Кіріспе

Шығысының өзгеруі кірістің өзгеруіне пропорционал емес жүйе. Математика мен ғылымдағы сызықтық емес жүйе (немесе сызықтық емес жүйе) – шығысының өзгеруі кірістің өзгеруіне пропорционал емес жүйе. Сызықтық емес мәселелер инженерлер, биологтар, физиктер, математиктер және көптеген басқа ғалымдарды қызықтырады, себебі көптеген жүйелер өз табиғатынан сызықтық емес. Уақыт өте келе айнымалылардың өзгеруін сипаттайтын сызықтық емес динамикалық жүйелер, қарапайым сызықтық жүйелерге қарағанда, хаотикалық, болжауға қиын немесе интуицияға қарсы көрінуі мүмкін. Әдетте, сызықтық емес жүйенің мінез-құлқы математикада сызықтық емес теңдеулер жүйесі арқылы сипатталады, ол бір уақыттағы теңдеулер жиынтығы болып табылады, онда белгісіздер (немесе дифференциалдық теңдеулердегі белгісіз функциялар) бірінші дәрежеден жоғары дәрежелі көпмүшелердің айнымалылары ретінде немесе бірінші дәрежелі көпмүше емес функцияның аргументі ретінде кездеседі. Басқаша айтқанда, сызықтық емес теңдеулер жүйесінде шешілуге тиіс теңдеуді белгісіз айнымалылардың немесе оларда кездесетін функциялардың сызықтық комбинациясы түрінде жазу мүмкін емес. Жүйелер, теңдеулерде белгілі сызықтық функциялардың болуына қарамастан, сызықтық емес деп анықталуы мүмкін. Атап айтқанда, дифференциалдық теңдеу белгісіз функция және оның туындылары бойынша сызықтық болса, тіпті басқа айнымалылар бойынша сызықтық емес болса да, сызықтық болып саналады. Сызықтық емес динамикалық теңдеулерді шешу қиын болғандықтан, сызықтық емес жүйелер көбінесе сызықтық теңдеулермен (сызықтықтау) жуықталады. Бұл белгілі бір дәлдік және кіріс мәндерінің шектерінде жақсы жұмыс істейді, бірақ солитон, хаос және сингулярлық сияқты қызықты құбылыстар сызықтықтау арқылы жасырынып қалады. Осыдан сызықтық емес жүйенің динамикалық мінез-құлқының кейбір аспектілері интуицияға қайшы, болжауға қиын немесе тіпті хаотикалық болып көрінуі мүмкін. Мұндай хаотикалық мінез-құлық кездейсоқ мінез-құлыққа ұқсауы мүмкін, бірақ ол шындығында кездейсоқ емес. Мысалы, ауа райының кейбір аспектілері хаотикалық болып көрінеді, онда жүйенің бір бөлігіндегі қарапайым өзгерістер жүйе бойынша күрделі әсерлерге алып келеді. Бұл сызықтық еместік, қазіргі технологиямен ұзақ мерзімді болжамдар жасау мүмкін болмауының себептерінің бірі. Кейбір авторлар сызықтық емес жүйелерді зерттеу үшін «сызықтық емес ғылым» терминін қолданады. Алайда, бұл термин басқалар тарапынан даулы.

Сызықтық емес жүйелер теңдеулері

Сызықтық емес теңдеулер жүйесі – бірнеше айнымалыдан тұратын теңдеулер жиынтығы, олардың кем дегенде біреуі сызықтық теңдеу болып табылмайды. Жеке теңдеу үшін көптеген әдістер әзірленген; қараңыз – Тамыр табу алгоритмі. Егер f көпмүшелік болса, онда көпмүшелік теңдеуге ие болады, мысалы, . Жалпы түбір табу алгоритмдері көпмүшелік түбірлерге қолданылады, бірақ көбінесе барлық түбірлерді таба алмайды, және түбірді таба алмаса, онда түбірдің жоқ екенін білдірмейді. Көпмүшеліктер үшін арнайы әдістер барлық түбірлерді немесе нақты түбірлерді табуға мүмкіндік береді; нақты түбірді бөліп қарау туралы мәліметтерді қараңыз. Көпмүшелік теңдеулер жүйесін шешу, яғни бірнеше айнымалыдағы бірнеше көпмүшеліктің ортақ нөлдерін табу – қиын мәселе болып табылады, оны шешу үшін Грёбнер негізі алгоритмдері сияқты күрделі алгоритмдер жасалған. Бірнеше дифференциалданатын функцияларды нөлге теңеу арқылы құрылған теңдеулер жүйесінің жалпы жағдайы үшін негізгі әдіс – Ньютон әдісі және оның түрлері. Көбінесе олар шешім табуға мүмкіндік береді, бірақ шешімдердің саны туралы ешқандай ақпарат ұсына алмайды.

Сызықтық емес қайталану байланыстары

Сызықтық емес қайталану қатынасы тізбектің келесі мүшелерін алдыңғы мүшелердің сызықтық емес функциясы арқылы анықтайды. Сызықтық емес қайталану қатынастарының мысалдарына логистикалық карта және түрлі Хофштадтер тізбектерін анықтайтын қатынастар жатады. Сызықтық емес дискретті модельдер, сызықтық емес қайталану қатынастарының кең класын бейнелейді, оларға NARMAX (сыртқы кірістері бар сызықтық емес авторегрессиялық жылжымалы орташа) моделі және оған байланысты сызықтық емес жүйелерді анықтау және талдау процедуралары кіреді. Бұл тәсілдер уақыт, жиілік және кеңістік-уақыт домендеріндегі күрделі сызықтық емес мінез-құлықтардың кең ауқымын зерттеуге қолданылуы мүмкін.

Сызықтық емес дифференциалдық теңдеулер

Дифференциалдық теңдеулер жүйесі, егер ол сызықтық теңдеулер жүйесі болмаса, сызықтық емес деп аталады. Сызықтық емес дифференциалдық теңдеулерді қамтитын мәселелер өте алуан түрлі, ал шешу немесе талдау әдістері мәселенің өзіне байланысты болады. Сызықтық емес дифференциалдық теңдеулердің мысалдары – сұйық динамикасындағы Навье-Сток теңдеулері және биологиядағы Лотка-Вольтерра теңдеулері. Сызықтық емес мәселелердің ең үлкен қиындығы – белгілі шешімдерді жаңа шешімдерге біріктірудің жалпы мүмкін еместігі. Мысалы, сызықтық мәселелерде сызықтық тәуелсіз шешімдер жиынтығын суперпозиция принципі арқылы жалпы шешімдерді құру үшін қолдануға болады. Бұған жақсы мысал – Дирихле шекаралық шарттары бар бір өлшемді жылу тасымалы, оның шешімі әртүрлі жиіліктері бар синусоидалардың уақытқа тәуелді сызықтық комбинациясы түрінде жазылуы мүмкін; бұл шешімдерді өте икемді етеді. Сызықтық емес теңдеулерге бірнеше нақты шешімдер табу жиі мүмкін, бірақ суперпозиция принципі болмағандықтан жаңа шешімдер құруға болмайды.

Қиссалық дифференциалдық теңдеулер

Сызықтық емес бөлшектік дифференциалдық теңдеулерді зерттеудің ең көп қолданылатын негізгі тәсілі – айнымалыларды өзгерту (немесе мәселені басқаша түрлендіру) арқылы алынған мәселенің қарапайым (мүмкін, сызықтық) болуын қамтамасыз ету. Кейде теңдеу бір немесе бірнеше қалыпты дифференциалдық теңдеулерге айналуы мүмкін, мысалы, айнымалыларды бөлу әдісінде байқалады. Бұл әдіс нәтижеде алынған қалыпты дифференциалдық теңдеулерді шешуге болатын немесе болмайтын жағдайда да әрқашан пайдалы. Сұйықтар және жылу механикасында жиі қолданылатын тағы бір кең таралған (бірақ математикалық тұрғыдан аз дамыған) тактика – нақты шекаралық мән есептеріндегі жалпы, табиғи теңдеуді оңайлату үшін масштабты талдауды пайдалану. Мысалы, (өте) сызықтық емес Навье-Сток теңдеулерін дөңгелек құбырдағы уақытша, ламинарлық, бір өлшемді ағын жағдайында бір сызықтық бөлшектік дифференциалдық теңдеуге дейін оңайлатуға болады. Масштабты талдау ағынның ламинарлық және бір өлшемді болу шарттарын анықтайды, сондай-ақ оңайлатылған теңдеуді береді. Басқа әдістерге теңдеулердің сипаттамаларын зерттеу және жоғарыда сипатталған әдістерді қалыпты дифференциалдық теңдеулерге қолдану жатады.