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せんせい系統けいとう

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重定しげさだこうせんせい

ざい物理ぶつり科學かがくなか,如果描述ぼう系統けいとうまとかたほど輸入ゆにゅう變數へんすうあずか輸出ゆしゅつおう變數へんすうなりせいのりたたえためせんせい系統けいとうよし自然しぜんかい中大ちゅうだい部分ぶぶんてき系統けいとう本質ほんしつうえ是非ぜひせん性的せいてきいん此許工程こうてい物理ぶつりがく數學すうがく其他科學かがくたい於非せんせい問題もんだいてき研究けんきゅうきょくかん興趣きょうしゅせんせい系統けいとうせんせい系統けいとう最大さいだいてき差別さべつざい於,せんせい系統けいとう可能かのうかいしるべ混沌こんとん不可ふかあずかはかある直觀ちょっかんてき結果けっか

一般いっぱんらいせつせんせい系統的けいとうてき行為こうい以用一組非線性聯立方程來描述。せんせいかたほどうら含有がんゆうよし未知數みちすう構成こうせいてきせんせい函數かんすうかわはなしせつ,一個非線性方程並不能寫成其未知數的せんせい組合くみあいせんせい微分びぶんかたほどのり指方さしかたほどうら含有がんゆう未知みち函數かんすう及其しるべ函數かんすうてきじょうべき不等ふとう於一てきこうざい判定はんてい一個方程是線性或非線性時,ただ考慮こうりょ未知數みちすうある未知みち函數かんすうてき部分ぶぶん需要じゅようけん查方ほどちゅういやゆうやめ知的ちてきせんせいこうれい如在微分びぶんかたほどちゅうわか所有しょゆうてき未知みち函數かんすう未知みちしるべ函數かんすうみなためいちそく使つかい出現しゅつげんよしぼうやめ變數へんすうところ構成こうせいてきせんせい函數かんすう,仍稱它是せんせい微分びぶんかたほど

よし於非せんせいかたほど非常ひじょう難解なんかいいん此常つね需要じゅよう以線せいかたほどらい近似きんじいちせんせい系統けいとうせんせい近似きんじ)。這種近似きんじたいぼう範圍はんい內的輸入ゆにゅう值(變數へんすう很準かくてきただしせんせい近似きんじこうはん而會無法むほう解釋かいしゃく許多きょたゆうおもむきてき現象げんしょうれい混沌こんとん[1]てん。這些奇特きとくてき現象げんしょう,也常つねゆずるせんせい系統的けいとうてき行為こういおこりらい違反いはん直覺ちょっかく不可ふかあずかはかある甚至混沌こんとん。雖然「混沌こんとんてき行為こういかずずいてき行為こうい感覺かんかく相似そうじただし兩者りょうしゃ絕對ぜったい不能ふのうこんためいちだん;也就せつ,一個混沌系統的行為絕對不是隨機的。

舉例らいせつ許多きょた天氣てんき系統けいとう就是混沌こんとんてき微小びしょうてき擾動そくしるべ致整系統けいとうさんせい各種かくしゅ不同ふどうてき複雜ふくざつ結果けっか。就目まえてき科技かぎ而言,這種天氣てんきてきせんせい特性とくせいそくなりりょう長期ちょうき天氣てんきあずかほうてききずな腳石。

ぼう些書てき作者さくしゃ以非せんせい科學かがくだいゆびせんせい系統的けいとうてき研究けんきゅうただし也有やゆうじん以為しか

ざい科學かがく領域りょういきうら使用しようせんせい科學かがく』這個,就如どう動物どうぶつがくうらだい部分ぶぶんてき研究けんきゅう對象たいしょうしょうさくだいぞう動物どうぶつ一樣いちようわらい。」

定義ていぎ

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ざい數學すうがくじょういちせんせい函數かんすううつ ようゆう以下いか兩個りゃんこ性質せいしつ

  • たたみせい
  • ひとしつぎ

ざい αあるふぁ これ有理數ゆうりすうてき情況じょうきょう,一個可疊加函數必定是ひとし函數かんすうざい討論とうろんせんせいあずかいやときひとし函數かんすうせんゆびいちひとし函數かんすう);わか これ連續れんぞく函數かんすうのりただよう αあるふぁ 任意にんい實數じっすう,就可以從たたみせい推出ひとしつぎしか而在推廣いたり任意にんい複數ふくすう αあるふぁ どきじょうせい便びんさい也無ほう導出どうしゅつひとしりょう。也就せつざい複數ふくすうてき世界せかいうら存在そんざいいちしゅはんせんせいうつ,它滿足まんぞくたたみせいただし卻非ひとしつぎたたみせいかずひとし兩個りゃんこ條件じょうけん常會じょうかい合併がっぺいざい一起かずきしょうためたたみ原理げんり

たいいち表示ひょうじため

まとかたほど,如果 一個線性映射,のりしょうためせんせいかたほどはんこれそくしょうためせんせいかたほど。另外,如果 のりしょう此方こちらほどひとしひとしざい函數かんすうかたほどうえてき定義ていぎ不同ふどうひとしつぎかたほど指方さしかたほど內沒ゆう x 無關むせきてきこう Cそくにんなんこうみな x ゆうせき)。

這裡 てき定義ていぎ一般いっぱんせいてき ためにんなん數字すうじむこうりょう函數かんすうとう,而 以指任意にんいうつれい如有條件じょうけんげんせいきゅうじょうはつはじめあるあたりかいてき微分びぶんある積分せきぶん運算うんざん。如果 含有がんゆうたい てき微分びぶん運算うんざん此方こちらほどそくいち微分びぶんかたほど

せんせい代數だいすうかたほど

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代數だいすうかたほどまたたたえため多項式たこうしきかたほどれいぼう多項式たこうしきとう於零とくいち多項式たこうしきかたほどれい如:

利用りようかんほう以找ぼう代數だいすうかたほどてきかいただしわか代數だいすうほうほどぐみのり較為複雜ふくざつゆう時候じこう甚至很難確定かくてい一個代數方程組是否具有複數解(まれしかはくとくれいてん定理ていり)。そく使つかい如此,たい於一些具有有限個複數解的多項式方程組而言,わが們已けい找到かいてき方法ほうほうなみ且也やめ充分じゅうぶん了解りょうかい這種系統けいとうてき行為こうい[3]代數だいすうかたほどぐみてき研究けんきゅう代數だいすう幾何きかうら重要じゅうようてき一環いっかん,而代すう幾何きかせい現代げんだい數學すうがくうらてき其中いちぶんえだ

せんせい遞迴關係かんけい

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わかしょういち序列じょれつ前項ぜんこうこうあいだてき關係かんけい定義ていぎなりぼうせんせいうつのりしょうためせんせい遞迴關係かんけいれいたんみねうつほうたち數列すうれつえいHofstadter sequenceゆかりせんせい遞迴關係かんけい構成こうせいてきせんせい離散りさん模型もけいざい實際じっさい應用おうようちゅう包括ほうかつ NARMAX(Nonlinear AutoRegressive Moving Average with eXogenous inputs,外部がいぶ輸入ゆにゅうせんせい迴歸移動いどう平均へいきん模型もけいせんせい系統けいとうべん識和分析ぶんせきほどじょとう[4]這些方法ほうほう以用らい分析ぶんせきどきいきしきいき空域くういき(spatio-temporal domains)うら複雜ふくざつてきせん性行為せいこうい

せんせい微分びぶんかたほど

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わか描述一個系統的微分方程是非線性的,のりしょう系統けいとうためせんせい系統けいとう含有がんゆうせんせい微分びぶんかたほどてき問題もんだい系統けいとう彼此ひしあいだてき表現ひょうげん差異さい極大きょくだい,而每問題もんだいてき解法かいほうある分析ぶんせき方法ほうほう也都いちようせんせい微分びぶんかたほどてきれい如流體力たいりょくがくてきおさめ維-斯托かつ斯方ほど,以及生物せいぶつがくてきらくとく卡-沃爾やすしひしげかたほど

かいせんせい問題もんだい最大さいだいてきなんしょざい於找知的ちてきかい一般いっぱんらいせつわが們無ほうようやめ知的ちてきかいらい拼湊其他滿足まんぞく微分びぶんかたほどてき未知みちかい;而在せん性的せいてき系統けいとううら,卻可以利用りよういちくみせんせい獨立どくりつてきかい透過とうかたたみ原理げんり組合くみあい系統的けいとうてきどおりかいれい滿足まんぞく狄利かつかみなりかい條件じょうけんてきいち維熱傳導でんどう問題もんだい,其解(時間じかんてき函數かんすう以寫なり許多きょた不同ふどうしきりつ正弦せいげん函數かんすうてきせんせい組合くみあい,而這也讓它的かい很彈せい具有ぐゆう很大てき變化へんか空間くうかん通常つうじょうわが們可以找いたせんせい微分びぶんかたほどてきとくかいただしよし於此たたみ原理げんりなみ適用てきよう無法むほう利用りよう這些とくかいらいけん構出其他しんてきかい

常微分じょうびぶんかたほど

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いちかい常微分じょうびぶんかたほど常常つねづね利用りよう分離ぶんり變數へんすうほうらいかい特別とくべつもりかたほど

れい

這個方程式ほうていしきてきどおりかいため とくかいため u = 0(そくどおりかいざい C 趨近於無げん大時おおときてき極限きょくげん)。此方こちらほど是非ぜひせん性的せいてきいんため它可以被あらためうつしため

而等ごう左邊さへんなみ u まとせんせいうつしゃわか此式てき u2 かわなり uのりかい變成へんせいせんせいかたほど指数しすうおとろえ)。

二階和高階非線性常微分方程組的解幾乎無法表示成解析かいせきかいはん而較つねひょうため隐函すうある初等しょとう函数かんすう積分せきぶんてき形式けいしき

分析ぶんせき常微分じょうびぶんかたほど常用じょうようてき方法ほうほう包括ほうかつ

へん微分びぶんかたほど

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研究けんきゅうせんせいへん微分びぶんかたほどさい常見つねみ也最基礎きそてき方法ほうほう就是變數へんすう變換へんかん變換へんかん以後いごてきかたほどかい簡單かんたん,甚至有可ゆか能會のうかい變成へんせいせんせいかたほどゆう時候じこう變數へんすう變換へんかんてきかたほど可能かのうかい變成へんせい一個或兩個以上的常微分方程(如同よう分離ぶんり變數へんすうほうかいへん微分びぶんかたほど),かん這些常微分じょうびぶんかたほど不可解ふかかいのう幫助わが了解りょうかい這個系統けいとうてき行為こうい

另一個流體力學和熱力學裡常用的方法(ただし數學すうがくせい較低),利用りよう尺度しゃくど分析ぶんせきらい簡化一個較一般性的方程,使つかい它僅適用てきようざいぼう特定とくていてきあたりかい條件じょうけんうえれい如,ざい描述一個圓管內一維層流的暫態ときわが們可以把せんせいてきおさめ維-斯托かつ斯方ほど化成かせい一個線性偏微分方程;這時候じこう尺度しゃくど分析ぶんせき提供ていきょうりょう兩個りゃんこ特定とくていてきあたりかい條件じょうけんいち維和いわそうりゅう

其他分析ぶんせきせんせいへん微分びぶんかたほどてき方法ほうほうかえゆう特徵とくちょうせんほう,以及上述じょうじゅつ分析ぶんせき常微分じょうびぶんかたほど常用じょうようてき方法ほうほう

たん

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たん擺(v 表示ひょうじ速度そくどむかいりょう;a 表示ひょうじ加速度かそくどむかいりょう

せんせい問題もんだいてきいち典型てんけいてきれい,就是重力じゅうりょく作用さようしたたんてき運動うんどうたん擺的運動うんどうゆかり以下いかてきかたほどらい描述(ようひしげかくろう力學りきがく證明しょうめい[5]):

這是一個非線性且いんまとかたほど たん擺和它靜止せいし位置いちしょ夾的角度かくど,如動しょしめせ此方こちらほどてきいち解法かいほうしょう ため積分せきぶん因子いんし積分せきぶん以後いごとく

上述じょうじゅつてきかいかくれかいてき形式けいしき同時どうじ包含ほうがんりょう橢圓だえん積分せきぶん。這個かい通常つうじょうぼつゆう什麼いんもよういんため初等しょとう函數かんすう積分せきぶんそく使つかい 仍然是非ぜひ初等しょとう函數かんすうかいてき各種かくしゅ特性とくせいかくれぞうりょうおこりらい使つかいわが不易ふえきたん系統けいとうてき行為こうい

另一個解法是把這個非線性方程作線性近似:利用りようたい展開てんかいしきはたせんせいてき sine 函數かんすうせんせいなみざいぼう特定とくていてきてん附近ふきん討論とうろんかいてきじょうがたれい如,わかざい まとてん近作きんさくせんせい近似きんじまたたたえしょう角度かくど近似きんじ), とき原方はらかたほど以改うつしため

近似きんじてきかたほど變成へんせいりょう簡諧振盪しんとういん此當たん運動うんどういた底部ていぶ附近ふきん以對おういたいち簡諧振子ふりこ。而若ざい そくとうたん運動うんどういた圓弧えんこてき最高さいこうてん近作きんさくせんせい近似きんじ原方はらかたほど以改うつしため

這個かたほどてきかい含有がんゆうそうきょく正弦せいげん函數かんすういん此和しょう角度かくど近似きんじ不同ふどう,這個近似きんじ不穩ふおんじょうてき,也就せつ かい無限むげんせい增加ぞうかただし近似きんじかたほどてきかい可能かのう有界ゆうかいまと)。とうわが們把かい對應たいおうかいたん系統けいとう,就可以了解りょうかいため什麼いんもたん擺在圓弧えんこてき最高さいこうてん不能ふのうたちいた穩定平衡へいこう,也就せつたん擺在最高さいこうてん不穩ふおんじょうてき狀態じょうたい

另一個有趣的線性近似是在 附近ふきん,此時 原方はらかたほど以改うつしため

這個近似きんじてきかたほど以對おういた自由じゆう落體らくたい

わか以上いじょうせんせい近似きんじてき結果けっかごうざいいちおこり,就能だい了解りょうかいたん擺的運動うんどうじょうがた利用りよう其他かいせんせい微分びぶんかたほどてき方法ほうほう以進一步幫助我們找到更精確的そうある估算たん擺的しゅう

せんせい表現ひょうげんれつ舉)

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  • 古典こてん混沌こんとんかず量子りょうこ混沌こんとん相對そうたい)—— ゆび系統けいとううら無法むほうあずかはかてき行為こうい
  • 穩態 —— ゆび系統けいとうざい兩個りゃんこある互斥てき狀態じょうたいあいだせつかわ
  • 周期しゅうき振盪しんとう —— ゆび一個函數在任何周期上都不會固定重複其函數值(也稱さく混沌こんとん振盪しんとう)。
  • 振幅しんぷく死亡しぼうえいAmplitude death —— ゆび系統けいとう內的ぼう振盪しんとういん系統けいとうてきかいある受其系統けいとう影響えいきょう停止ていしてき現象げんしょう
  • —— ゆび行進こうしんちゅうのう自我じが增強ぞうきょう而不消散しょうさんてき孤立こりつ

せんせいかたほどれつ舉)

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分析ぶんせきせんせい系統けいとう

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まいり

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參考さんこう資料しりょう

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  1. ^ Nonlinear Dynamics I: Chaos 互联网档あんてきそんそん档日2008-02-12. at MIT's OpenCourseWare页面そん档备份そん互联网档あん
  2. ^ Campbell, David K. Nonlinear physics: Fresh breather. Nature. 25 November 2004, 432 (7016): 455–456 [2016-11-13]. ISSN 0028-0836. doi:10.1038/432455a. (原始げんし内容ないようそん于2011-10-11) えい语). 
  3. ^ Lazard, D. Thirty years of Polynomial System Solving, and now?. Journal of Symbolic Computation. 2009, 44 (3): 222–231. doi:10.1016/j.jsc.2008.03.004. 
  4. ^ Billings S.A. "Nonlinear System Identification: NARMAX Methods in the Time, Frequency, and Spatio-Temporal Domains". Wiley, 2013
  5. ^ David Tong: Lectures on Classical Dynamics. [2016-11-13]. (原始げんし内容ないようそん档于2021-04-14). 

延伸えんしん閱讀

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外部がいぶ連結れんけつ

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