非線(xiàn)性是什么意思與線(xiàn)性的區(qū)別是什么

　　非線(xiàn)性是自然界復(fù)雜性的典型性質(zhì)之一，那么你對(duì)非線(xiàn)性了解多少呢?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于什么是非線(xiàn)性的內(nèi)容，希望大家喜歡!

　　什么是非線(xiàn)性

　　非線(xiàn)性(non-linear)，即 變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，不是直線(xiàn)而是曲線(xiàn)、曲面、或不確定的屬性，叫非線(xiàn)性。非線(xiàn)性是自然界復(fù)雜性的典型性質(zhì)之一;與線(xiàn)性相比，非線(xiàn)性更接近客觀事物性質(zhì)本身，是量化研究認(rèn)識(shí)復(fù)雜知識(shí)的重要方法之一;凡是能用非線(xiàn)性描述的關(guān)系，通稱(chēng)非線(xiàn)性關(guān)系。

　　狹義的非線(xiàn)性是指不按比例、不成直線(xiàn)的數(shù)量關(guān)系，無(wú)法用線(xiàn)性形式表現(xiàn)的數(shù)量關(guān)系，如曲線(xiàn)、曲面等。而廣義上看，是自變量以特殊的形式變化而產(chǎn)生的不同于傳統(tǒng)的映射關(guān)系，如迭代關(guān)系的函數(shù)，上一次演算的映射為下一次演算的自變量，顯然這是無(wú)法用通常的線(xiàn)性函數(shù)描繪和形容的。很顯然，自然界事物的變化規(guī)律不是像簡(jiǎn)單的函數(shù)圖像，他們當(dāng)中存在著并非一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。如果說(shuō)線(xiàn)性關(guān)系是互不相干的獨(dú)立關(guān)系，那么非線(xiàn)性則是體現(xiàn)相互作用的關(guān)系，正是這種相互作用，使得整體不再是簡(jiǎn)單地全部等于部分之和，而可能出現(xiàn)不同于"線(xiàn)性疊加"的增益或虧損。

　　線(xiàn)性與非線(xiàn)性的區(qū)別

　　非線(xiàn)性是相對(duì)于線(xiàn)性而言的，是對(duì)線(xiàn)性的否定，線(xiàn)性是非線(xiàn)性的特例，所以要弄清非線(xiàn)性的概念，明確什么是非線(xiàn)性，首先必須明確什么是線(xiàn)性，其次對(duì)非線(xiàn)性的界定必須從數(shù)學(xué)表述和物理意義兩個(gè)方面闡述，才能較完整地理解非線(xiàn)性的概念。

　　(1) 線(xiàn)性

　　對(duì)線(xiàn)性的界定，一般是從相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)角度來(lái)進(jìn)行的：其一，疊加原理成立：“如果ψl，ψ2是方程的兩個(gè)解，那么aψl+bψ2也是它的一個(gè)解，換言之，兩個(gè)態(tài)的疊加仍然是一個(gè)態(tài)。”疊加原理成立意味著所考察系統(tǒng)的子系統(tǒng)間沒(méi)有非線(xiàn)性相互作用。其二，物理變量間的函數(shù)關(guān)系是直線(xiàn)，變量間的變化率是恒量，這意味著函數(shù)的斜率在其定義域內(nèi)處處存在且相等，變量間的比例關(guān)系在變量的整個(gè)定義域內(nèi)是對(duì)稱(chēng)的。

　　(2) 非線(xiàn)性

　　在明確了線(xiàn)性的含義后，相應(yīng)地非線(xiàn)性概念就易于界定：

　　其—，“定義非線(xiàn)性算符N(φ)為對(duì)一些a、b或φ、ψ不滿(mǎn)足L(aφ+bψ)=aL(φ)+bL(ψ)的算符”，即疊加原理不成立，這意味著φ與ψ間存在著耦合，對(duì)(aφ+bψ)的操作，等于分別對(duì)φ和ψ操作外，再加上對(duì)φ與ψ的交叉項(xiàng)(耦合項(xiàng))的操作，或者φ、ψ是不連續(xù)(有突變或斷裂)、不可微(有折點(diǎn))的。

　　其二，作為等價(jià)的另—種表述，我們可以從另一個(gè)角度來(lái)理解非線(xiàn)性：在用于描述—個(gè)系統(tǒng)的一套確定的物理變量中，一個(gè)系統(tǒng)的—個(gè)變量最初的變化所造成的此變量或其它變量的相應(yīng)變化是不成比例的，換言之，變量間的變化率不是恒量，函數(shù)的斜率在其定義域中有不存在或不相等的地方，概括地說(shuō)，就是物理變量間的一級(jí)增量關(guān)系在變量的定義域內(nèi)是不對(duì)稱(chēng)的?？梢哉f(shuō)，這種對(duì)稱(chēng)破缺是非線(xiàn)性關(guān)系的最基本的體現(xiàn)，也是非線(xiàn)性系統(tǒng)復(fù)雜性的根源。

　　對(duì)非線(xiàn)性概念的這兩種表述實(shí)際上是等價(jià)的，其—疊加原理不成立必將導(dǎo)致其二物理變量關(guān)系不對(duì)稱(chēng);反之，如果物理變量關(guān)系不對(duì)稱(chēng)，那么疊加原理將不成立。之所以采用了兩種表述，是因?yàn)樵诓煌膱?chǎng)合，對(duì)于不同的對(duì)象，兩種表述有各自的方便之處，如前者對(duì)于考察系統(tǒng)中整體與部分的關(guān)系、微分方程的性質(zhì)是方便的，后者對(duì)于考察特定的變量間的關(guān)系(包括變量的時(shí)間行為)將是方便的。

　　關(guān)于非線(xiàn)性概念需要強(qiáng)調(diào)的是，線(xiàn)性或非線(xiàn)性的提法是相對(duì)于物理變量而言的，也就是說(shuō)，只有物理變量的關(guān)系才是判斷是否是非線(xiàn)性的根據(jù)，而非物理變量的關(guān)系不能成為非線(xiàn)性與否的判據(jù)。這里所說(shuō)的物理變量是指那些可以觀測(cè)的、人們感興趣的、對(duì)人類(lèi)有意義的變量。例如分形理論中，簡(jiǎn)單分形的分維D是恒量，在無(wú)標(biāo)度區(qū)間內(nèi)lnN=DlnL，lnN與lnL是線(xiàn)性關(guān)系，但是顯然不能籍此得出簡(jiǎn)單分形是線(xiàn)性的結(jié)論。這里的物理變量是N和 L，而不是經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)變換的nN與lnL，即人們可觀測(cè)的、感興趣的、對(duì)人們有意義的是N和L，而不是lnN和lnL，N與L的關(guān)系N=LD是非線(xiàn)性的，所以可得出分形是非線(xiàn)性的結(jié)論。再如，物價(jià)對(duì)時(shí)間的直接關(guān)系(而不足Mandbrolt所統(tǒng)計(jì)的棉花價(jià)格指數(shù)的無(wú)標(biāo)度性)正是人們感興趣的、對(duì)人們有意義的，而且兩者的關(guān)系是非線(xiàn)性的，所以物價(jià)隨時(shí)間的變化是一種非線(xiàn)性現(xiàn)象。

　　非線(xiàn)性的性質(zhì)

　　非線(xiàn)性科學(xué)正處于發(fā)展過(guò)程之中，它所研究的各門(mén)具體科學(xué)中的非線(xiàn)性普適類(lèi)，有已經(jīng)形成的 (如混沌、分形、孤子)，有正在形成的(如適應(yīng)性與自涌行為)，還會(huì)有將要形成的，所以非線(xiàn)性的性質(zhì)還沒(méi)有完全呈現(xiàn)出來(lái)，這里也就不可能全面地討論非線(xiàn)性的性質(zhì)。下面僅從“非線(xiàn)性與線(xiàn)性的關(guān)系”、“非線(xiàn)性的物理機(jī)制”和“非線(xiàn)性與穩(wěn)定性”三個(gè)方面作初步探討。

　　(1) 非線(xiàn)性與線(xiàn)性的關(guān)系

　　非線(xiàn)性與線(xiàn)性是相對(duì)而言的，兩者是一對(duì)矛盾的概念，一方面兩者在一定程度上可以相互轉(zhuǎn)化，另一方面兩者又存在本質(zhì)區(qū)別，再者兩者同時(shí)存在于—個(gè)系統(tǒng)中，規(guī)定著系統(tǒng)相應(yīng)方面的性質(zhì)。

　?、俜蔷€(xiàn)性與線(xiàn)性的密切聯(lián)系

　　首先，在數(shù)學(xué)上一些線(xiàn)性方程可轉(zhuǎn)化為非線(xiàn)性方程來(lái)解。物理上的一些非線(xiàn)性問(wèn)題，也可以通過(guò)數(shù)學(xué)變換而轉(zhuǎn)化為線(xiàn)性方程來(lái)研究。如非線(xiàn)性的KdV方程通過(guò)散射反演方法化為線(xiàn)性的可積方程，從而求出了精確的解析解;一些非線(xiàn)性不強(qiáng)的問(wèn)題，可用線(xiàn)性逼近方法將其轉(zhuǎn)化為若干線(xiàn)性問(wèn)題來(lái)求近似解，這是已在各門(mén)學(xué)科中廣泛采用并相當(dāng)有效的的方法。

　　其次，在某些情況下，由方程得到的解析解并不能提供更多的信息，無(wú)助于更好地理解系統(tǒng)的行為，而從解的非線(xiàn)性形式中，我們卻可以方便地得到所研究系統(tǒng)的重要性質(zhì)。如：考慮這樣一個(gè)簡(jiǎn)單方程：d2X/dt2+X=0，它的解是X=Acos(t)+Bsin(t)，從這個(gè)非線(xiàn)性形式中，我們?nèi)菀字浪莻€(gè)周期函數(shù)，滿(mǎn)足cos(t+2π)=cos(t)，sin(t+2π)=sin(t)。而從cos(t)和sin(t)的解析形式中，極難證明其具有相應(yīng)的周期性這一重要性質(zhì)。所以，認(rèn)為線(xiàn)性方程可以得到解析解， 非線(xiàn)性方程難以得到解析解，因而線(xiàn)性能給出比非線(xiàn)性更多的有用信息是不確切的。這意味著，對(duì)某些問(wèn)題從非線(xiàn)性的角度考察不僅是可能的，而且有時(shí)也是必要的。

　　所以，線(xiàn)性與非線(xiàn)性在一定程度上是可以相互轉(zhuǎn)化的，這表明了線(xiàn)性與非線(xiàn)性之間有密切的聯(lián)系。

　　②非線(xiàn)性與線(xiàn)性的本質(zhì)區(qū)別

　　非線(xiàn)性與線(xiàn)性雖然可以通過(guò)數(shù)學(xué)變換而相互轉(zhuǎn)化，在數(shù)學(xué)上有一定的聯(lián)系，但是在同一視角、同一層次、同一參照系下，非線(xiàn)性與線(xiàn)性又是有本質(zhì)區(qū)別的。

　　在數(shù)學(xué)上，線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系是直線(xiàn)，而非線(xiàn)性函數(shù)關(guān)系是非直線(xiàn)，包括各種曲線(xiàn)、折線(xiàn)、不連續(xù)的線(xiàn)等;線(xiàn)性方程滿(mǎn)足疊加原理，非線(xiàn)性方程不滿(mǎn)足疊加原理;線(xiàn)性方程易于求出解析解，而非線(xiàn)性方程一般不能得出解析解。

　　在物理上，近線(xiàn)性問(wèn)題(它不是我們所說(shuō)的非線(xiàn)性問(wèn)題)可用線(xiàn)性逼近方法求出一定精確度的解，即依據(jù)具體問(wèn)題對(duì)精確度的要求，逐次解出若干個(gè)線(xiàn)性問(wèn)題，把它們疊加起來(lái)，就能得到很好的近似解。但是對(duì)于非線(xiàn)性問(wèn)題，由于存有小參數(shù)發(fā)散及收斂慢等問(wèn)題，線(xiàn)性逼近方法將失效，特別是對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、強(qiáng)烈的相互作用、長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)態(tài)行為等非線(xiàn)性很強(qiáng)的情況，線(xiàn)性方法將完全無(wú)能為力。線(xiàn)性逼近方法的這些局限性，導(dǎo)致非線(xiàn)性方法的不可替代，在無(wú)法用線(xiàn)性方法處理的強(qiáng)非線(xiàn)性的地方，只能用非線(xiàn)性方法。線(xiàn)性逼近方法并非經(jīng)常能奏效，這不光是方法論問(wèn)題，也是自然觀問(wèn)題，自然界既有量變又有質(zhì)變，在質(zhì)變中， 自然界要經(jīng)歷躍變或轉(zhuǎn)折，這是線(xiàn)性所不能包容的。

　?、鄯蔷€(xiàn)性與線(xiàn)性在同一系統(tǒng)中的作用

　　非線(xiàn)性與線(xiàn)性有一定的聯(lián)系又有本質(zhì)區(qū)別，它們常同時(shí)存在于一個(gè)系統(tǒng)之中，規(guī)定著系統(tǒng)不同側(cè)面的性質(zhì)，一個(gè)確定的系統(tǒng)，一般都同時(shí)具有線(xiàn)性和非線(xiàn)性?xún)煞N性質(zhì)：首先，在一個(gè)給定的非線(xiàn)性系統(tǒng)中，它的非線(xiàn)性性質(zhì)決定它的平衡構(gòu)造或說(shuō)穩(wěn)定機(jī)制是否存在，及存在的地方。其次，系統(tǒng)的線(xiàn)性性質(zhì)決定著系統(tǒng)關(guān)于其平衡點(diǎn)(穩(wěn)定結(jié)構(gòu))的小振動(dòng)的規(guī)律，即系統(tǒng)在穩(wěn)定點(diǎn)附近的線(xiàn)性展開(kāi)性質(zhì)。