Кіріспе
Сызықтық жүйелердегі физикалық шешімдер сызықтық екенін көрсететін физиканың негізгі принципі – сызықтық жүйелердегі суперпозиция принципі. Суперпозиция принципі, сондай-ақ суперпозиция қасиеті деп те аталады, барлық сызықтық жүйелер үшін екі немесе одан көп әсердің (стимулдың) тудыратын жалпы жауап, әр әсер жеке-жеке тудырған жауаптардың қосындысына тең болады. Яғни, егер A кірісі X жауабын, ал B кірісі Y жауабын тудырса, онда (A + B) кірісі (X + Y) жауабын тудырады. Суперпозиция принципіне сәйкес келетін функция сызықтық функция деп аталады. Суперпозицияны екі қарапайым қасиет арқылы анықтауға болады: скаляр a үшін аддитивтілік және гомогенділік. Бұл принцип физика және инженерия салаларында кеңінен қолданылады, себебі көптеген физикалық жүйелерді сызықтық жүйелер ретінде модельдеуге болады. Мысалы, сәуле, сәулеге түсетін жүктемеге (әсерге) және сәуленің иілуіне (жауапқа) байланысты сызықтық жүйе ретінде модельделуі мүмкін. Сызықтық жүйелердің маңыздылығы – оларды математикалық тұрғыдан талдау оңай. Оларға математикалық әдістердің кең ауқымы, жиілік доменіндегі сызықтық түрлендіру әдістері, мысалы, Фурье және Лаплас түрлендірулері, сондай-ақ сызықтық операторлар теориясы қолданылады. Физикалық жүйелер көбінесе тек шамамен сызықтық болатындықтан, суперпозиция принципі нақты физикалық мінез-құлықтың жуықтамасы ғана болып табылады. Суперпозиция принципі кез келген сызықтық жүйеге қолданылады, оның ішінде алгебралық теңдеулерге, сызықтық дифференциалдық теңдеулерге және осы формадағы теңдеулер жүйелеріне. Әсерлер мен жауаптар сандар, функциялар, векторлар, векторлық өрістер, уақыт бойынша өзгеретін сигналдар немесе белгілі бір аксиомаларды қанағаттандыратын кез келген басқа да объектілер болуы мүмкін. Векторлар немесе векторлық өрістер қатысқан жағдайда, суперпозиция векторлық қосынды ретінде қарастырылады. Егер суперпозиция орындалса, онда ол осы функцияларға қолданылатын барлық сызықтық операциялар үшін де (анықтама бойынша) автоматты түрде орындалады, мысалы, градиенттер, дифференциалдар немесе интегралдар (егер олар бар болса).
the superposition principle in linear systems
The superposition principle, also known as superposition property, states that, for all linear systems, the net response caused by two or more stimuli is the sum of the responses that would have been caused by each stimulus individually. So that if input A produces response X, and input B produces response Y, then input (A + B) produces response (X + Y). A function that satisfies the superposition principle is called a linear function. Superposition can be defined by two simpler properties: additivity
and homogeneity
for scalar a. This principle has many applications in physics and engineering because many physical systems can be modeled as linear systems. For example, a beam can be modeled as a linear system where the input stimulus is the load on the beam and the output response is the deflection of the beam. The importance of linear systems is that they are easier to analyze mathematically; there is a large body of mathematical techniques, frequency domain linear transform methods such as Fourier and Laplace transforms, and linear operator theory, that are applicable. Because physical systems are generally only approximately linear, the superposition principle is only an approximation of the true physical behavior. The superposition principle applies to any linear system, including algebraic equations, linear differential equations, and systems of equations of those forms. The stimuli and responses could be numbers, functions, vectors, vector fields, time varying signals, or any other object that satisfies certain axioms. Note that when vectors or vector fields are involved, a superposition is interpreted as a vector sum. If the superposition holds, then it automatically also holds for all linear operations applied on these functions (due to definition), such as gradients, differentials or integrals (if they exist).
Фурье анализі мен ұқсас әдістермен байланысы
Өте жалпы ынталандыруды (сызықтық жүйеде) белгілі бір және қарапайым нысанды ынталандырулардың суперпозициясы ретінде жазу арқылы, көбінесе жауапты есептеу оңайлайды. Мысалы, Фурье талдауында, ынталандыру шексіз көп синусоидалардың суперпозициясы ретінде жазылады. Суперпозиция принципіне сәйкес, осы синусоидалардың әрқайсысын жеке-жеке талдап, олардың жеке жауаптарын есептеуге болады. (Жауаптың өзі синусоида болып табылады, ынталандырумен бірдей жиілікке ие, бірақ әдетте әртүрлі амплитуда мен фазаға ие.) Суперпозиция принципіне сәйкес, бастапқы ынталандыруға жауап – барлық жеке синусоидалық жауаптардың қосындысы (немесе интегралы) болып табылады. Тағы бір кең таралған мысал ретінде, Грин функциясы талдауында, ынталандыру шексіз көп импульстік функциялардың суперпозициясы ретінде жазылады, ал жауап импульстік жауаптардың суперпозициясы болып табылады. Фурье талдауы, әсіресе толқындар үшін жиі қолданылады. Мысалы, электромагниттік теорияда, қалыпты жарық жазық толқындардың (белгілі жиіліктегі, поляризацияланған және бағытталған толқындардың) суперпозициясы ретінде сипатталады. Суперпозиция принципі сақталған кезде (бұл көбінесе, бірақ әрқашан емес; сызықтық емес оптиканы қараңыз), кез келген жарық толқынының мінез-құлқы осы қарапайым жазық толқындардың мінез-құлқының суперпозициясы ретінде түсіндірілуі мүмкін.
Толқынның үстінен орналасуы
Толқындар әдетте кеңістік және уақыт бойынша кейбір параметрлердің өзгеруі арқылы сипатталады – мысалы, су толқынының биіктігі, дыбыс толқынының қысымы немесе жарық толқынының электромагниттік өрісі. Бұл параметрдің шамасы толқынның амплитудасы деп аталады, ал толқынның өзі – әрбір нүктедегі амплитуданы анықтайтын функция. Толқындар бар кез келген жүйеде, белгілі бір уақыттағы толқын пішіні жүйенің бастапқы жағдайларымен (яғни, толқынды тудыратын немесе оған әсер ететін сыртқы күштер болған жағдайда, олармен) анықталады. Көп жағдайларда (мысалы, классикалық толқын теңдеуінде) толқынды сипаттайтын теңдеу сызықтық болады. Мұндай жағдайда суперпозиция принципі қолданылады. Яғни, бірдей кеңістікті кесіп өтетін екі немесе одан көп толқындардың тудырған жалпы амплитудасы – жеке толқындардың жеке-жеке тудырған амплитудаларының қосындысына тең болады. Мысалы, бір-біріне қарай қозғалған екі толқын бір-бірінен өтіп, екінші жағында өзгермейді. (Жоғарыдағы суретті қараңыз.)
Сызықтықтан ауытқулар
Көптеген нақты физикалық жағдайларда толқынды басқаратын теңдеу тек шамамен сызықтық болады. Мұндай жағдайларда суперпозиция принципі шамамен ғана сақталады. Ереже бойынша, шамалаудың дәлдігі толқын амплитудасы кішірейген сайын артады. Суперпозиция принципінің дәл орындалмаған жағдайларында туындайтын құбылыстар мысалдары үшін сызықтық емес оптика және сызықтық емес акустика туралы мақалаларды қараңыз.
Басқа қолданбалар мысалы
Электр техникасында сызықтық схемада кіріс (уақыт бойынша өзгеретін кернеу сигналы) шығыспен (схеманың кез келген нүктесіндегі ток немесе кернеу) сызықтық түрлендіру арқылы байланысты. Осылайша, кіріс сигналдарының суперпозициясы (яғни, қосындысы) жауаптардың суперпозициясын тудырады. Осы принциптің негізінде Фурье талдауы жиі қолданылады. Схемалық талдаудағы басқа да байланысты әдіс үшін Суперпозиция теоремасына жүгінуге болады. Физикада Максвелл теңдеулері зарядтар мен токтардың (уақыт бойынша өзгеруі мүмкін) таралуы электр және магнит өрістерімен сызықтық түрлендіру арқылы байланысты екенін көрсетеді. Сондықтан, суперпозиция принципі берілген заряд және ток таралуынан туындайтын өрістерді есептеуді жеңілдетуге мүмкіндік береді. Бұл принцип физикада кездесетін басқа да сызықтық дифференциалдық теңдеулерге де қолданылады, мысалы, жылу теңдеуіне. Инженерлік саласында суперпозиция сызықтық әсерлер болған кезде біріктірілген жүктемелердің сәулелер мен құрылымдардың деформациясын анықтау үшін қолданылады (яғни, әрбір жүктеме басқа жүктемелердің нәтижелеріне әсер етпейді және әрбір жүктеменің әсері құрылымдық жүйенің геометриясын едәуір өзгертпейді). Моделі суперпозиция әдісі сызықтық құрылымның динамикалық жауабын сипаттау үшін табиғи жиіліктер мен өздік пішіндерді пайдаланады. Гидрогеологияда суперпозиция принципі идеалды сулы қабатта екі немесе одан көп су ұңғымаларынан су тартылуын есептеу үшін қолданылады. Бұл принцип аналитикалық элементтер әдісінде бір модельге біріктірілуге болатын аналитикалық элементтерді жасау үшін қолданылады. Процесс басқаруда суперпозиция принципі модельдік болжамды басқаруда қолданылады. Суперпозиция принципі сызықтық емес жүйеге белгілі шешімнен кішігірім ауытқуларды сызықтық жақындастыру арқылы талдағанда қолданылуы мүмкін. Музыка теориясында Джозеф Шиллингер өзінің музыкалық композициядағы Шиллингер жүйесіндегі ырғақ теориясының негіздерінің бірі ретінде суперпозиция принципінің бір түрін пайдаланған. Компьютерлік технологияда бірнеше код жолдарының, код пен деректердің немесе бірнеше деректер құрылымдарының суперпозициясы кейде ортақ жадта, кеңейтілген бинарлық файлдарда, сондай-ақ жоғары оптимизацияланған өздігінен өзгеретін кодта және орындалатын мәтінде кездеседі.
Тарих
Леон Бриллуанның айтуынша, суперпозиция принципі алғаш рет Даниэль Бернулли 1753 жылы тұжырымдаған: "Диптерлеу жүйесінің жалпы қозғалысы оның өзіндік дірілдерінің суперпозициясымен беріледі". Бұл принципті Леонард Эйлер, содан кейін Жозеф Лагранж қабылдамады. Бернулли кез келген дыбыс шығаратын дененің белгілі бір тербеліс жиілігімен жай режимдердің тізбегінде дірілдеуі мүмкін екенін айтты. Ол бұрын көрсеткендей, осы режимдерді біріктіре отырып, күрделі тербелістерді тудыруға болады. Бернуллидің еңбектеріне жауап ретінде Эйлер әріптесін тербелістің физикалық аспектісін жақсы дамытқаны үшін мақтады, бірақ көп режимді шешімнің жалпылығы мен басымдығын жоққа шығарды. Кейіннен бұл принцип, көбінесе Жозеф Фурьедың жұмысы арқылы қабылданды.