Введение
Принцип суперпозиции, также известный как свойство суперпозиции, гласит, что для всех линейных систем результирующий отклик, вызванный двумя или более воздействиями, является суммой откликов, которые были бы вызваны каждым воздействием по отдельности. Таким образом, если воздействие A порождает отклик X, а воздействие B порождает отклик Y, то воздействие (A + B) порождает отклик (X + Y). Функция, удовлетворяющая принципу суперпозиции, называется линейной функцией. Суперпозицию можно определить двумя более простыми свойствами: аддитивностью и однородностью для скаляра a. Этот принцип имеет множество применений в физике и инженерии, поскольку многие физические системы можно моделировать как линейные системы. Например, балка может быть смоделирована как линейная система, где входным воздействием является нагрузка на балку, а выходным откликом – отклонение балки. Важность линейных систем заключается в том, что их легче анализировать математически; существует обширный набор математических методов, методов линейных преобразований в частотной области, таких как преобразования Фурье и Лапласа, и теория линейных операторов, которые к ним применимы. Поскольку физические системы обычно лишь приблизительно линейны, принцип суперпозиции является лишь приближением к истинному физическому поведению. Принцип суперпозиции применим к любой линейной системе, включая алгебраические уравнения, линейные дифференциальные уравнения и системы уравнений таких типов. Воздействиями и откликами могут быть числа, функции, векторы, векторные поля, сигналы, изменяющиеся во времени, или любой другой объект, удовлетворяющий определенным аксиомам. Следует отметить, что при работе с векторами или векторными полями суперпозиция интерпретируется как векторная сумма. Если суперпозиция выполняется, то она автоматически выполняется и для всех линейных операций, применяемых к этим функциям (по определению), таких как градиенты, дифференциалы или интегралы (если они существуют).
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).
Связь с анализом Фурье и аналогичными методами
Записывая очень общий стимул (в линейной системе) как суперпозицию стимулов конкретной и простой формы, часто становится проще вычислить отклик. Например, в анализе Фурье стимул представляется как суперпозиция бесконечного числа синусоид. Благодаря принципу суперпозиции каждую из этих синусоид можно анализировать отдельно, и можно вычислить её индивидуальный отклик. (Сам отклик является синусоидой, с той же частотой, что и стимул, но, как правило, с другой амплитудой и фазой.) В соответствии с принципом суперпозиции, отклик на исходный стимул является суммой (или интегралом) всех индивидуальных синусоидальных откликов. Другим распространенным примером является анализ с использованием функции Грина, где стимул представляется как суперпозиция бесконечного числа импульсных функций, а отклик – как суперпозиция импульсных откликов. Анализ Фурье особенно часто применяется к волнам. Например, в электромагнитной теории обычный свет описывается как суперпозиция плоских волн (волн с фиксированной частотой, поляризацией и направлением). До тех пор, пока действует принцип суперпозиции (что часто, но не всегда; см. нелинейную оптику), поведение любой световой волны можно понять как суперпозицию поведения этих более простых плоских волн.
Наложение волн
Волны обычно описываются изменениями определенных параметров в пространстве и времени — например, высотой для водной волны, давлением для звуковой волны или электромагнитным полем для световой волны. Значение этого параметра называется амплитудой волны, а сама волна представляет собой функцию, задающую амплитуду в каждой точке. В любой системе, содержащей волны, форма волны в данный момент времени является функцией источников (то есть внешних сил, если они присутствуют, которые создают или влияют на волну) и начальных условий системы. Во многих случаях (например, в классическом волновом уравнении) уравнение, описывающее волну, является линейным. Если это так, то можно применить принцип суперпозиции. Это означает, что результирующая амплитуда, создаваемая двумя или более волнами, распространяющимися в одном и том же пространстве, равна сумме амплитуд, которые были бы созданы каждой волной по отдельности. Например, две волны, движущиеся навстречу друг другу, пройдут сквозь друг друга, не вызывая искажений с другой стороны. (См. изображение вверху.)
Отступления от линейности
В большинстве реалистичных физических ситуаций уравнение, описывающее волну, является лишь приблизительно линейным. В этих ситуациях принцип суперпозиции выполняется лишь приближенно. Как правило, точность этого приближения возрастает с уменьшением амплитуды волны. Примеры явлений, возникающих при неточном соблюдении принципа суперпозиции, можно найти в статьях «Нелинейная оптика» и «Нелинейная акустика».
Другие примеры применения
В электротехнике в линейной цепи входной сигнал (приложенный изменяющийся во времени сигнал напряжения) связан с выходным сигналом (током или напряжением в любой точке цепи) линейным преобразованием. Таким образом, суперпозиция (то есть сумма) входных сигналов приводит к суперпозиции соответствующих реакций. Особенно часто на этой основе применяется анализ Фурье. Подробности о другом, связанном методе анализа цепей, можно найти в теореме о суперпозиции. В физике уравнения Максвелла показывают, что (возможно, изменяющиеся во времени) распределения зарядов и токов связаны с электрическими и магнитными полями линейным преобразованием. Следовательно, принцип суперпозиции можно использовать для упрощения вычисления полей, создаваемых заданным распределением зарядов и токов. Принцип также применим к другим линейным дифференциальным уравнениям, возникающим в физике, например, к уравнению теплопроводности. В инженерии суперпозиция используется для определения отклонений балок и конструкций под воздействием комбинированных нагрузок, когда эффекты линейны (то есть каждая нагрузка не влияет на результаты, полученные для других нагрузок, и влияние каждой нагрузки существенно не изменяет геометрию конструктивной системы). Метод суперпозиции собственных форм использует собственные частоты и формы колебаний для определения динамических характеристик линейной конструкции. В гидрогеологии принцип суперпозиции применяется для расчета понижения уровня воды при откачке из двух или более скважин в идеальном водоносном горизонте. Этот принцип используется в методе аналитических элементов для создания аналитических элементов, которые можно объединить в единую модель. В системах управления процесс принцип суперпозиции используется в управлении на основе модели предсказания. Принцип суперпозиции применим при анализе небольших отклонений от известного решения нелинейной системы путем линеаризации. В музыке теоретик Джозеф Шиллинджер использовал форму принципа суперпозиции как основу своей теории ритма в своей системе музыкальной композиции Шиллинджера. В информатике суперпозиция нескольких путей выполнения кода, кода и данных или нескольких структур данных иногда встречается в общей памяти, в исполняемых файлах с несколькими архитектурами, а также в перекрывающихся инструкциях в высокооптимизированном самомодифицирующемся коде и исполняемом тексте.
История
Согласно Леону Бриллюану, принцип суперпозиции был впервые сформулирован Даниэлем Бернулли в 1753 году: "Общее движение вибрирующей системы определяется суперпозицией собственных колебаний". Принцип был отвергнут Леонардом Эйлером и затем Иосифом Лагранжем. Бернулли утверждал, что любое звучащее тело может вибрировать в серии простых мод с чётко определённой частотой колебаний. Как он ранее указывал, эти моды можно суперпозировать для получения более сложных колебаний. В ответ на мемуары Бернулли Эйлер похвалил коллегу за лучшее развитие физической части проблемы вибрирующих струн, но отверг универсальность и превосходство многомодального решения. Позднее оно было принято, во многом благодаря работам Жозефа Фурье.