<aff id="aff-3"><label>3</label><institution>Department of Civil Engineering, Faculty of Engineering</institution>, <addr-line>FEQS INTI-IU, University, Nilai, 71800</addr-line>, <country>Malaysia</country></aff>
<aff id="aff-4"><label>4</label><institution>Faculty of Management, Shinawatra University</institution>, <addr-line>Pathum, 12160, Thani</addr-line>, <country>Thailand</country></aff>
</contrib-group>
<author-notes>
<corresp id="cor1"><label>&#x002A;</label>Corresponding Author: David Amilo. Email: <email>amilodavid.ikechukwu@neu.edu.tr</email></corresp>
</author-notes>
<pub-date date-type="collection" publication-format="electronic">
<year>2025</year>
</pub-date>
<pub-date date-type="pub" publication-format="electronic">
<day>26</day><month>11</month><year>2025</year>
</pub-date>
<volume>145</volume>
<issue>2</issue>
<fpage>2189</fpage>
<lpage>2222</lpage>
<history>
<date date-type="received">
<day>12</day>
<month>7</month>
<year>2025</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>04</day>
<month>9</month>
<year>2025</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>&#x00A9; 2025 The Authors.</copyright-statement>
<copyright-year>2025</copyright-year>
<copyright-holder>Published by Tech Science Press.</copyright-holder>
<license xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<license-p>This work is licensed under a <ext-link ext-link-type="uri" xlink:type="simple" xlink:href="https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">Creative Commons Attribution 4.0 International License</ext-link>, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.</license-p>
</license>
</permissions>
<self-uri content-type="pdf" xlink:href="TSP_CMES_70298.pdf"></self-uri>
<abstract>
<p>Breast cancer&#x2019;s heterogeneous progression demands innovative tools for accurate prediction. We present a hybrid framework that integrates machine learning (ML) and fractional-order dynamics to predict tumor growth across diagnostic and temporal scales. On the Wisconsin Diagnostic Breast Cancer dataset, seven ML algorithms were evaluated, with deep neural networks (DNNs) achieving the highest accuracy (97.72%). Key morphological features (area, radius, texture, and concavity) were identified as top malignancy predictors, aligning with clinical intuition. Beyond static classification, we developed a fractional-order dynamical model using Caputo derivatives to capture memory-driven tumor progression. The model revealed clinically interpretable patterns: lower fractional orders correlated with prolonged aggressive growth, while higher orders indicated rapid stabilization, mimicking indolent subtypes. Theoretical analyses were rigorously proven, and numerical simulations closely fit clinical data. The framework&#x2019;s clinical utility is demonstrated through an interactive graphics user interface (GUI) that integrates real-time risk assessment with growth trajectory simulations.</p>
</abstract>
<kwd-group kwd-group-type="author">
<kwd>Machine learning</kwd>
<kwd>fractional-order</kwd>
<kwd>breast cancer</kwd>
<kwd>physiological dynamics</kwd>
<kwd>maternal health</kwd>
<kwd>preventable deaths</kwd>
</kwd-group>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<label>1</label>
<title>Introduction</title>
<p>Breast cancer continues to be a major global health challenge, with complex biological behaviors that make accurate prediction of disease progression particularly difficult [<xref ref-type="bibr" rid="ref-1">1</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-5">5</xref>]. The disease&#x2019;s heterogeneity manifests not only in its molecular subtypes but also in its highly variable growth patterns and treatment responses [<xref ref-type="bibr" rid="ref-6">6</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-7">7</xref>]. Current diagnostic methods, while effective for detection, often struggle to provide comprehensive insights into the dynamic nature of tumor evolution [<xref ref-type="bibr" rid="ref-8">8</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-9">9</xref>]. This limitation has spurred significant interest in developing more sophisticated analytical approaches that can bridge the gap between immediate diagnostic needs and long-term prognostic predictions, particularly through the integration of computational methods with biological insights. The emergence of machine learning in medical diagnostics has revolutionized the approach to cancer classification [<xref ref-type="bibr" rid="ref-10">10</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-12">12</xref>]. These data-driven methods excel at identifying complex patterns in high-dimensional datasets, enabling highly accurate differentiation between malignant and benign lesions. Various algorithms, from traditional logistic regression to advanced deep neural networks, have demonstrated impressive performance in breast cancer diagnosis [<xref ref-type="bibr" rid="ref-13">13</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-14">14</xref>]. For instance, the study in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-15">15</xref>] presented an AI-assisted deep learning model for early melanoma detection that achieved high accuracy while demonstrating potential for clinical implementation. However, while these models provide excellent snapshots of disease state at a given moment, they typically cannot model the temporal dynamics of tumor progression. This represents a significant limitation, as understanding how a tumor evolves is crucial for predicting its future behavior and selecting optimal treatment strategies. The static nature of conventional machine learning approaches contrasts with the dynamic reality of cancer biology, where past states continuously influence future progression. Mathematical modeling has been instrumental in analyzing a wide range of phenomena and practical applications [<xref ref-type="bibr" rid="ref-16">16</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-19">19</xref>]. They also offer complementary strengths to machine learning by providing frameworks to simulate biological processes over time [<xref ref-type="bibr" rid="ref-20">20</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-22">22</xref>]. Traditional differential equation models have been widely used to describe tumor growth dynamics [<xref ref-type="bibr" rid="ref-23">23</xref>]; however, they often rely on simplifying assumptions that may not fully capture the complexity of real-world cancer progression. This is where fractional calculus presents an intriguing alternative. Unlike classical calculus, fractional-order models incorporate memory effects and long-range dependencies, which align well with the observed behavior of biological systems [<xref ref-type="bibr" rid="ref-24">24</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-26">26</xref>], and have shown value across multiple disciplines [<xref ref-type="bibr" rid="ref-27">27</xref>&#x2013;<xref ref-type="bibr" rid="ref-29">29</xref>]. The ability to account for historical influences on current growth patterns makes fractional calculus particularly suitable for modeling cancer progression, where a tumor&#x2019;s past states significantly impact its future development. Recent applications of fractional-order models in biology and medicine have shown promising results, though their integration with data-driven approaches remains underexplored [<xref ref-type="bibr" rid="ref-30">30</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-31">31</xref>]. Recent advances have demonstrated the potential of combining these approaches. The authors in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-32">32</xref>] developed a novel approach using a fractional recurrent neural network (RNN) to achieve observer-based synchronization in a fractional-order chaotic cancer cell model, while research [<xref ref-type="bibr" rid="ref-33">33</xref>] proposed a mathematical model integrated with machine learning techniques that achieved 97.65% accuracy in breast cancer prediction. Despite these advances, a critical gap remains in developing a unified framework that combines machine learning&#x2019;s diagnostic precision with fractional calculus&#x2019;s ability to model progression dynamics while maintaining clinical interpretability and utility.</p>
<p>Our work addresses this gap through a novel hybrid framework that begins with comprehensive machine learning analysis to identify the most predictive diagnostic features, then constructs a fractional-order dynamical system that captures the essential interactions governing tumor progression. This approach allows us to not only classify tumors with high accuracy but also to simulate their likely future behavior under different conditions. A key innovation is our use of the fractional order parameter as a potential biomarker for tumor aggressiveness, where different values correspond to distinct growth patterns observed clinically. The theoretical underpinnings of our model are rigorously developed, with careful attention to ensuring biological plausibility and clinical relevance, including proofs of existence and uniqueness of solutions. Practical implementation is achieved through a user-friendly graphical interface that integrates both classification capabilities and predictive modeling, representing a crucial step in translating complex computational methods into clinically actionable information. The broader implications of this work extend beyond breast cancer, offering a new paradigm for disease modeling that combines data-driven pattern recognition with mechanistic understanding. While advanced computational frameworks like ours aim to improve diagnostic precision, patient attitudes toward cancer management, including complementary and alternative medicine (CAM), remain critical to holistic care. Studies in low-resource settings, such as in [<xref ref-type="bibr" rid="ref-34">34</xref>], exploration of CAM perspectives among Pakistani cancer patients, reveal a gap between technological innovations and patient-centric adoption. Their findings underscore the need for culturally adaptable tools that bridge predictive analytics (like our hybrid ML-fractional model) with patient education, particularly in regions where breast cancer stigma or reliance on CAM may delay evidence-based treatment. By bridging these approaches, we move closer to truly personalized medicine, where treatment strategies can be tailored not just to a patient&#x2019;s current disease state but to their predicted future progression. The rest of the paper is structured as follows: <xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref> introduces the methodology used in the study, providing the technical foundation for these advances. <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref> details the various machine learning algorithms employed. In <xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>, the fractional-order modeling is formulated and extensively analyzed with analytic and numerical simulations. The results and implications are discussed in <xref ref-type="sec" rid="s5">Section 5</xref>, while the conclusion, novelty, limitations, and future directions are given in <xref ref-type="sec" rid="s6">Section 6</xref>, demonstrating the potential to transform our approach to breast cancer management.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<label>2</label>
<title>Methodology</title>
<p>To investigate the dynamics of breast cancer progression, we developed an integrated analytical framework that combines machine learning classification with fractional-order dynamical modeling, implemented in MATLAB R2021a. This dual approach aims to leverage machine learning&#x2019;s strength in data-driven pattern recognition alongside fractional calculus&#x2019;s ability to capture memory-dependent biological processes, ensuring both predictive accuracy and biological interpretability. The methodology links machine learning outputs, such as feature importance, to the parameterization of mechanistic tumor growth models, creating a cohesive pipeline that bridges data science and mathematical biology. The dataset characteristics are summarized in <xref ref-type="table" rid="table-1">Table 1</xref>, with its feature categories described in <xref ref-type="table" rid="table-2">Table 2</xref>. The entire schematic flow is depicted in <xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref>, with ultrasound image analysis illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-2">Fig. 2</xref>, showing a malignant breast tumor via diagnostic and breast ultrasound imaging, adapted from [<xref ref-type="bibr" rid="ref-35">35</xref>], highlighting irregular mass morphology, spiculated margins, and segmentation. The ML research design is illustrated in <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3</xref>, with feature importance ranking and cross-validated performance metrics summarized in <xref ref-type="table" rid="table-3">Tables 3</xref> and <xref ref-type="table" rid="table-4">4</xref>, respectively. First, a comprehensive feature analysis using machine learning algorithms with the best performing algorithm, then the development of a fractional-order dynamical system informed by machine learning outputs, and finally, clinical implementation and prediction. The process begins with preprocessing the Wisconsin Diagnostic Breast Cancer dataset to ensure data quality and consistency. Subsequently, parallel workflows develop machine learning models for feature identification and fractional-order systems for tumor growth modeling. Machine learning algorithms identify key diagnostic features, which directly inform the parameterization of the fractional-order tumor growth model. This reciprocal relationship ensures that data-driven insights enhance the mechanistic understanding of cancer progression, while the fractional-order model provides interpretable dynamics grounded in biological principles. The resulting framework synthesizes empirical analysis and theoretical modeling, offering a novel paradigm for multi-scale cancer progression analysis with improved predictive performance and clinical applicability.</p>
<table-wrap id="table-1">
<label>Table 1</label>
<caption>
<title>Dataset overview</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Property</th>
<th>Value</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>Source</td>
<td>UCI machine learning repository</td>
</tr>
<tr>
<td>URL</td>
<td>[<xref ref-type="bibr" rid="ref-36">36</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-37">37</xref>]</td>
</tr>
<tr>
<td>Number of instances</td>
<td>569</td>
</tr>
<tr>
<td>Number of features</td>
<td>30 (10 real-valued features computed for each of 3 characteristics)</td>
</tr>
<tr>
<td>Target variable</td>
<td>Diagnosis (Malignant/Benign)</td>
</tr>
<tr>
<td>Class distribution</td>
<td>37.26% malignant, 62.74% benign</td>
</tr>
<tr>
<td>Missing values</td>
<td>None</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap><table-wrap id="table-2">
<label>Table 2</label>
<caption>
<title>Feature categories and descriptions</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Feature type</th>
<th>Description</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>Radius</td>
<td>Mean distance from center to points on perimeter</td>
</tr>
<tr>
<td>Texture</td>
<td>Standard deviation of gray-scale values</td>
</tr>
<tr>
<td>Perimeter</td>
<td>Tumor perimeter length</td>
</tr>
<tr>
<td>Area</td>
<td>Tumor area</td>
</tr>
<tr>
<td>Smoothness</td>
<td>Local variation in radius lengths</td>
</tr>
<tr>
<td>Compactness</td>
<td><inline-formula id="ieqn-1"><mml:math id="mml-ieqn-1"><mml:msup><mml:mtext>Perimeter</mml:mtext><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">A</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">r</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">e</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">a</mml:mi></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mspace width="negativethinmathspace" /><mml:mn>1.0</mml:mn></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
<tr>
<td>Concavity</td>
<td>Severity of concave portions of contour</td>
</tr>
<tr>
<td>Concave points</td>
<td>Number of concave portions of contour</td>
</tr>
<tr>
<td>Symmetry</td>
<td>Symmetry of the tumor shape</td>
</tr>
<tr>
<td>Fractal dimension</td>
<td>&#x201C;Coastline approximation&#x201D; &#x2212;1</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap><fig id="fig-1">
<label>Figure 1</label>
<caption>
<title>Schematic of the hybrid framework integrating machine learning (classification) with fractional-order dynamics (tumor progression modeling), showing bidirectional data flow between diagnostic features and growth trajectory predictions</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-1.tif"/>
</fig><fig id="fig-2">
<label>Figure 2</label>
<caption>
<title>Plot detection of a malignant breast tumor in diagnostic imaging, using an ultrasound image of a malignant tumor from the real dataset [<xref ref-type="bibr" rid="ref-35">35</xref>]. Parameters for segmentation: threshold &#x003D; 0.7, Sobel edge detection</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-2.tif"/>
</fig><fig id="fig-3">
<label>Figure 3</label>
<caption>
<title>Machine learning breast cancer diagnostic pipeline</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-3.tif"/>
</fig><table-wrap id="table-3">
<label>Table 3</label>
<caption>
<title>Feature importance ranking</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Rank</th>
<th>Feature name</th>
<th>Importance score</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>1</td>
<td>Area_worst</td>
<td>0.8659</td>
</tr>
<tr>
<td>2</td>
<td>Radius_worst</td>
<td>0.8561</td>
</tr>
<tr>
<td>3</td>
<td>ConcavePoints_worst</td>
<td>0.8511</td>
</tr>
<tr>
<td>4</td>
<td>Perimeter_worst</td>
<td>0.6813</td>
</tr>
<tr>
<td>5</td>
<td>Texture_worst</td>
<td>0.6588</td>
</tr>
<tr>
<td>6</td>
<td>ConcavePoints_mean</td>
<td>0.6509</td>
</tr>
<tr>
<td>7</td>
<td>Area_se</td>
<td>0.6475</td>
</tr>
<tr>
<td>8</td>
<td>Texture_mean</td>
<td>0.6206</td>
</tr>
<tr>
<td>9</td>
<td>Concavity_worst</td>
<td>0.5573</td>
</tr>
<tr>
<td>10</td>
<td>Area_mean</td>
<td>0.4936</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap><table-wrap id="table-4">
<label>Table 4</label>
<caption>
<title>Cross-validated performance metrics (Mean <inline-formula id="ieqn-2"><mml:math id="mml-ieqn-2"><mml:mo>&#x00B1;</mml:mo></mml:math></inline-formula> Std), with the best highlighted in blue in each column</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Model</th>
<th>Accuracy</th>
<th>Precision</th>
<th>Recall</th>
<th>F1 Score</th>
<th>AUC</th>
<th>Time (s)</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>Neural network (Deep)</td>
<td><styled-content style-type="color" style="color: #0000FF;">0.97716</styled-content></td>
<td><styled-content style-type="color" style="color: #0000FF;">0.97662</styled-content></td>
<td><styled-content style-type="color" style="color: #0000FF;">0.96224</styled-content></td>
<td><styled-content style-type="color" style="color: #0000FF;">0.96923</styled-content></td>
<td>0.99532</td>
<td>5.3755</td>
</tr>
<tr>
<td>SVM</td>
<td>0.97538</td>
<td>0.97617</td>
<td>0.95748</td>
<td>0.96655</td>
<td><styled-content style-type="color" style="color: #0000FF;">0.99572</styled-content></td>
<td>17.769</td>
</tr>
<tr>
<td>Neural network (Shallow)</td>
<td>0.96834</td>
<td>0.96217</td>
<td>0.95271</td>
<td>0.95700</td>
<td>0.99525</td>
<td>2.563</td>
</tr>
<tr>
<td>XGBoost</td>
<td>0.95779</td>
<td>0.94327</td>
<td>0.94341</td>
<td>0.94318</td>
<td>0.99249</td>
<td>0.85101</td>
</tr>
<tr>
<td>Random forest</td>
<td>0.95605</td>
<td>0.93915</td>
<td>0.94330</td>
<td>0.94099</td>
<td>0.99051</td>
<td>0.52866</td>
</tr>
<tr>
<td>Logistic regression</td>
<td>0.95078</td>
<td>0.93596</td>
<td>0.93400</td>
<td>0.93407</td>
<td>0.95389</td>
<td>0.1999</td>
</tr>
<tr>
<td>Decision tree</td>
<td>0.92624</td>
<td>0.89273</td>
<td>0.91539</td>
<td>0.90254</td>
<td>0.91121</td>
<td><styled-content style-type="color" style="color: #0000FF;">0.0599</styled-content></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<sec id="s2_1">
<label>2.1</label>
<title>Dataset Characteristics</title>
<p><list list-type="bullet">
<list-item>
<p>All features are continuous, real-valued numbers</p></list-item>
<list-item>
<p>Features were computed from digitized images at 8-bit resolution</p></list-item>
<list-item>
<p>Data was collected at the University of Wisconsin Hospitals</p></list-item>
<list-item>
<p>Features represent characteristics of cell nuclei present in the images</p></list-item>
<list-item>
<p>The diagnosis (target) was confirmed by biopsy</p></list-item>
</list></p>
</sec>
<sec id="s2_2">
<label>2.2</label>
<title>Preprocessing Details</title>
<p>The MATLAB code performs the following preprocessing steps:
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p>Conversion of diagnosis labels to binary (M &#x003D; 1, B &#x003D; 0)</p></list-item>
<list-item>
<p>Removal of patient ID column</p></list-item>
<list-item>
<p>Z-score normalization of all features</p></list-item>
<list-item>
<p>SMOTE resampling to address class imbalance</p></list-item>
<list-item>
<p>5-fold stratified cross-validation</p></list-item>
</list></p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<label>3</label>
<title>Mathematical Formulations of the Machine Learning Models</title>
<p>The machine learning pipeline employs seven distinct algorithms to classify breast tumors, each with rigorous mathematical foundations. Logistic regression establishes a probabilistic framework via sigmoid transformations, while decision trees partition the feature space through recursive impurity minimization. Support vector machines construct optimal hyperplanes using kernel-based transformations, and ensemble methods (random forests, XGBoost) combine weak learners through bagging and gradient boosting. Neural networks implement hierarchical feature learning via layered nonlinear transformations. These formulations collectively enable robust prediction while maintaining interpretability through their mathematical structures.</p>
<p>Here are the enhanced subsections with detailed explanations for all components:</p>
<sec id="s3_1">
<label>3.1</label>
<title>Logistic Regression</title>
<p>The logistic regression model estimates malignancy probability through the following formulation:
<disp-formula id="eqn-1"><label>(1)</label><mml:math id="mml-eqn-1" display="block"><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">w</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">w</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where
<list list-type="simple">
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p><inline-formula id="ieqn-3"><mml:math id="mml-ieqn-3"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>30</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the input feature vector containing:
<list list-type="simple">
<list-item><label>&#x2013;</label><p>10 core features (radius, texture, perimeter, etc.)</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p>3 statistical measures per feature (mean, standard error, worst)</p></list-item>
</list></p></list-item>
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p><inline-formula id="ieqn-4"><mml:math id="mml-ieqn-4"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">w</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>30</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> are the trainable weight parameters where:
<list list-type="simple">
<list-item><label>&#x2013;</label><p><inline-formula id="ieqn-5"><mml:math id="mml-ieqn-5"><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents feature <inline-formula id="ieqn-6"><mml:math id="mml-ieqn-6"><mml:mi>j</mml:mi></mml:math></inline-formula>&#x2019;s contribution to malignancy risk</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p>Absolute magnitude indicates feature importance</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p>Sign determines positive/negative correlation with malignancy</p></list-item>
</list></p></list-item>
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p><inline-formula id="ieqn-7"><mml:math id="mml-ieqn-7"><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> is the bias term encoding baseline log-odds</p></list-item>
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p><inline-formula id="ieqn-8"><mml:math id="mml-ieqn-8"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the sigmoid function with properties:
<list list-type="simple">
<list-item><label>&#x2013;</label><p>Bounds output between (0,1) for probability interpretation</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p>Derivative <inline-formula id="ieqn-9"><mml:math id="mml-ieqn-9"><mml:msup><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> enables efficient gradient descent</p></list-item>
</list></p></list-item>
</list></p>
<p>The model is trained via maximum likelihood estimation with:
<list list-type="simple">
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p>L2 regularization (ridge penalty) to prevent overfitting:
<disp-formula id="eqn-2"><label>(2)</label><mml:math id="mml-eqn-2" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext>reg</mml:mtext></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">w</mml:mtext></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></disp-formula></p>
</list-item>
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p>Optimized using limited-memory BFGS (L-BFGS) with:
<list list-type="simple">
<list-item><label>&#x2013;</label><p>Line search for step size determination</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p>History size of 50 past updates for Hessian approximation</p></list-item>
</list></p></list-item>
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p>Convergence criteria:
<disp-formula id="eqn-3"><label>(3)</label><mml:math id="mml-eqn-3" display="block"><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x2207;</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;or&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>8</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></disp-formula></p>
</list-item>
</list></p>
<p>The L-BFGS optimization ensures convergence by approximating the Hessian matrix with a limited-memory update, guaranteeing descent directions [<xref ref-type="bibr" rid="ref-38">38</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-39">39</xref>].</p>
</sec>
<sec id="s3_2">
<label>3.2</label>
<title>Decision Tree</title>
<p>The decision tree implements recursive partitioning through:
<disp-formula id="eqn-4"><label>(4)</label><mml:math id="mml-eqn-4" display="block"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>m</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>M</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">I</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>where
<list list-type="simple">
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p><inline-formula id="ieqn-10"><mml:math id="mml-ieqn-10"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2282;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>30</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> are hyperrectangular regions formed by axis-aligned splits with:
<list list-type="simple">
<list-item><label>&#x2013;</label><p>Maximum depth of 30 (early stopped via validation)</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p>Minimum 5 samples per leaf node</p></list-item>
</list></p></list-item>
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p><inline-formula id="ieqn-11"><mml:math id="mml-ieqn-11"><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the class prediction for region <inline-formula id="ieqn-12"><mml:math id="mml-ieqn-12"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> determined by:
<disp-formula id="eqn-5"><label>(5)</label><mml:math id="mml-eqn-5" display="block"><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>mode</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
</list-item>
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p><inline-formula id="ieqn-13"><mml:math id="mml-ieqn-13"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">I</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the indicator function evaluating to 1 if <inline-formula id="ieqn-14"><mml:math id="mml-ieqn-14"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></inline-formula> falls in <inline-formula id="ieqn-15"><mml:math id="mml-ieqn-15"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>m</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula></p></list-item>
</list></p>
<p>Splits are determined by Gini impurity minimization:
<disp-formula id="eqn-6"><label>(6)</label><mml:math id="mml-eqn-6" display="block"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><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:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">I</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>where
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p><italic>Q</italic> is the data subset at each node</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-16"><mml:math id="mml-ieqn-16"><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is the empirical probability of class <inline-formula id="ieqn-17"><mml:math id="mml-ieqn-17"><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula> in <italic>Q</italic></p></list-item>
<list-item>
<p>Splits are chosen to maximize impurity reduction:</p></list-item>
</list>
<disp-formula id="eqn-7"><label>(7)</label><mml:math id="mml-eqn-7" display="block"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><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:mrow></mml:mfrac><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><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:mrow></mml:mfrac><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
<p>Advanced features include:
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p>Cost-complexity pruning with complexity parameter <inline-formula id="ieqn-18"><mml:math id="mml-ieqn-18"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.01</mml:mn></mml:math></inline-formula></p></list-item>
<list-item>
<p>Class-weighted splitting for imbalanced data:</p></list-item>
</list>
<disp-formula id="eqn-8"><label>(8)</label><mml:math id="mml-eqn-8" display="block"><mml:msub><mml:mi>G</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-19"><mml:math id="mml-ieqn-19"><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> are inverse class frequencies</p>
<p>The tree provides interpretable decision paths:
<disp-formula id="eqn-9"><label>(9)</label><mml:math id="mml-eqn-9" display="block"><mml:mrow><mml:mtext>Path</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x22C2;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:munderover><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;or&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>x</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-20"><mml:math id="mml-ieqn-20"><mml:msub><mml:mi>&#x03B8;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> are the learned split thresholds for each feature.</p>
</sec>
<sec id="s3_3">
<label>3.3</label>
<title>Support Vector Machine (SVM)</title>
<p>The Radial Basis Function (RBF) kernel SVM solves the dual optimization problem:
<disp-formula id="eqn-10"><label>(10)</label><mml:math id="mml-eqn-10" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:munder><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:munder></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>s.t.</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mi>i</mml:mi></mml:munder><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-21"><mml:math id="mml-ieqn-21"><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula> are Lagrange multipliers encoding support vector importance</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-22"><mml:math id="mml-ieqn-22"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> is the regularization parameter controlling margin-violation tradeoff</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-23"><mml:math id="mml-ieqn-23"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> are class labels (malignant/benign)</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-24"><mml:math id="mml-ieqn-24"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the RBF kernel function</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-25"><mml:math id="mml-ieqn-25"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>30</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> are input feature vectors from WDBC dataset</p></list-item>
</list></p>
<p>with the RBF kernel:
<disp-formula id="eqn-11"><label>(11)</label><mml:math id="mml-eqn-11" display="block"><mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>exp</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-26"><mml:math id="mml-ieqn-26"><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:math></inline-formula> controls kernel width (inverse squared standard deviation)</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-27"><mml:math id="mml-ieqn-27"><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo></mml:math></inline-formula> denotes Euclidean distance between feature vectors</p></list-item>
</list></p>
<p>The decision function is:
<disp-formula id="eqn-12"><label>(12)</label><mml:math id="mml-eqn-12" display="block"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>sgn</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi>S</mml:mi><mml:mi>V</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi mathvariant="bold-italic">K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p><italic>SV</italic> denotes the set of support vectors (<inline-formula id="ieqn-28"><mml:math id="mml-ieqn-28"><mml:msub><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula>)</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-29"><mml:math id="mml-ieqn-29"><mml:mi>b</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the bias term computed from margin constraints</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-30"><mml:math id="mml-ieqn-30"><mml:mtext>sgn</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> returns the predicted class (<inline-formula id="ieqn-31"><mml:math id="mml-ieqn-31"><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> or <inline-formula id="ieqn-32"><mml:math id="mml-ieqn-32"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>)</p></list-item>
</list></p>
</sec>
<sec id="s3_4">
<label>3.4</label>
<title>Random Forest</title>
<p>An ensemble of <inline-formula id="ieqn-33"><mml:math id="mml-ieqn-33"><mml:mi>B</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>100</mml:mn></mml:math></inline-formula> decision trees with bagging:
<disp-formula id="eqn-13"><label>(13)</label><mml:math id="mml-eqn-13" display="block"><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>majority vote</mml:mtext></mml:mrow><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>b</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>B</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p><italic>B</italic> is the number of trees in the ensemble (set to 100 via cross-validation)</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-34"><mml:math id="mml-ieqn-34"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub><mml:mo>:</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>30</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula> are individual decision tree classifiers</p></list-item>
</list></p>
<p>Each tree <inline-formula id="ieqn-35"><mml:math id="mml-ieqn-35"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>b</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is trained on a bootstrap sample with:
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p>Random feature selection at each split (typically <inline-formula id="ieqn-36"><mml:math id="mml-ieqn-36"><mml:msqrt><mml:mn>30</mml:mn></mml:msqrt><mml:mo>&#x2248;</mml:mo><mml:mn>5</mml:mn></mml:math></inline-formula> features considered)</p></list-item>
<list-item>
<p>Gini impurity minimization for split criterion:</p></list-item>
</list></p>
<p><disp-formula id="eqn-14"><label>(14)</label><mml:math id="mml-eqn-14" display="block"><mml:mi>G</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><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:mrow></mml:mfrac><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi>Q</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">I</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <italic>Q</italic> is the data subset at each node and <inline-formula id="ieqn-37"><mml:math id="mml-ieqn-37"><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">I</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the indicator function
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p>Maximum tree depth determined by early stopping (typically 10&#x2013;15 levels)</p></list-item>
</list></p>
<p>Key properties:
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p>Out-of-bag (OOB) samples used for unbiased error estimation</p></list-item>
<list-item>
<p>Feature importance computed via mean decrease in Gini index</p></list-item>
<list-item>
<p>Inherent parallelization during training (trees independent)</p></list-item>
</list></p>
<p>Here&#x2019;s the enhanced XGBoost subsection with detailed explanations of all terms and mechanisms:</p>
</sec>
<sec id="s3_5">
<label>3.5</label>
<title>XGBoost (Extreme Gradient Boosting)</title>
<p>The gradient boosted trees model minimizes the following regularized objective function:
<disp-formula id="eqn-15"><label>(15)</label><mml:math id="mml-eqn-15" display="block"><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where
<list list-type="simple">
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-38"><mml:math id="mml-ieqn-38"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the loss function measuring prediction error:
<disp-formula id="eqn-16"><label>(16)</label><mml:math id="mml-eqn-16" display="block"><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mi>log</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>log</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></disp-formula>with <inline-formula id="ieqn-39"><mml:math id="mml-ieqn-39"><mml:mi>&#x03C3;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> as the logistic sigmoid function for binary classification</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-40"><mml:math id="mml-ieqn-40"><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the regularization term controlling model complexity:
<disp-formula id="eqn-17"><label>(17)</label><mml:math id="mml-eqn-17" display="block"><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">w</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">w</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></disp-formula>where</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p><inline-formula id="ieqn-41"><mml:math id="mml-ieqn-41"><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> &#x003D; number of leaves in tree <inline-formula id="ieqn-42"><mml:math id="mml-ieqn-42"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula></p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p><inline-formula id="ieqn-43"><mml:math id="mml-ieqn-43"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">w</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> &#x003D; vector of leaf weights (output values)</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p><inline-formula id="ieqn-44"><mml:math id="mml-ieqn-44"><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:math></inline-formula> &#x003D; minimum loss reduction required for split (controls tree growth)</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p><inline-formula id="ieqn-45"><mml:math id="mml-ieqn-45"><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi></mml:math></inline-formula> &#x003D; L2 regularization on leaf weights</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p><inline-formula id="ieqn-46"><mml:math id="mml-ieqn-46"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> &#x003D; L1 regularization on leaf weights (optional)</p></list-item>
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p>Each tree <inline-formula id="ieqn-47"><mml:math id="mml-ieqn-47"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> is learned additively to fit the pseudo-residuals:
<disp-formula id="eqn-18"><label>(18)</label><mml:math id="mml-eqn-18" display="block"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-48"><mml:math id="mml-ieqn-48"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> is the prediction from previous <inline-formula id="ieqn-49"><mml:math id="mml-ieqn-49"><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula> trees</p></list-item>
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p>The prediction after <italic>K</italic> trees is:
<disp-formula id="eqn-19"><label>(19)</label><mml:math id="mml-eqn-19" display="block"><mml:msub><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
</list-item>
</list></p>
<p>Key optimization features:
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p><bold>Tree Construction:</bold> Uses weighted quantile sketch for approximate greedy algorithm</p></list-item>
<list-item>
<p><bold>Split Finding:</bold> Evaluates gain score for potential splits:</p></list-item>
</list>
<disp-formula id="eqn-20"><label>(20)</label><mml:math id="mml-eqn-20" display="block"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4A2;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:munder><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi></mml:mrow></mml:munder><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B3;</mml:mi></mml:math></disp-formula>where
<list list-type="simple">
<list-item><label>&#x2013;</label><p><inline-formula id="ieqn-50"><mml:math id="mml-ieqn-50"><mml:msub><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> (first-order gradient)</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p><inline-formula id="ieqn-51"><mml:math id="mml-ieqn-51"><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> (second-order Hessian)</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p><inline-formula id="ieqn-52"><mml:math id="mml-ieqn-52"><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>I</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> &#x003D; instance sets of left/right nodes</p></list-item>
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p><bold>Shrinkage:</bold> Learning rate <inline-formula id="ieqn-53"><mml:math id="mml-ieqn-53"><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi></mml:math></inline-formula> applied to tree weights:
<disp-formula id="eqn-21"><label>(21)</label><mml:math id="mml-eqn-21" display="block"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mover><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x005E;</mml:mo></mml:mover></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula></p>
</list-item>
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p><bold>Column Subsampling:</bold> Randomly selects feature subsets to prevent overfitting</p></list-item>
</list></p>
<p>Implementation details for breast cancer prediction:
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p>Early stopping with 50-round patience on validation AUC</p></list-item>
<list-item>
<p>Maximum tree depth of 6 (optimized via cross-validation)</p></list-item>
<list-item>
<p>Learning rate <inline-formula id="ieqn-54"><mml:math id="mml-ieqn-54"><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.05</mml:mn></mml:math></inline-formula> with 1000 boosting rounds</p></list-item>
<list-item>
<p>Minimum child weight (sum of instance weight Hessian) &#x003D; 5</p></list-item>
<list-item>
<p>Column subsampling rate &#x003D; 0.8 per tree</p></list-item>
</list></p>
</sec>
<sec id="s3_6">
<label>3.6</label>
<title>Neural Networks</title>
<p>The shallow (2 hidden layers) and deep (4 hidden layers) networks implement:
<disp-formula id="eqn-22"><label>(22)</label><mml:math id="mml-eqn-22" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>ReLU</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>BN</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">W</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">b</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>ReLU</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>BN</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">W</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">b</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>(shallow network)</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>ReLU</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>BN</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">W</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">b</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>for</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mrow><mml:mtext>to 5 in deep network</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>softmax</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">W</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">b</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-55"><mml:math id="mml-ieqn-55"><mml:mtext>ReLU</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>z</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the Rectified Linear Unit activation function</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-56"><mml:math id="mml-ieqn-56"><mml:mtext>BN</mml:mtext></mml:math></inline-formula> denotes batch normalization</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-57"><mml:math id="mml-ieqn-57"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">W</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> are weight matrices</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-58"><mml:math id="mml-ieqn-58"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">b</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> are bias vectors</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-59"><mml:math id="mml-ieqn-59"><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>d</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula> is the input feature vector (30 normalized features)</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-60"><mml:math id="mml-ieqn-60"><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">h</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> represents the hidden state at layer <inline-formula id="ieqn-61"><mml:math id="mml-ieqn-61"><mml:mi>l</mml:mi></mml:math></inline-formula></p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-62"><mml:math id="mml-ieqn-62"><mml:mtext>softmax</mml:mtext></mml:math></inline-formula> converts final layer outputs to class probabilities</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-63"><mml:math id="mml-ieqn-63"><mml:mi>P</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">x</mml:mtext></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the predicted probability of malignancy</p></list-item>
</list></p>
<p>with layer dimensions:
<list list-type="simple">
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p><bold>Shallow Network (2 hidden layers):</bold>
<disp-formula id="eqn-23"><label>(23)</label><mml:math id="mml-eqn-23" display="block"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mn>128</mml:mn><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mn>64</mml:mn><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
</list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p>Layer 1: 128 neurons with dropout (p &#x003D; 0.2)</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p>Layer 2: 64 neurons</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p>Output: 2 neurons (softmax classification)</p></list-item>
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p><bold>Deep Network (4 hidden layers):</bold>
<disp-formula id="eqn-24"><label>(24)</label><mml:math id="mml-eqn-24" display="block"><mml:mi>d</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mn>256</mml:mn><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mn>128</mml:mn><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mn>64</mml:mn><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mn>32</mml:mn><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
</list-item>
</list>
<list list-type="simple">
<list-item><label>&#x2013;</label><p>Layers 1&#x2013;4: 256, 128, 64, 32 neurons</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p>Dropout (<italic>p</italic> &#x003D; 0.3) after first three layers, <italic>p</italic> &#x003D; 0.2 after fourth</p></list-item>
<list-item><label>&#x2013;</label><p>Output: 2 neurons (softmax classification)</p></list-item>
</list></p>
<p>All models use the categorical cross-entropy loss with L2 regularization:
<disp-formula id="eqn-25"><label>(25)</label><mml:math id="mml-eqn-25" display="block"><mml:mrow><mml:mi>&#x02112;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mi>n</mml:mi></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi></mml:munderover><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mi>log</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>p</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>L</mml:mi></mml:munderover><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">W</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>l</mml:mi></mml:msub><mml:msubsup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></disp-formula>where
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-64"><mml:math id="mml-ieqn-64"><mml:mi>n</mml:mi></mml:math></inline-formula> is the number of training samples</p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-65"><mml:math id="mml-ieqn-65"><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.001</mml:mn></mml:math></inline-formula> is the regularization strength</p></list-item>
<list-item>
<p>Training uses Adam optimizer with default parameters</p></list-item>
</list></p>
<p>Key implementation details:
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p>Batch normalization after each hidden layer</p></list-item>
<list-item>
<p>Dropout rates: 20% for shallow, 30% (first three layers) and 20% (last layer) for deep</p></list-item>
<list-item>
<p>Training for 50 (shallow) and 80 (deep) epochs</p></list-item>
<list-item>
<p>Mini-batch size of 256 samples</p></list-item>
<list-item>
<p>Class-weighted sampling to address imbalance</p></list-item>
</list></p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<label>4</label>
<title>Fractional-Order Tumor Dynamics Model</title>
<p>This section introduces a fractional-order differential system to model breast tumor progression. Unlike classical integer-order models, fractional calculus captures memory effects and long-range dependencies in biological systems, making it particularly suitable for cancer growth dynamics. Fractional derivatives capture memory effects via non-local operators, ideal for tumor growth, where past states influence future progression. Caputo&#x2019;s definition ensures the physical interpretability of initial conditions [<xref ref-type="bibr" rid="ref-40">40</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-41">41</xref>].</p>
<sec id="s4_1">
<label>4.1</label>
<title>Model Equations (Caputo Fractional Derivative)</title>
<p>The fractional-order model in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26">(26)</xref> is constructed and informed by the machine learning algorithm and results in <xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>. The optimized parameters are obtained from fitting the model to the dataset. The system describes interactions between three key tumor features identified in the feature importance analysis (<xref ref-type="table" rid="table-3">Table 3</xref>):</p>

<p><disp-formula id="eqn-26"><label>(26)</label><mml:math id="mml-eqn-26" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>(Radius growth)</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>(Texture dynamics)</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mtd><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>(Concavity evolution)</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-66"><mml:math id="mml-ieqn-66"><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts></mml:math></inline-formula> denotes the Caputo fractional derivative of order <inline-formula id="ieqn-67"><mml:math id="mml-ieqn-67"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</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:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-68"><mml:math id="mml-ieqn-68"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> represents tumor radius (mm), <inline-formula id="ieqn-69"><mml:math id="mml-ieqn-69"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> describes tumor texture (gray-scale variation), and <inline-formula id="ieqn-70"><mml:math id="mml-ieqn-70"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> quantifies concavity score (contour irregularity). The <inline-formula id="ieqn-71"><mml:math id="mml-ieqn-71"><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts></mml:math></inline-formula> of order <inline-formula id="ieqn-72"><mml:math id="mml-ieqn-72"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</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:math></inline-formula> is given by [<xref ref-type="bibr" rid="ref-42">42</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-43">43</xref>]:
<disp-formula id="ueqn-27"><mml:math id="mml-ueqn-27" display="block"><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-73"><mml:math id="mml-ieqn-73"><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is an absolutely continuous function, and <inline-formula id="ieqn-74"><mml:math id="mml-ieqn-74"><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is the gamma function.</p>
<p>The Riemann-Liouville integral and Caputo derivative satisfy the following fundamental relation [<xref ref-type="bibr" rid="ref-44">44</xref>,<xref ref-type="bibr" rid="ref-45">45</xref>]:
<disp-formula id="ueqn-28"><mml:math id="mml-ueqn-28" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mmultiscripts><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>RL</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><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>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:munderover><mml:msup><mml:mi>g</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>!</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>n</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2308;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2309;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-75"><mml:math id="mml-ieqn-75"><mml:mmultiscripts><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>RL</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts></mml:math></inline-formula> is the Riemann-Liouville fractional integral, defined as:
<disp-formula id="eqn-27"><label>(27)</label><mml:math id="mml-eqn-27" display="block"><mml:mmultiscripts><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>RL</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>g</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>d</mml:mi><mml:mi>&#x03C4;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</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:math></disp-formula></p>
<p>The Caputo operator is chosen because it accommodates classical initial conditions and aligns with biological systems where memory effects depend on past states.</p>
<sec id="s4_1_1">
<label>4.1.1</label>
<title>Biological Interpretation</title>
<p>The tumor radius <inline-formula id="ieqn-76"><mml:math id="mml-ieqn-76"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> follows fractional logistic growth with carrying capacity <italic>K</italic>, where the <inline-formula id="ieqn-77"><mml:math id="mml-ieqn-77"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> term governs growth rate while texture exerts inhibitory effects (<inline-formula id="ieqn-78"><mml:math id="mml-ieqn-78"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>) and concavity provides enhancement (<inline-formula id="ieqn-79"><mml:math id="mml-ieqn-79"><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula>). Texture dynamics <inline-formula id="ieqn-80"><mml:math id="mml-ieqn-80"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> grow proportionally to current values (<inline-formula id="ieqn-81"><mml:math id="mml-ieqn-81"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>) but experience suppression from tumor size (<inline-formula id="ieqn-82"><mml:math id="mml-ieqn-82"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:math></inline-formula>), with concavity contributing through a saturation term (<inline-formula id="ieqn-83"><mml:math id="mml-ieqn-83"><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>). Concavity evolution <inline-formula id="ieqn-84"><mml:math id="mml-ieqn-84"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> increases with tumor size (<inline-formula id="ieqn-85"><mml:math id="mml-ieqn-85"><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:math></inline-formula>) while being self-limiting (<inline-formula id="ieqn-86"><mml:math id="mml-ieqn-86"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula>), with the triple interaction term (<inline-formula id="ieqn-87"><mml:math id="mml-ieqn-87"><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:math></inline-formula>) modeling complex biological feedback mechanisms.</p>
<p><xref ref-type="table" rid="table-5">Table 5</xref> summarizes the model components and their relationships to measurable biological quantities. The fractional derivative <inline-formula id="ieqn-88"><mml:math id="mml-ieqn-88"><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts></mml:math></inline-formula> provides key advantages by capturing long-term tumor history through memory effects, which integer-order models cannot represent. This formulation maintains direct interpretability through parameters that relate to feature importance rankings (<xref ref-type="table" rid="table-3">Table 3</xref>) and correlation patterns. The model&#x2019;s clinical relevance stems from its calibration compatibility with imaging data and potential integration with machine learning predictions for hybrid diagnostics. This mathematical framework provides a foundation for understanding tumor progression dynamics while complementing the machine learning pipeline developed in previous sections.</p>
<table-wrap id="table-5">
<label>Table 5</label>
<caption>
<title>Model parrameters and variables</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Symbol</th>
<th>Description</th>
<th>Biological meaning</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-89"><mml:math id="mml-ieqn-89"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula></td>
<td>Fractional order (<inline-formula id="ieqn-90"><mml:math id="mml-ieqn-90"><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>)</td>
<td>Memory effects in tumor growth</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-91"><mml:math id="mml-ieqn-91"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>Tumor radius (mm)</td>
<td>Size of the tumor</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-92"><mml:math id="mml-ieqn-92"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>Tumor texture</td>
<td>Gray-scale irregularity</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-93"><mml:math id="mml-ieqn-93"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula></td>
<td>Concavity score</td>
<td>Contour deformation severity</td>
</tr>
<tr>
<td><italic>K</italic></td>
<td>Carrying capacity</td>
<td>Maximum sustainable radius</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-94"><mml:math id="mml-ieqn-94"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula></td>
<td>Growth rates</td>
<td>Tumor feature progression</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-95"><mml:math id="mml-ieqn-95"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula></td>
<td>Competition terms</td>
<td>Inhibitory interactions</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-96"><mml:math id="mml-ieqn-96"><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula></td>
<td>Coupling coefficients</td>
<td>Feature cross-dependencies</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
</sec>
</sec>
<sec id="s4_2">
<label>4.2</label>
<title>Functional Analytic Framework</title>
<p><bold>Definition 1.</bold> <italic>The solution space is <inline-formula id="ieqn-97"><mml:math id="mml-ieqn-97"><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> equipped with the weighted norm:</italic>
<disp-formula id="ueqn-30"><mml:math id="mml-ueqn-30" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:munder><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">sup</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:mrow></mml:munder><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>e</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p><italic>where <inline-formula id="ieqn-98"><mml:math id="mml-ieqn-98"><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>:</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula></italic>.</p>
<p>This weighted norm construction ensures biological feasibility by enforcing non-negativity of tumor characteristics (radius, texture, concavity), a critical constraint since negative values would lack physical meaning in cancer progression. The exponential weighting accounts for clinical observation that recent tumor states disproportionately influence current growth rates.</p>
<p><bold>Lemma 1.</bold> <italic>For <inline-formula id="ieqn-99"><mml:math id="mml-ieqn-99"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</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:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-100"><mml:math id="mml-ieqn-100"><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi>A</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, the Caputo derivative satisfies:</italic>
<list list-type="simple">
<list-item><label>1.</label><p><italic>Semi-group property: <inline-formula id="ieqn-101"><mml:math id="mml-ieqn-101"><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mmultiscripts><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>RL</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula></italic></p></list-item>
<list-item><label>2.</label><p><italic>Fundamental theorem: <inline-formula id="ieqn-102"><mml:math id="mml-ieqn-102"><mml:mmultiscripts><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>RL</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula></italic></p></list-item>
<list-item><label>3.</label><p><italic>Comparison principle: If <inline-formula id="ieqn-103"><mml:math id="mml-ieqn-103"><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-104"><mml:math id="mml-ieqn-104"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, then <inline-formula id="ieqn-105"><mml:math id="mml-ieqn-105"><mml:mi>u</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>v</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula></italic>.</p></list-item>
</list></p>
<p>These operator properties mirror fundamental cancer behaviors: the semi-group property reflects self-consistent tumor evolution, the fundamental theorem ensures measurable changes from baseline pathology, and the comparison principle permits ranking of tumor aggression levels, analogous to histological grading systems.</p>
<p><bold>Theorem 1</bold> (Existence, Uniqueness, and Positivity). <italic>For the fractional tumor system in <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26">(26)</xref>, with initial data <inline-formula id="ieqn-106"><mml:math id="mml-ieqn-106"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> and parameters</italic>
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p><italic><inline-formula id="ieqn-107"><mml:math id="mml-ieqn-107"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> for <inline-formula id="ieqn-108"><mml:math id="mml-ieqn-108"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:math></inline-formula></italic>,</p></list-item>
<list-item>
<p><italic><inline-formula id="ieqn-109"><mml:math id="mml-ieqn-109"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>}</mml:mo></mml:mrow></mml:math></inline-formula></italic>,</p></list-item>
<list-item>
<p><italic><inline-formula id="ieqn-110"><mml:math id="mml-ieqn-110"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</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:math></inline-formula></italic>,</p></list-item>
</list></p>
<p><italic>there exists a unique, non-negative solution <inline-formula id="ieqn-111"><mml:math id="mml-ieqn-111"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula id="ieqn-112"><mml:math id="mml-ieqn-112"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula></italic>.</p>
<p><bold>Proof.</bold> Define the nonlinearities <inline-formula id="ieqn-113"><mml:math id="mml-ieqn-113"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula> as the right-hand sides of <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26">(26)</xref>. For <inline-formula id="ieqn-114"><mml:math id="mml-ieqn-114"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2282;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> such that <inline-formula id="ieqn-115"><mml:math id="mml-ieqn-115"><mml:msub><mml:mi>B</mml:mi><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi>x</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Since <inline-formula id="ieqn-116"><mml:math id="mml-ieqn-116"><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:math></inline-formula>, we have
<disp-formula id="ueqn-31"><mml:math id="mml-ueqn-31" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-117"><mml:math id="mml-ieqn-117"><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula> The other components satisfy similar bounds:
<disp-formula id="ueqn-32"><mml:math id="mml-ueqn-32" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mspace width="thinmathspace" /><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">(</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-118"><mml:math id="mml-ieqn-118"><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>4</mml:mn><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula>
<disp-formula id="ueqn-33"><mml:math id="mml-ueqn-33" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">|</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-119"><mml:math id="mml-ieqn-119"><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>&#x03C1;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msup><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo>.</mml:mo></mml:math></inline-formula> Using Lemma 1, convert the given system to the following Volterra form:
<disp-formula id="ueqn-34"><mml:math id="mml-ueqn-34" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</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:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</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:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mo>&#x222B;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mi>t</mml:mi></mml:msubsup><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>s</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</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:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Define the operator <inline-formula id="ieqn-120"><mml:math id="mml-ieqn-120"><mml:mrow><mml:mi>&#x2131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>:</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4B3;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:math></inline-formula> componentwise via the integral formulation. For <inline-formula id="ieqn-121"><mml:math id="mml-ieqn-121"><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi></mml:math></inline-formula> sufficiently large:
<disp-formula id="ueqn-35"><mml:math id="mml-ueqn-35" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x2131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x2131;</mml:mi></mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi mathvariant="normal">&#x2032;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x1D4B3;</mml:mi></mml:mrow></mml:mrow></mml:msub></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <italic>L</italic> is the Lipschitz constant such that <inline-formula id="ieqn-122"><mml:math id="mml-ieqn-122"><mml:mi>L</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03B7;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula>. Choose <inline-formula id="ieqn-123"><mml:math id="mml-ieqn-123"><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>L</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> to ensure contraction.</p>
<p>For non-negative initial data, the right-hand sides satisfy:
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-124"><mml:math id="mml-ieqn-124"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula></p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-125"><mml:math id="mml-ieqn-125"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula></p></list-item>
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-126"><mml:math id="mml-ieqn-126"><mml:msub><mml:mi>f</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:math></inline-formula></p></list-item>
</list></p>
<p>By the fractional comparison principle (Lemma 1), solutions remain non-negative.</p>
<p>Using the barrier method with:
<disp-formula id="ueqn-36"><mml:math id="mml-ueqn-36" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mo stretchy="false">&#x27F9;</mml:mo><mml:mtext>&#x00A0;</mml:mtext><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>and similar bounds for <inline-formula id="ieqn-127"><mml:math id="mml-ieqn-127"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-128"><mml:math id="mml-ieqn-128"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, solutions cannot blow up in finite time. &#x025A1;</p>
<p>The contraction mapping guarantees clinically observed tumor trajectory stability, where small measurement errors don&#x2019;t drastically alter predictions. The non-negativity preservation aligns with radiologically measurable tumor features, while the barrier method&#x2019;s carrying capacity bound (<italic>K</italic>) models physiological space constraints in breast tissue</p>
</sec>
<sec id="s4_3">
<label>4.3</label>
<title>Global Stability Analysis</title>
<p><bold>Theorem 2</bold> (Global Asymptotic Stability of Tumor Progression Model). <italic>For the fractional-order system <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26">(26)</xref> with parameters satisfying:</italic>
<list list-type="simple">
<list-item><label>1.</label><p><italic><inline-formula id="ieqn-129"><mml:math id="mml-ieqn-129"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> for <inline-formula id="ieqn-130"><mml:math id="mml-ieqn-130"><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula></italic></p></list-item>
<list-item><label>2.</label><p><italic><inline-formula id="ieqn-131"><mml:math id="mml-ieqn-131"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula></italic></p></list-item>
<list-item><label>3.</label><p><italic>Initial conditions <inline-formula id="ieqn-132"><mml:math id="mml-ieqn-132"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi><mml:mo>:=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="double-struck">R</mml:mi></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn></mml:msubsup><mml:mo>&#x2229;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo></mml:math></inline-formula></italic></p></list-item>
</list></p>
<p><italic>there exists a unique positive equilibrium <inline-formula id="ieqn-133"><mml:math id="mml-ieqn-133"><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> that is globally asymptotically stable in <inline-formula id="ieqn-134"><mml:math id="mml-ieqn-134"><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:math></inline-formula> for all <inline-formula id="ieqn-135"><mml:math id="mml-ieqn-135"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</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:math></inline-formula></italic>.</p>
<p><bold>Proof.</bold> The equilibrium points satisfy the nonlinear algebraic system:
<disp-formula id="eqn-28"><label>(28)</label><mml:math id="mml-eqn-28" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-29"><label>(29)</label><mml:math id="mml-eqn-29" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-30"><label>(30)</label><mml:math id="mml-eqn-30" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2217;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p><xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-30">Eq. (30)</xref> can be rewritten as:
<disp-formula id="ueqn-40"><mml:math id="mml-ueqn-40" display="block"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></disp-formula></p>
<p>The nontrivial solution satisfies:
<disp-formula id="ueqn-41"><mml:math id="mml-ueqn-41" display="block"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:math></disp-formula></p>
<p>This implicitly defines a function <inline-formula id="ieqn-136"><mml:math id="mml-ieqn-136"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> that is continuously differentiable by the Implicit Function Theorem. Substitute <inline-formula id="ieqn-137"><mml:math id="mml-ieqn-137"><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> into <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-28">(28)</xref> and <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-29">(29)</xref>:
<disp-formula id="ueqn-42"><mml:math id="mml-ueqn-42" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03D5;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The Jacobian determinant of <inline-formula id="ieqn-138"><mml:math id="mml-ieqn-138"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>F</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> is non-zero in <inline-formula id="ieqn-139"><mml:math id="mml-ieqn-139"><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A9;</mml:mi></mml:math></inline-formula> when <inline-formula id="ieqn-140"><mml:math id="mml-ieqn-140"><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, guaranteeing a unique solution by the Inverse Function Theorem. Define the Volterra-type Lyapunov functional:
<disp-formula id="eqn-31"><label>(31)</label><mml:math id="mml-eqn-31" display="block"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>=</mml:mo><mml:mmultiscripts><mml:mi>I</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>RL</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>R</mml:mi><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>T</mml:mi><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mi>ln</mml:mi><mml:mo>&#x2061;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>C</mml:mi><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-141"><mml:math id="mml-ieqn-141"><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> are weighting parameters to be determined. Using the composition rule for Caputo derivatives:
<disp-formula id="ueqn-44"><mml:math id="mml-ueqn-44" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mi>R</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mi>C</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>C</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mi>R</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mi>T</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mi>C</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>C</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>After extensive algebraic manipulation and application of Young&#x2019;s inequalities, we obtain:
<disp-formula id="ueqn-45"><mml:math id="mml-ueqn-45" display="block"><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>X</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msubsup><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A8;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>where:
<disp-formula id="ueqn-46"><mml:math id="mml-ueqn-46" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi></mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi><mml:mn>4</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi><mml:mn>5</mml:mn></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>Here <inline-formula id="ieqn-142"><mml:math id="mml-ieqn-142"><mml:msub><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> are small constants chosen such that all <inline-formula id="ieqn-143"><mml:math id="mml-ieqn-143"><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> under the theorem&#x2019;s parameter conditions, and <inline-formula id="ieqn-144"><mml:math id="mml-ieqn-144"><mml:mi mathvariant="normal">&#x03A8;</mml:mi></mml:math></inline-formula> contains higher-order terms that are positive definite.</p>
<p>Applying the fractional comparison principle and the properties of Mittag-Leffler functions:
<disp-formula id="ueqn-47"><mml:math id="mml-ueqn-47" display="block"><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>V</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-145"><mml:math id="mml-ieqn-145"><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">min</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>&#x03BB;</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-146"><mml:math id="mml-ieqn-146"><mml:mi>&#x03BC;</mml:mi></mml:math></inline-formula> bounds the residual terms. As <inline-formula id="ieqn-147"><mml:math id="mml-ieqn-147"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x221E;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, <inline-formula id="ieqn-148"><mml:math id="mml-ieqn-148"><mml:msub><mml:mi>E</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi><mml:msup><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">&#x2192;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> exponentially, proving global convergence to <inline-formula id="ieqn-149"><mml:math id="mml-ieqn-149"><mml:msup><mml:mi>E</mml:mi><mml:mo>&#x2217;</mml:mo></mml:msup></mml:math></inline-formula>. &#x025A1;</p>
<p>The equilibrium conditions <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-28">(28)</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-30">(30)</xref> encode balanced tumor microenvironments. The exponential convergence rate (<inline-formula id="ieqn-150"><mml:math id="mml-ieqn-150"><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:math></inline-formula>) via Mittag-Leffler decay provides a theoretical basis for clinical timelines, where higher <inline-formula id="ieqn-151"><mml:math id="mml-ieqn-151"><mml:mi>&#x03BA;</mml:mi></mml:math></inline-formula> values predict faster stabilization post-treatment, and lower value characterizes aggressive tumors requiring prolonged therapy, matching chemotherapy response patterns.</p>
</sec>
<sec id="s4_4">
<label>4.4</label>
<title>Numerical Method</title>
<p>The numerical implementation of our fractional-order tumor model employs a predictor-corrector scheme adapted for Caputo fractional derivatives, implemented in MATLAB R2021a. The complete computational framework consists of the following components: Discretization Scheme:</p>
<p><bold>Predictor Step:</bold>
<disp-formula id="eqn-32"><label>(32)</label><mml:math id="mml-eqn-32" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</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:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>with</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</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:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p><bold>Corrector Step:</bold>
<disp-formula id="eqn-33"><label>(33)</label><mml:math id="mml-eqn-33" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>N</mml:mi><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>with</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub></mml:mrow><mml:mi>N</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</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:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>where</mml:mtext></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</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:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<sec id="s4_4_1">
<label>4.4.1</label>
<title>Numerical Implementation of the Fractional Tumor Model</title>
<p>The discretized numerical scheme for the Caputo fractional-order system is given by:
<disp-formula id="eqn-34"><label>(34)</label><mml:math id="mml-eqn-34" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">Predictor Step:</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</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>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</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>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:munderover><mml:mo>&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</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>[</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula>
<disp-formula id="eqn-35"><label>(35)</label><mml:math id="mml-eqn-35" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext mathvariant="bold">Corrector Step:</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">[</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</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>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mi>K</mml:mi></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">[</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle scriptlevel="0"><mml:mrow><mml:mo maxsize="2.047em" minsize="2.047em">]</mml:mo></mml:mrow></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</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>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mi>K</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo>+</mml:mo><mml:munderover><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:munderover><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</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>(</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msubsup></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mstyle><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p><bold>Weights Calculation:</bold>
<disp-formula id="ueqn-52"><mml:math id="mml-ueqn-52" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</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:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2264;</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo></mml:mtd><mml:mtd><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</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:mo>=</mml:mo><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mfrac><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p><bold>Stability Control:</bold>
<disp-formula id="ueqn-53"><mml:math id="mml-ueqn-53" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mrow><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:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mrow><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:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mrow><mml:mo stretchy="false">|</mml:mo></mml:mrow><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mrow><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:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>If <inline-formula id="ieqn-152"><mml:math id="mml-ieqn-152"><mml:msub><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, then recompute with <inline-formula id="ieqn-153"><mml:math id="mml-ieqn-153"><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.5</mml:mn><mml:mi>h</mml:mi></mml:math></inline-formula></p>
<p><bold>Memory Management:</bold>
<disp-formula id="ueqn-54"><mml:math id="mml-ueqn-54" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>&#x230A;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:mfrac><mml:mo>&#x230B;</mml:mo></mml:mrow><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>(Memory truncation index)</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>For <inline-formula id="ieqn-154"><mml:math id="mml-ieqn-154"><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x003C;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>M</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub></mml:math></inline-formula>, weights are set to <inline-formula id="ieqn-155"><mml:math id="mml-ieqn-155"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</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:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> and <inline-formula id="ieqn-156"><mml:math id="mml-ieqn-156"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>j</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:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.</mml:mn></mml:math></inline-formula></p>
<p>The numerical scheme maintains the following properties:
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p>Conservation of non-negativity: <inline-formula id="ieqn-157"><mml:math id="mml-ieqn-157"><mml:msub><mml:mi>R</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>T</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>C</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>&#x2265;</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:math></inline-formula> <inline-formula id="ieqn-158"><mml:math id="mml-ieqn-158"><mml:mi mathvariant="normal">&#x2200;</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:math></inline-formula></p></list-item>
<list-item>
<p>Consistency error of order <inline-formula id="ieqn-159"><mml:math id="mml-ieqn-159"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">min</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula></p></list-item>
<list-item>
<p>Adaptive memory management for computational efficiency</p></list-item>
<list-item>
<p>Built-in stability verification through predictor-corrector difference</p></list-item>
</list></p>
<p>The implementation requires the following computational resources per time step:
<disp-formula id="eqn-36"><label>(36)</label><mml:math id="mml-eqn-36" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>Storage:&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;for history terms</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>Operations:&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>k</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;for full history summation</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>Matrix Inversions:&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mn>3</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:mn>3</mml:mn><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;Jacobian matrices for Newton iterations</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mrow><mml:mtext>Special Functions:&#xA0;</mml:mtext></mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mtext>&#xA0;precomputed to machine precision</mml:mtext></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
<p><bold>Fractional Derivative Approximation:</bold>
<disp-formula id="ueqn-56"><mml:math id="mml-ueqn-56" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mmultiscripts><mml:mi>D</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow><mml:mprescripts/><mml:mrow><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi>c</mml:mi></mml:mrow></mml:mmultiscripts><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2248;</mml:mo><mml:mfrac><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:msubsup><mml:mo movablelimits="false">&#x2211;</mml:mo><mml:mrow><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi></mml:msubsup><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>where <inline-formula id="ieqn-160"><mml:math id="mml-ieqn-160"><mml:msub><mml:mi>w</mml:mi><mml:mi>j</mml:mi></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>j</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>j</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></p>
<p><bold>Stability Control:</bold>
<disp-formula id="ueqn-57"><mml:math id="mml-ueqn-57" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">min</mml:mo><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>,</mml:mo><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mi>k</mml:mi></mml:msub><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula>with <inline-formula id="ieqn-161"><mml:math id="mml-ieqn-161"><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>6</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mtext>(relative tolerance)</mml:mtext></mml:math></inline-formula></p>
<p><bold>Adaptive Step Refinement:</bold>
<disp-formula id="ueqn-58"><mml:math id="mml-ueqn-58" display="block"><mml:mtable columnalign="right left right left right left right left right left right left" rowspacing="3pt" columnspacing="0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em 2em 0em" displaystyle="true"><mml:mtr><mml:mtd /><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>e</mml:mi><mml:mi>w</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.9</mml:mn><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:mi>h</mml:mi><mml:mo>&#x22C5;</mml:mo><mml:msup><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:mfrac><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi><mml:mrow><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>/</mml:mo></mml:mrow><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable></mml:math></disp-formula></p>
<p>The algorithm implements the following computational workflow:</p>
<p><bold>Initialization:</bold>
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p>Set model parameters <inline-formula id="ieqn-162"><mml:math id="mml-ieqn-162"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>K</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> from biological data</p></list-item>
<list-item>
<p>Define initial conditions <inline-formula id="ieqn-163"><mml:math id="mml-ieqn-163"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:msup><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi></mml:msup></mml:math></inline-formula></p></list-item>
<list-item>
<p>Initialize time grid <inline-formula id="ieqn-164"><mml:math id="mml-ieqn-164"><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mo stretchy="false">[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>f</mml:mi><mml:mi>i</mml:mi><mml:mi>n</mml:mi><mml:mi>a</mml:mi><mml:mi>l</mml:mi></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">]</mml:mo></mml:math></inline-formula> with <inline-formula id="ieqn-165"><mml:math id="mml-ieqn-165"><mml:mi>N</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mn>2</mml:mn><mml:mn>8</mml:mn></mml:msup></mml:math></inline-formula> steps</p></list-item>
</list></p>
<p><bold>Main Loop:</bold>
<list list-type="simple">
<list-item><label>1.</label><p>For each fractional order <inline-formula id="ieqn-166"><mml:math id="mml-ieqn-166"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</mml:mo><mml:mo fence="false" stretchy="false">{</mml:mo><mml:mn>0.7</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.75</mml:mn><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo>&#x2026;</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0.95</mml:mn><mml:mo fence="false" stretchy="false">}</mml:mo></mml:math></inline-formula>:
<list list-type="simple">
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p>Compute predictor <inline-formula id="ieqn-167"><mml:math id="mml-ieqn-167"><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup></mml:math></inline-formula> using historical values</p></list-item>
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p>Solve corrector equation via Newton-Raphson iteration:
<disp-formula id="eqn-37"><label>(37)</label><mml:math id="mml-eqn-37" display="block"><mml:mrow><mml:mo>{</mml:mo><mml:mtable columnalign="left left" rowspacing=".2em" columnspacing="1em" displaystyle="false"><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi>J</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mi>I</mml:mi><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>f</mml:mi></mml:mrow><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x2202;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mstyle></mml:mstyle></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:msup><mml:mi>J</mml:mi><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup><mml:mrow><mml:mo>[</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mn>0</mml:mn></mml:msub><mml:mo>+</mml:mo><mml:mstyle displaystyle="true" scriptlevel="0"><mml:mfrac><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:msup><mml:mrow><mml:mi mathvariant="normal">&#x0393;</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>2</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:mrow></mml:mfrac><mml:mi>f</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>t</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup></mml:mstyle><mml:mo>]</mml:mo></mml:mrow></mml:mtd></mml:mtr><mml:mtr><mml:mtd><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>=</mml:mo><mml:msubsup><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow><mml:mi>P</mml:mi></mml:msubsup><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi></mml:mtd></mml:mtr></mml:mtable><mml:mo fence="true" stretchy="true" symmetric="true"></mml:mo></mml:mrow></mml:math></disp-formula></p>
</list-item>
<list-item><label>&#x2022;</label>
<p>Apply stability correction if <inline-formula id="ieqn-168"><mml:math id="mml-ieqn-168"><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mi mathvariant="normal">&#x0394;</mml:mi><mml:mi>y</mml:mi><mml:mo fence="false" stretchy="false">&#x2016;</mml:mo><mml:mo>&#x003E;</mml:mo><mml:mi>&#x03F5;</mml:mi></mml:math></inline-formula></p></list-item>
</list></p></list-item>
</list></p>
<p><bold>Visualization:</bold>
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p>Generate 2D temporal plots for each state variable</p></list-item>
<list-item>
<p>Construct 3D surface plots showing <inline-formula id="ieqn-169"><mml:math id="mml-ieqn-169"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula>-dependence</p></list-item>
<list-item>
<p>Compute phase portraits for variable pairs <inline-formula id="ieqn-170"><mml:math id="mml-ieqn-170"><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mo>,</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>,</mml:mo><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula></p></list-item>
</list></p>
<p>The numerical implementation provides the following key features:
<list list-type="bullet">
<list-item>
<p><inline-formula id="ieqn-171"><mml:math id="mml-ieqn-171"><mml:mi>O</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msup><mml:mi>h</mml:mi><mml:mrow><mml:mn>1</mml:mn><mml:mo>+</mml:mo><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:mrow></mml:msup><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> local truncation error</p></list-item>
<list-item>
<p>A-stability for <inline-formula id="ieqn-172"><mml:math id="mml-ieqn-172"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>&#x2208;</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:math></inline-formula></p></list-item>
<list-item>
<p>Memory optimization through variable step-size adaptation</p></list-item>
<list-item>
<p>Parallel computation across <inline-formula id="ieqn-173"><mml:math id="mml-ieqn-173"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> values</p></list-item>
</list></p>
<p>The method preserves the non-negativity of solutions through the modified corrector step:<disp-formula id="eqn-38"><label>(38)</label><mml:math id="mml-eqn-38" display="block"><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo stretchy="false">&#x2190;</mml:mo><mml:mo movablelimits="true" form="prefix">max</mml:mo><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>y</mml:mi><mml:mrow><mml:mi>k</mml:mi><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msub><mml:mo>,</mml:mo><mml:mn>0</mml:mn><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo><mml:mspace width="1em" /><mml:mrow><mml:mtext>componentwise</mml:mtext></mml:mrow></mml:math></disp-formula>ensuring biologically realistic simulations.</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<label>5</label>
<title>Result and Discussion</title>
<p>The schematic diagram in <xref ref-type="fig" rid="fig-1">Fig. 1</xref> illustrates the directional flow of information in the hybrid framework, showing how the best-performing machine learning model informs the fractional-order model; from diagnostics, prognostics, to growth trajectory predictions. The comprehensive diagnostic pipeline shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-3">Fig. 3</xref> demonstrates a systematic approach for breast cancer classification, beginning with data preprocessing and feature engineering before evaluating multiple machine learning models. The feature importance analysis in <xref ref-type="fig" rid="fig-4">Fig. 4</xref>, and <xref ref-type="table" rid="table-3">Table 3</xref> reveals that worst-area characteristics dominate predictive power, with Area_worst (0.8659) and Radius_worst (0.8561) emerging as the most significant features, consistent with clinical understanding of tumor morphology. <xref ref-type="fig" rid="fig-5">Fig. 5</xref> further visualizes the distribution of these top-ranked features across diagnostic classes, showing a clear separation between malignant and benign cases for the most important predictors. Model performance evaluation, as shown in <xref ref-type="table" rid="table-4">Table 4</xref>, yields important insights, with the deep neural network achieving superior accuracy (0.97716) and F1 score (0.96923) as shown in the cross-validated metrics, while maintaining reasonable computation time (5.3755 s). The confusion matrices in <xref ref-type="fig" rid="fig-6">Fig. 6</xref> provide granular detail on classification errors, revealing that most models achieve &#x003E;95% accuracy with minimal false negatives. The bootstrap error analysis in <xref ref-type="fig" rid="fig-7">Fig. 7</xref> provides confidence in model stability, with tight confidence intervals around performance metrics. Correlation analysis of top features in <xref ref-type="fig" rid="fig-8">Fig. 8</xref> reveals expected relationships between morphological characteristics while maintaining sufficient independence for effective modeling. The SVM model demonstrates exceptional AUC (0.99572) despite longer training times, suggesting particular strength in probabilistic classification. These results are corroborated by the ROC analysis in <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Fig. 9a</xref> and precision-recall curves in <xref ref-type="fig" rid="fig-9">Fig. 9b</xref>, which show consistently strong performance across all models, with the neural network and SVM maintaining high true positive rates across various thresholds.</p>
<fig id="fig-4">
<label>Figure 4</label>
<caption>
<title>Feature rank analysis</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-4.tif"/>
</fig><fig id="fig-5">
<label>Figure 5</label>
<caption>
<title>Top 6 ranked feature distribution</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-5.tif"/>
</fig><fig id="fig-6">
<label>Figure 6</label>
<caption>
<title>Confusion matrix for each model</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-6.tif"/>
</fig><fig id="fig-7">
<label>Figure 7</label>
<caption>
<title>Bootstrap error analysis (100 iterations)</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-7.tif"/>
</fig><fig id="fig-8">
<label>Figure 8</label>
<caption>
<title>Top ten feature correlation</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-8.tif"/>
</fig><fig id="fig-9">
<label>Figure 9</label>
<caption>
<title>Metric analysis: <bold>(a)</bold> ROC Comparison for each model, and <bold>(b)</bold> Precision-Recall Comparison for each model</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-9.tif"/>
</fig>
<p>The neural network architecture comparison in <xref ref-type="fig" rid="fig-10">Fig. 10</xref> illustrates the fundamental differences between shallow and deep approaches, with the deep network&#x2019;s hierarchical structure enabling more sophisticated feature learning. <xref ref-type="fig" rid="fig-11">Fig. 11</xref> compares the decision boundaries of our best-performing shallow and deep neural networks, visualized in the feature space of Area_worst and ConcavePoints_worst. The shallow network (<xref ref-type="fig" rid="fig-11">Fig. 11a</xref>) demonstrates a relatively larger boundary with moderate curvature, suggesting effective but simpler separation of benign (blue) and malignant (red) cases. In contrast, the deep network (<xref ref-type="fig" rid="fig-11">Fig. 11b</xref>) exhibits a more strict, non-linear boundary that adapts precisely to local data distributions, particularly in regions where malignant cases exhibit extreme values of both features. The deep network generates a more articulated boundary with localized inflection points that better capture transitional cases. Both models demonstrate strong consensus in high-risk regions. This architectural advantage manifests in the decision boundary plots (<xref ref-type="fig" rid="fig-12">Fig. 12</xref>), where the deep network captures more complex separations between classes. Feature sensitivity analysis in <xref ref-type="fig" rid="fig-12">Fig. 12</xref> confirms that both network types focus primarily on the same key features identified in the importance ranking, though the deep network shows more nuanced interactions between predictors. The implemented graphical user interface, shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-13">Fig. 13</xref>, demonstrates practical clinical applicability, allowing for the integration of these analytical insights into diagnostic workflows with real-time prediction capabilities. The GUI (<xref ref-type="fig" rid="fig-13">Fig. 13</xref>) integrates real-time risk assessment with growth simulations, enabling clinicians to compare static ML predictions with dynamic trajectories for treatment planning. The feature values are being input, and a diagnosis prediction is being made. These results establish a robust framework for breast cancer diagnosis that strikes a balance between computational efficiency and clinical accuracy. The model fitting results demonstrate robust performance in capturing breast cancer growth dynamics, as evidenced by several quantitative metrics.</p>
<fig id="fig-10">
<label>Figure 10</label>
<caption>
<title>Neural network architectures for breast cancer classification: (<bold>a</bold>) Shallow network with 2 hidden layers (128 and 64 neurons) and 20% dropout; (<bold>b</bold>) Deep network with 4 hidden layers (256, 128, 64, and 32 neurons) featuring 30%
dropout in first three layers and 20% in the last. Node colors indicate layer types: <styled-content style-type="color" style="color: #4D4DFF;">input</styled-content> (blue), <styled-content style-type="color" style="color: #80FF80;">hidden</styled-content> (green), and <styled-content style-type="color" style="color: #FF8080;">output</styled-content> (red). The visualization shows representative subsets of neurons for clarity, with actual layer sizes noted in parentheses.</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-10.tif"/>
</fig><fig id="fig-11">
<label>Figure 11</label>
<caption>
<title>Decision boundary comparison plot of Area_worst and ConcavePoints_worst for the best performing models: <bold>(a)</bold> Shallow Neural Network, and <bold>(b)</bold> Deep Neural Network</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-11.tif"/>
</fig><fig id="fig-12">
<label>Figure 12</label>
<caption>
<title>Feature sensitivity comparison plot of best performing models: <bold>(a)</bold> Shallow Neural Network, and <bold>(b)</bold> Deep Neural Network</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-12.tif"/>
</fig><fig id="fig-13">
<label>Figure 13</label>
<caption>
<title>Breast cancer predictor graphics user interface, using the best performing model</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-13.tif"/>
</fig>
<p>The result in <xref ref-type="table" rid="table-6">Table 6</xref> shows that the optimization process successfully converged with a final error of 0.2877, achieving first-order optimality of <inline-formula id="ieqn-174"><mml:math id="mml-ieqn-174"><mml:mn>5.58</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula> within 108 iterations and 14.45 s of computation time. This efficient convergence indicates that the fractional-order model provides a mathematically sound framework for representing tumor progression. The close agreement between model predictions and clinical measurements shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-14">Fig. 14</xref> further validates the model&#x2019;s ability to reproduce observed growth patterns across multiple tumor characteristics. The optimized parameters listed in <xref ref-type="table" rid="table-7">Table 7</xref> reveal biologically meaningful interactions between tumor features. The radius growth rate (<inline-formula id="ieqn-175"><mml:math id="mml-ieqn-175"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> &#x003D; 0.4987) dominates the system dynamics, while the strong texture-radius competition (<inline-formula id="ieqn-176"><mml:math id="mml-ieqn-176"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> &#x003D; 1.0192) explains the inverse relationship observed in the phase portraits. Notably, the carrying capacity (<italic>K</italic> &#x003D; 12.3588) suggests tumors in this model can grow to approximately 12 times their initial size before reaching resource limitations. The relatively small triple interaction term (<inline-formula id="ieqn-177"><mml:math id="mml-ieqn-177"><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> &#x003D; 0.0082) confirms our earlier observation that concavity remains largely independent of other features during later growth stages. These parameter values collectively produce the characteristic growth curves seen in <xref ref-type="fig" rid="fig-15">Fig. 15</xref>, where radius stabilizes while texture declines and concavity maintains relative stability. The model&#x2019;s performance metrics and parameter estimates provide confidence in its ability to represent real breast cancer progression. The low final error and rapid convergence time suggest the framework is both accurate and computationally efficient for clinical applications. The parameter values align with known biological constraints, particularly the competition between tumor size and structural organization. This quantitative validation supports using the model for predicting tumor development patterns and potentially guiding treatment decisions based on individual growth characteristics. The successful fitting to clinical data shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-14">Fig. 14</xref> demonstrates practical utility for modeling patient-specific tumor dynamics. The analysis of tumor growth dynamics reveals several key patterns in the evolution of tumor characteristics. As shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-15">Figs. 15a</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-16">16a</xref>, the radius (R) exhibits an initial rapid growth phase followed by stabilization, with lower fractional orders (<inline-formula id="ieqn-178"><mml:math id="mml-ieqn-178"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> &#x003D; 0.70&#x2013;0.80) demonstrating more gradual stabilization compared to higher orders (<inline-formula id="ieqn-179"><mml:math id="mml-ieqn-179"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> &#x003D; 0.90&#x2013;0.95). This prolonged growth phase in low-<inline-formula id="ieqn-180"><mml:math id="mml-ieqn-180"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> tumors may reflect the more aggressive behavior seen in certain breast cancer subtypes. The texture parameter (T) in <xref ref-type="fig" rid="fig-15">Figs. 15b</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-16">16b</xref> displays a consistent decreasing trend across all <inline-formula id="ieqn-181"><mml:math id="mml-ieqn-181"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> values, with higher <inline-formula id="ieqn-182"><mml:math id="mml-ieqn-182"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> values showing faster reduction to approximately T &#x003D; 0.1 by 50 time units (5 weeks). This pattern suggests that tumors with classical growth dynamics develop more homogeneous internal structures more rapidly, while those with memory effects maintain structural irregularities for longer durations. The concavity (C) measurements in <xref ref-type="fig" rid="fig-15">Figs. 15c</xref> and <xref ref-type="fig" rid="fig-16">16c</xref> show relatively stable values between 0.06 and 0.1 throughout the simulation period, with minor fluctuations being more pronounced for lower <inline-formula id="ieqn-183"><mml:math id="mml-ieqn-183"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> values. This stability indicates that surface characteristics may be less sensitive to tumor growth dynamics compared to size and internal structure. The surface plots in <xref ref-type="fig" rid="fig-17">Fig. 17</xref> further demonstrate how these parameters evolve simultaneously with respect to both time and fractional order, revealing the complex interplay between tumor characteristics. The phase portraits provide additional insights into the relationships between these tumor features. <xref ref-type="fig" rid="fig-17">Fig. 17a</xref> shows an inverse relationship between radius and texture, where increasing tumor size correlates with decreasing structural irregularity. This negative correlation aligns with clinical observations of larger tumors developing more homogeneous internal structures. The radius-concavity relationship in <xref ref-type="fig" rid="fig-17">Fig. 17c</xref> demonstrates weak coupling, with concavity remaining relatively stable across different radius values. This suggests that surface deformations are governed by different biological mechanisms than those controlling tumor size. The texture-concavity relationship shown in <xref ref-type="fig" rid="fig-17">Fig. 17b</xref> reveals nonlinear coupling, where texture dominates concavity modulation at early growth stages but becomes largely independent of structural changes beyond <inline-formula id="ieqn-184"><mml:math id="mml-ieqn-184"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo>&#x2248;</mml:mo><mml:mn>0.2</mml:mn></mml:math></inline-formula>. These phase space trajectories provide valuable information about tumor development patterns, with low-<inline-formula id="ieqn-185"><mml:math id="mml-ieqn-185"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> tumors maintaining higher concavity across all texture values, potentially serving as a biomarker for more aggressive subtypes. The differential responses based on <inline-formula id="ieqn-186"><mml:math id="mml-ieqn-186"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> values support the utility of fractional-order modeling in capturing the spectrum of tumor behaviors observed clinically, particularly in representing the continuum from classical exponential growth to more complex, memory-dependent progression patterns seen in breast cancer. The prediction landscape in <xref ref-type="fig" rid="fig-18">Fig. 18</xref> illustrates our model&#x2019;s ability to distinguish between malignant (red) and benign (blue) cases using fractional-order dynamics with <inline-formula id="ieqn-187"><mml:math id="mml-ieqn-187"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> &#x003D; 0.9, revealing a nonlinear decision boundary that reflects the complex interactions between tumor size and contour irregularity. The boundary&#x2019;s curvature aligns with clinical knowledge, demonstrating a greater reliance on concavity for larger tumors while maintaining a robust separation of classes. Misclassified points near the transition zone correspond to diagnostically challenging borderline cases, highlighting the model&#x2019;s potential for clinical decision support. The <inline-formula id="ieqn-188"><mml:math id="mml-ieqn-188"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> parameter&#x2019;s influence is evident in the boundary&#x2019;s shape, where higher values produce more definitive classifications compared to the conservative predictions of lower <inline-formula id="ieqn-189"><mml:math id="mml-ieqn-189"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> settings. This visualization validates how fractional calculus captures both morphological features and growth history, providing an interpretable framework that bridges machine learning predictions with biological understanding of tumor progression.</p>
<table-wrap id="table-6">
<label>Table 6</label>
<caption>
<title>Model fitting performance</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col align="center"/>
<col align="center"/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th align="center">Metric</th>
<th align="center">Value</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>Final error</td>
<td>0.2877</td>
</tr>
<tr>
<td>Exit flag</td>
<td>1 (Converged)</td>
</tr>
<tr>
<td>Optimization time</td>
<td>14.45 s</td>
</tr>
<tr>
<td>Iterations</td>
<td>108</td>
</tr>
<tr>
<td>First-Order optimality</td>
<td><inline-formula id="ieqn-190"><mml:math id="mml-ieqn-190"><mml:mn>5.58</mml:mn><mml:mo>&#x00D7;</mml:mo><mml:msup><mml:mn>10</mml:mn><mml:mrow><mml:mo>&#x2212;</mml:mo><mml:mn>7</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:math></inline-formula></td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap><fig id="fig-14">
<label>Figure 14</label>
<caption>
<title>Model fitting to clinical data</title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-14.tif"/>
</fig><table-wrap id="table-7">
<label>Table 7</label>
<caption>
<title>Optimized parameters via model fit</title>
</caption>
<table>
<colgroup>
<col/>
<col/>
</colgroup>
<thead>
<tr>
<th>Parameter</th>
<th>Value</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-191"><mml:math id="mml-ieqn-191"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> (Radius growth rate)</td>
<td>0.4987</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-192"><mml:math id="mml-ieqn-192"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> (Radius-texture competition)</td>
<td>0.0997</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-193"><mml:math id="mml-ieqn-193"><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>1</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> (Radius-concavity coupling)</td>
<td>0.0306</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-194"><mml:math id="mml-ieqn-194"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> (Texture growth rate)</td>
<td>0.0010</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-195"><mml:math id="mml-ieqn-195"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> (Texture-radius competition)</td>
<td>1.0192</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-196"><mml:math id="mml-ieqn-196"><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>2</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> (Texture-concavity coupling)</td>
<td>0.0998</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-197"><mml:math id="mml-ieqn-197"><mml:msub><mml:mi>a</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> (Concavity growth rate)</td>
<td>0.0010</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-198"><mml:math id="mml-ieqn-198"><mml:msub><mml:mi>b</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> (Concavity saturation)</td>
<td>0.1000</td>
</tr>
<tr>
<td><inline-formula id="ieqn-199"><mml:math id="mml-ieqn-199"><mml:msub><mml:mi>c</mml:mi><mml:mn>3</mml:mn></mml:msub></mml:math></inline-formula> (Triple interaction)</td>
<td>0.0082</td>
</tr>
<tr>
<td><italic>K</italic> (Carrying capacity)</td>
<td>12.3588</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap><fig id="fig-15">
<label>Figure 15</label>
<caption>
<title>Two dimensional plots of the equation dynamics in model <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26">(26)</xref>: <bold>(a)</bold> Plot of <inline-formula id="ieqn-200"><mml:math id="mml-ieqn-200"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> Plot of <inline-formula id="ieqn-201"><mml:math id="mml-ieqn-201"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, and <bold>(c)</bold> Plot of <inline-formula id="ieqn-202"><mml:math id="mml-ieqn-202"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula></title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-15.tif"/>
</fig><fig id="fig-16">
<label>Figure 16</label>
<caption>
<title>Surface plots dynamics of model <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26">(26)</xref>: <bold>(a)</bold> Plot of <inline-formula id="ieqn-203"><mml:math id="mml-ieqn-203"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> Plot of <inline-formula id="ieqn-204"><mml:math id="mml-ieqn-204"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, and <bold>(c)</bold> Plot of <inline-formula id="ieqn-205"><mml:math id="mml-ieqn-205"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula><break/></title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-16a.tif"/>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-16b.tif"/>
</fig><fig id="fig-17">
<label>Figure 17</label>
<caption>
<title>Phase plots of model <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26">(26)</xref>: <bold>(a)</bold> Plot of <inline-formula id="ieqn-206"><mml:math id="mml-ieqn-206"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> over <inline-formula id="ieqn-207"><mml:math id="mml-ieqn-207"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, <bold>(b)</bold> Plot of <inline-formula id="ieqn-208"><mml:math id="mml-ieqn-208"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> over <inline-formula id="ieqn-209"><mml:math id="mml-ieqn-209"><mml:mi>T</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula>, and <bold>(c)</bold> Plot of <inline-formula id="ieqn-210"><mml:math id="mml-ieqn-210"><mml:mi>C</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula> over <inline-formula id="ieqn-211"><mml:math id="mml-ieqn-211"><mml:mi>R</mml:mi><mml:mo stretchy="false">(</mml:mo><mml:mi>t</mml:mi><mml:mo stretchy="false">)</mml:mo></mml:math></inline-formula><break/></title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-17.tif"/>
</fig><fig id="fig-18">
<label>Figure 18</label>
<caption>
<title>Malignant-benign region prediction using model <xref ref-type="disp-formula" rid="eqn-26">(26)</xref>, with <inline-formula id="ieqn-212"><mml:math id="mml-ieqn-212"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.9</mml:mn></mml:math></inline-formula></title>
</caption>
<graphic mimetype="image" mime-subtype="tif" xlink:href="CMES_70298-fig-18.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s6">
<label>6</label>
<title>Conclusion</title>
<p>This study presents a novel hybrid framework integrating machine learning and fractional-order calculus to model breast cancer progression across multiple scales. The machine learning component, evaluated on the Wisconsin Diagnostic Breast Cancer dataset, achieved exceptional diagnostic accuracy, with deep neural networks reaching 97.72% by leveraging key morphological features such as Area_worst and Radius_worst. The fractional-order dynamical model uniquely captures memory effects in tumor growth, revealing distinct temporal patterns where lower fractional orders correlate with prolonged tumor growth phases, mimicking aggressive subtypes, while higher orders reflect rapid stabilization akin to indolent tumors. The novelty of this work lies in its first-of-its-kind hybrid framework, which combines machine learning classification with fractional-order dynamics to provide both diagnostic and prognostic insights. The model enhances biological interpretability by linking parameters to clinical tumor behavior. Additionally, fractional calculus introduces memory effects, capturing long-term tumor history and offering a paradigm shift from classical integer-order models. The developed graphical user interface further enhances clinical utility by enabling real-time risk assessment, bridging the gap between theoretical modeling and practical application. Despite these advancements, certain limitations must be acknowledged. The study&#x2019;s data scope is currently restricted to imaging-derived features, excluding genomic and microenvironmental factors that could further refine predictions. The computational cost of deep learning models, such as the 5.3755 s per cross-validation fold required for our Deep Neural Network (DNN), could be optimized through hardware acceleration or model compression techniques. Future research directions should focus on integrating multi-omics data to enhance the fractional model&#x2019;s predictive power, particularly by incorporating genomic markers. Extending the framework to model therapeutic responses, such as chemotherapy effects on fractional-order values, could provide deeper clinical insights. Optimizing the graphical interface for low-resource settings through lightweight machine learning models would improve accessibility. Longitudinal studies are also needed to validate the role of memory effects, represented by <inline-formula id="ieqn-213"><mml:math id="mml-ieqn-213"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula>, in long-term patient outcomes. This work advances precision oncology by unifying data-driven machine learning with mechanistic modeling, offering a scalable tool for both immediate diagnosis and long-term progression tracking. Future developments could establish the fractional-order parameter <inline-formula id="ieqn-214"><mml:math id="mml-ieqn-214"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> as a prognostic biomarker, guiding personalized therapeutic strategies based on tumor growth dynamics. Future studies will further validate <inline-formula id="ieqn-215"><mml:math id="mml-ieqn-215"><mml:mi>&#x03B1;</mml:mi></mml:math></inline-formula> as a prognostic biomarker and optimize the GUI for low-resource settings.&#x201D;</p>
</sec>
</body>
<back>
<ack>
<p>Not applicable.</p>
</ack>
<sec>
<title>Funding Statement</title>
<p>The authors received no specific funding for this study.</p>
</sec>
<sec>
<title>Author Contributions</title>
<p>David Amilo: Conceptualization, Methodology, Data Curation, Software, Formal Analysis, and Writing, Original Draft. Khadijeh Sadri: Formal analysis, Validation, Visualization, Writing, Review, and Editing. Evren Hincal: Supervision and Project Administration, Review, and Editing. Mohamed Hafez: Supervision, Review, and Editing. All authors reviewed the results and approved the final version of the manuscript.</p>
</sec>
<sec sec-type="data-availability">
<title>Availability of Data and Materials</title>
<p>Data used in this study are referenced within the article.</p>
</sec>
<sec>
<title>Ethics Approval</title>
<p>Not applicable.</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement">
<title>Conflicts of Interest</title>
<p>The authors declare no conflicts of interest to report regarding the present study.</p>
</sec>
<ref-list content-type="authoryear">
<title>References</title>
<ref id="ref-1"><label>[1]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Barrios</surname> <given-names>CH</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Global challenges in breast cancer detection and treatment</article-title>. <source>The Breast</source>. <year>2022</year>;<volume>62</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>S3</fpage>&#x2013;<lpage>6</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.breast.2022.02.003</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">35219542</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-2"><label>[2]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Trapani</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ginsburg</surname> <given-names>O</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fadelu</surname> <given-names>T</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lin</surname> <given-names>NU</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hassett</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ilbawi</surname> <given-names>AM</given-names></string-name>, <etal>et al.</etal></person-group> <article-title>Global challenges and policy solutions in breast cancer control</article-title>. <source>Cancer Treat Rev</source>. <year>2022</year>;<volume>104</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>102339</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ctrv.2022.102339</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">35074727</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-3"><label>[3]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wilkinson</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gathani</surname> <given-names>T</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Understanding breast cancer as a global health concern</article-title>. <source>Br J Radio</source>. <year>2022</year>;<volume>95</volume>(<issue>1130</issue>):<fpage>20211033</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1259/bjr.20211033</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">34905391</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-4"><label>[4]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Kim</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Harper</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>McCormack</surname> <given-names>V</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sung</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Houssami</surname> <given-names>N</given-names></string-name>, <string-name><surname>Morgan</surname> <given-names>E</given-names></string-name>, <etal>et al.</etal></person-group> <article-title>Global patterns and trends in breast cancer incidence and mortality across 185 countries</article-title>. <source>Nat Med</source>. <year>2025</year>;<volume>31</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>1154</fpage>&#x2013;<lpage>62</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41591-025-03502-3</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">39994475</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-5"><label>[5]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Xu</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xu</surname> <given-names>B</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Breast cancer: epidemiology, risk factors and screening</article-title>. <source>Chin J Cancer Res</source>. <year>2023</year>;<volume>35</volume>(<issue>6</issue>):<fpage>565</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.21147/j.issn.1000-9604.2023.06.02</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">38204449</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-6"><label>[6]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Popa</surname> <given-names>M-T</given-names></string-name>, <string-name><surname>Noditi</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pelea&#x015F;a</surname> <given-names>T-M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Stoleru</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Blidaru</surname> <given-names>A</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Breast cancer: a heterogeneous pathology. Prognostic and predictive factors&#x2013;a narrative review</article-title>. <source>Chirurgia</source>. <year>2025</year>;<volume>120</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>32</fpage>&#x2013;<lpage>47</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.21614/chirurgia.3100</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">40051316</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-7"><label>[7]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Gu</surname> <given-names>TQ</given-names></string-name>, <string-name><surname>Xiao</surname> <given-names>YL</given-names></string-name>, <string-name><surname>Shao</surname> <given-names>ZM</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Intratumor heterogeneity in breast cancer: tracing its origins and translating findings into clinical practice</article-title>. <source>Precis Med Eng</source>. <year>2024</year>;<volume>1</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>100006</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.preme.2024.100006</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-8"><label>[8]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Shahid</surname> <given-names>MS</given-names></string-name>, <string-name><surname>Imran</surname> <given-names>A</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Breast cancer detection using deep learning techniques: challenges and future directions</article-title>. <source>Multimed Tools Appl</source>. <year>2025</year>;<volume>84</volume>(<issue>6</issue>):<fpage>3257</fpage>&#x2013;<lpage>304</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11042-025-20606-7</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-9"><label>[9]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Sharafaddini</surname> <given-names>AM</given-names></string-name>, <string-name><surname>Esfahani</surname> <given-names>KK</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mansouri</surname> <given-names>N</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Deep learning approaches to detect breast cancer: a comprehensive review</article-title>. <source>Multimed Tools Appl</source>. <year>2024</year>;<volume>84</volume>(<issue>21</issue>):<fpage>24079</fpage>&#x2013;<lpage>190</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11042-024-20011-6</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-10"><label>[10]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Asif</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yi</surname> <given-names>WH</given-names></string-name>, <string-name><surname>ur-Rehman</surname> <given-names>S-</given-names></string-name>, <string-name><surname>ul-ain</surname> <given-names>Q-</given-names></string-name>, <string-name><surname>Amjad</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yi</surname> <given-names>YY</given-names></string-name>, <etal>et al.</etal></person-group> <article-title>Advancements and prospects of machine learning in medical diagnostics: unveiling the future of diagnostic precision</article-title>. <source>Arch Comput Methods Eng</source>. <year>2024</year>;<volume>32</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>853</fpage>&#x2013;<lpage>83</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11831-024-10148-w</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-11"><label>[11]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Rai</surname> <given-names>HM</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yoo</surname> <given-names>J</given-names></string-name>, <string-name><surname>Razaque</surname> <given-names>A</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Comparative analysis of machine learning and deep learning models for improved cancer detection: a comprehensive review of recent advancements in diagnostic techniques</article-title>. <source>Expert Syst Appl</source>. <year>2024</year>;<volume>255</volume>(<issue>Part D</issue>):<fpage>124838</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.eswa.2024.124838</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-12"><label>[12]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Amilo</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sadri</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hincal</surname> <given-names>E</given-names></string-name>, <string-name><surname>Farman</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Nisar</surname> <given-names>KS</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hafez</surname> <given-names>M</given-names></string-name></person-group>. <article-title>An integrated machine learning and fractional calculus approach to predicting diabetes risk in women</article-title>. <source>Healthcare Anal</source>. <year>2025</year>;<volume>8</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>100402</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.health.2025.100402</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-13"><label>[13]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Luo</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wang</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Lin</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ma</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tan</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Chan</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <etal>et al.</etal></person-group> <article-title>Deep learning in breast cancer imaging: a decade of progress and future directions</article-title>. <source>IEEE Rev Biomed Eng</source>. <year>2025</year>;<volume>18</volume>:<fpage>130</fpage>&#x2013;<lpage>51</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/RBME.2024.3357877</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">38265911</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-14"><label>[14]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Darbandi</surname> <given-names>MRN</given-names></string-name>, <string-name><surname>Darbandi</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Darbandi</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Bado</surname> <given-names>I</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hadizadeh</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Khorshid</surname> <given-names>HRK</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Artificial intelligence breakthroughs in pioneering early diagnosis and precision treatment of breast cancer: a multimethod study</article-title>. <source>Eur J Cancer</source>. <year>2024</year>;<volume>209</volume>:<fpage>114227</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ejca.2024.114227</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">39053289</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-15"><label>[15]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Orhan</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yav&#x0015F;an</surname> <given-names>E</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Artificial intelligence-assisted detection model for melanoma diagnosis using deep learning techniques</article-title>. <source>Math Model Numer Simul Appl</source>. <year>2023</year>;<volume>3</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>159</fpage>&#x2013;<lpage>69</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.53391/mmnsa.1311943</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-16"><label>[16]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Sugiman</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Salman</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Catur</surname> <given-names>AD</given-names></string-name>, <string-name><surname>Asmara</surname> <given-names>YP</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Modelling the flexural properties of filled epoxy: effects of volume fraction</article-title>. <source>E3S Web of Conferences</source>. <year>2023</year>;<volume>465</volume>(<issue>16</issue>):<fpage>01028)</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1051/e3sconf/202346501028</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-17"><label>[17]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Dewi</surname> <given-names>DA</given-names></string-name>, <string-name><surname>Thinakan</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Batumalay</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kurniawan</surname> <given-names>TB</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A model for pervasive computing and wearable devices for sustainable healthcare applications</article-title>. <source>Int J Adv Comput Sci Appl</source>. <year>2023</year>;<volume>14</volume>(<issue>10</issue>). doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.14569/IJACSA.2023.0141056</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-18"><label>[18]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Acay</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>Inc</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Khan</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yusuf</surname> <given-names>A</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Fractional methicillin-resistant Staphylococcus aureus infection model under Caputo operator</article-title>. <source>J Appl Math Comput</source>. <year>2021</year>;<volume>67</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>755</fpage>&#x2013;<lpage>83</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s12190-021-01502-3</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">33613142</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-19"><label>[19]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Saadeh</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Abdoon</surname> <given-names>MA</given-names></string-name>, <string-name><surname>Qazza</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Berir</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Guma</surname> <given-names>FE</given-names></string-name>, <string-name><surname>Al-Kuleab</surname> <given-names>N</given-names></string-name>, <etal>et al</etal></person-group>. <article-title>Mathematical modeling and stability analysis of the novel fractional model in the Caputo derivative operator: a case study</article-title>. <source>Heliyon</source>. <year>2024</year>;<volume>10</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>e26611</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.heliyon.2024.e26611</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">38434353</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-20"><label>[20]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Bundela</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sharma</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Singh</surname> <given-names>BR</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A review article on relation between mathematical modelling and machine learning</article-title>. <source>Zhongguo Kuangye Daxue Xuebao</source>. <year>2024</year>;<volume>29</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>123</fpage>&#x2013;<lpage>9</lpage>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-21"><label>[21]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Amilo</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Izuchukwu</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sadri</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yao</surname> <given-names>HR</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hincal</surname> <given-names>E</given-names></string-name>, <string-name><surname>Shehu</surname> <given-names>Y</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A fractional-order model for optimizing combination therapy in heterogeneous lung cancer: integrating immunotherapy and targeted therapy to minimize side effects</article-title>. <source>Sci Rep</source>. <year>2024</year>;<volume>14</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>18484</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-024-66531-x</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">39122747</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-22"><label>[22]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Xu</surname> <given-names>C</given-names></string-name>, <string-name><surname>Farman</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Pang</surname> <given-names>Y</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liu</surname> <given-names>Z</given-names></string-name>, <string-name><surname>Liao</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Yao</surname> <given-names>L</given-names></string-name>, <etal>et al.</etal></person-group> <article-title>Mathematical analysis and dynamical transmission of (SEIrIsR) model with different infection stages by using fractional operator</article-title>. <source>Int J Biomath</source>. <year>2024</year>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1142/S1793524524501511</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-23"><label>[23]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Ucar</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Koca</surname> <given-names>I</given-names></string-name>, <string-name><surname>&#x00D6;zdemir</surname> <given-names>N</given-names></string-name>, <string-name><surname>Inci</surname> <given-names>T</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A stochastic approach to tumor modeling incorporating macrophages</article-title>. <source>Bull Biomath</source>. <year>2024</year>;<volume>2</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>162</fpage>&#x2013;<lpage>81</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.59292/bulletinbiomath.2024007</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-24"><label>[24]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Amilo</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sadri</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kaymakamzade</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hincal</surname> <given-names>E</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A mathematical model with fractional-order dynamics for the combined treatment of metastatic colorectal cancer</article-title>. <source>Commun Nonlinear Sci Numer Simul</source>. <year>2024</year>;<volume>130</volume>(<issue>7</issue>):<fpage>107756</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cnsns.2023.107756</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-25"><label>[25]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Amilo</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sadri</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Farman</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hincal</surname> <given-names>E</given-names></string-name>, <string-name><surname>Nisar</surname> <given-names>KS</given-names></string-name></person-group>. <article-title>New insights into disease dynamics and treatment interventions with PID controller-based therapeutic strategies for pancreatic cancer</article-title>. <source>Comput Math Appl</source>. <year>2025</year>;<volume>181</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>133</fpage>&#x2013;<lpage>62</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.camwa.2025.01.006</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-26"><label>[26]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Amilo</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kaymakamzade</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hincal</surname> <given-names>E</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A fractional-order mathematical model for lung cancer incorporating integrated therapeutic approaches</article-title>. <source>Sci Rep</source>. <year>2023</year>;<volume>13</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>12426</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1038/s41598-023-38814-2</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">37528101</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-27"><label>[27]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>El-Sayed</surname> <given-names>AA</given-names></string-name>, <string-name><surname>Baleanu</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Agarwal</surname> <given-names>P</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A novel Jacobi operational matrix for numerical solution of multi-term variable-order fractional differential equations</article-title>. <source>J Taibah Univ Sci</source>. <year>2020</year>;<volume>14</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>963</fpage>&#x2013;<lpage>74</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1080/16583655.2020.1792681</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-28"><label>[28]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Agarwal</surname> <given-names>P</given-names></string-name>, <string-name><surname>El-Sayed</surname> <given-names>AA</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tariboon</surname> <given-names>J</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Vieta-Fibonacci operational matrices for spectral solutions of variable-order fractional integro-differential equations</article-title>. <source>J Comput Appl Math</source>. <year>2021</year>;<volume>382</volume>(<issue>2</issue>):<fpage>113063</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.cam.2020.113063</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-29"><label>[29]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Swain</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Swain</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Panda</surname> <given-names>B</given-names></string-name>, <string-name><surname>Tripathy</surname> <given-names>MC</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Modeling and optimal analysis of lung cancer cell growth and apoptosis with fractional-order dynamics</article-title>. <source>Comput Biol Med</source>. <year>2025</year>;<volume>188</volume>(<issue>11</issue>):<fpage>109837</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.compbiomed.2025.109837</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">39965392</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-30"><label>[30]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Karaca</surname> <given-names>Y</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Computational complexity-based fractional-order neural network models for the diagnostic treatments and predictive transdifferentiability of heterogeneous cancer cell propensity</article-title>. <source>Chaos Theory Appl</source>. <year>2023</year>;<volume>5</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>34</fpage>&#x2013;<lpage>51</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.51537/chaos.1249532</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-31"><label>[31]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Vieira</surname> <given-names>LC</given-names></string-name>, <string-name><surname>Costa</surname> <given-names>RS</given-names></string-name>, <string-name><surname>Val&#x00E9;rio</surname> <given-names>D</given-names></string-name></person-group>. <article-title>An overview of mathematical modelling in cancer research: fractional calculus as modelling tool</article-title>. <source>Frac Fraction</source>. <year>2023</year>;<volume>7</volume>(<issue>8</issue>):<fpage>595</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/fractalfract7080595</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-32"><label>[32]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Behinfaraz</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ghavifekr</surname> <given-names>AA</given-names></string-name>, <string-name><surname>De Fazio</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Visconti</surname> <given-names>P</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Utilizing fractional artificial neural networks for modeling cancer cell behavior</article-title>. <source>Electronics</source>. <year>2023</year>;<volume>12</volume>(<issue>20</issue>):<fpage>4245</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.3390/electronics12204245</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-33"><label>[33]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Nagdeote</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Prabhu</surname> <given-names>S</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A model to perform prediction based on feature extraction of histopathological images of the breast</article-title>. <source>Multimed Tools Appl</source>. <year>2024</year>;<volume>83</volume>(<issue>6</issue>):<fpage>18119</fpage>&#x2013;<lpage>46</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11042-023-16245-5</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-34"><label>[34]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Imam</surname> <given-names>S</given-names></string-name>, <string-name><surname>Aijaz</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Iffat</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Jamshed</surname> <given-names>SQ</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ismail</surname> <given-names>NE</given-names></string-name>, <string-name><surname>Paneerselvam</surname> <given-names>GS</given-names></string-name>, <etal>et al.</etal></person-group> <article-title>Attitudes and understanding of complementary and alternative medicine in cancer care: an exploratory study of patients&#x2019; perspectives in Karachi</article-title>. <source>Pakistan Asian Pac J Trop Med</source>. <year>2023</year>;<volume>16</volume>(<issue>9</issue>):<fpage>400</fpage>&#x2013;<lpage>8</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.4103/1995-7645.386075</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-35"><label>[35]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Al-Dhabyani</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gomaa</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Khaled</surname> <given-names>H</given-names></string-name>, <string-name><surname>Fahmy</surname> <given-names>A</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Dataset of breast ultrasound images</article-title>. <source>Data Brief</source>. <year>2020</year>;<volume>28</volume>(<issue>5</issue>):<fpage>104863</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.dib.2019.104863</pub-id>; <pub-id pub-id-type="pmid">31867417</pub-id></mixed-citation></ref>
<ref id="ref-36"><label>[36]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Wolberg</surname> <given-names>W</given-names></string-name>, <string-name><surname>Mangasarian</surname> <given-names>O</given-names></string-name>, <string-name><surname>Street</surname> <given-names>N</given-names></string-name>, <string-name><surname>Street</surname> <given-names>W</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Breast cancer wisconsin (Diagnostic) [Dataset]</article-title>. <source>UCI Machine Learning Repository</source>. <year>1993</year>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.24432/C5DW2B</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-37"><label>[37]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Singh</surname> <given-names>LK</given-names></string-name>, <string-name><surname>Khanna</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Singh</surname> <given-names>R</given-names></string-name></person-group>. <article-title>An enhanced soft-computing based strategy for efficient feature selection for timely breast cancer prediction: Wisconsin Diagnostic Breast Cancer dataset case</article-title>. <source>Multimed Tools Appl</source>. <year>2024</year>;<volume>83</volume>(<issue>31</issue>):<fpage>76607</fpage>&#x2013;<lpage>72</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s11042-024-18473-9</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-38"><label>[38]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Sadeghi-Lotfabadi</surname> <given-names>A</given-names></string-name>, <string-name><surname>Ghiasi-Shirazi</surname> <given-names>K</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Speeding up L-BFGS by direct approximation of the inverse Hessian matrix</article-title>. <source>Comput Optim Appl</source>. <year>2025</year>;<volume>91</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>283</fpage>&#x2013;<lpage>310</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10589-025-00665-0</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-39"><label>[39]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>So</surname> <given-names>AMC</given-names></string-name>, <string-name><surname>Zhou</surname> <given-names>Z</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Non-asymptotic convergence analysis of inexact gradient methods for machine learning without strong convexity</article-title>. <source>Optim Methods Softw</source>. <year>2017</year>;<volume>32</volume>(<issue>4</issue>):<fpage>963</fpage>&#x2013;<lpage>92</lpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1080/10556788.2017.1296439</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-40"><label>[40]</label><mixed-citation publication-type="book"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Valentim Junior</surname> <given-names>CA</given-names></string-name></person-group>. <source>Fractional mathematical oncology: cancer-related dynamics under an interdisciplinary viewpoint [doctoral dissertation]</source>. <publisher-loc>Brazil</publisher-loc>: <publisher-name>S&#x00E3;o Paulo</publisher-name>; <year>2023</year>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.11606/T.74.2023.tde-07112023-093919</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-41"><label>[41]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Jiang</surname> <given-names>G</given-names></string-name>, <string-name><surname>Gao</surname> <given-names>X</given-names></string-name>, <string-name><surname>Huang</surname> <given-names>R</given-names></string-name>, <string-name><surname>Wu</surname> <given-names>C</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Fractional-Order RNNs: a universal approximation framework for non-local dynamic system modeling</article-title>. <source>IEEE Trans Signal Process</source>. <year>2025</year>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1109/TSP.2025.3585881</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-42"><label>[42]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Abu-Shady</surname> <given-names>M</given-names></string-name>, <string-name><surname>Kaabar</surname> <given-names>MK</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A generalized definition of the fractional derivative with applications</article-title>. <source>Math Probl Eng</source>. <year>2021</year>;<volume>2021</volume>(<issue>1</issue>):<fpage>9444803</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2021/9444803</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-43"><label>[43]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Amilo</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Sadri</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hincal</surname> <given-names>E</given-names></string-name></person-group>. <article-title>Comparative analysis of caputo and variable-order fractional derivative algorithms across various applications</article-title>. <source>Int J Appl Comput Math</source>. <year>2025</year>;<volume>11</volume>(<issue>3</issue>):<fpage>80</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s40819-025-01887-w</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-44"><label>[44]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Sadri</surname> <given-names>K</given-names></string-name>, <string-name><surname>Amilo</surname> <given-names>D</given-names></string-name>, <string-name><surname>Hin&#x00E7;al</surname> <given-names>E</given-names></string-name></person-group>. <article-title>A combination of classical and shifted Jacobi polynomials for two-dimensional time-fractional diffusion-wave equations</article-title>. <source>Chaos Solitons Fractals</source>. <year>2025</year>;<volume>198</volume>:<fpage>116569</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.chaos.2025.116569</pub-id>.</mixed-citation></ref>
<ref id="ref-45"><label>[45]</label><mixed-citation publication-type="journal"><person-group person-group-type="author"><string-name><surname>Lin</surname> <given-names>SY</given-names></string-name></person-group>. <article-title>New results for generalized Gronwall Inequalities and their applications</article-title>. <source>Abstr Appl Anal</source>. <year>2014</year>;<volume>2014</volume>:<fpage>168594</fpage>. doi:<pub-id pub-id-type="doi">10.1155/2014/168594</pub-id>.</mixed-citation></ref>
</ref-list>
</back></article>










