非線性系統

在物理科學中，如果描述某個系統的方程其輸入（自變數）與輸出（應變數）不成正比，則稱為非線性系統。由於自然界中大部分的系統本質上都是非線性的，因此許多工程師、物理學家、數學家和其他科學家對於非線性問題的研究都極感興趣。非線性系統和線性系統最大的差別在於，非線性系統可能會導致混沌、不可預測，或是不直觀的結果。
一般來說，非線性系統的行為可以用一組非線性聯立方程來描述。非線性方程裡含有由未知數構成的非線性函數；換句話說，一個非線性方程並不能寫成其未知數的線性組合。非線性微分方程，則是指方程裡含有未知函數及其導函數的乘冪不等於一的項。在判定一個方程是線性或非線性時，只需考慮未知數（或未知函數）的部分，不需要檢查方程中是否有已知的非線性項。例如在微分方程中，若所有的未知函數、未知導函數皆為一次，即使出現由某個已知變數所構成的非線性函數，仍稱它是線性微分方程。
由於非線性方程非常難解，因此常常需要以線性方程來近似一個非線性系統（線性近似）。這種近似對某範圍內的輸入值（自變數）是很準確的，但線性近似之後反而會無法解釋許多有趣的現象，例如孤波、混沌和奇點。這些奇特的現象，也常常讓非線性系統的行為看起來違反直覺、不可預測，或甚至混沌。雖然「混沌的行為」和「隨機的行為」感覺很相似，但兩者絕對不能混為一談；也就是說，一個混沌系統的行為絕對不是隨機的。
舉例來說，許多天氣系統就是混沌的，微小的擾動即可導致整個系統產生各種不同的複雜結果。就目前的科技而言，這種天氣的非線性特性即成了長期天氣預報的絆腳石。
某些書的作者以非線性科學來代指非線性系統的研究，但也有人不以為然：

**定義**
在數學上，一個線性函數（映射） 擁有以下兩個性質：- 疊加性：；- 齊次：。
在 α 是有理數的情況下，一個可疊加函數必定是齊次函數（在討論線性與否時，齊次函數專指一次齊次函數）；若  是連續函數，則只要 α 是任意實數，就可以從疊加性推出齊次。然而在推廣至任意複數 α 時，疊加性便再也無法導出齊次了。也就是說，在複數的世界裡存在一種反線性映射，它滿足疊加性，但卻非齊次。疊加性和齊次這兩個條件常會被合併在一起，稱之為疊加原理：
。
對於一個表示為

的方程，如果  是一個線性映射，則稱為線性方程，反之則稱為非線性方程。另外，如果 ，則稱此方程齊次（齊次在函數和方程上的定義不同，齊次方程指方程內沒有和 x 無關的項 C，即任何項皆和 x 有關）。
這裡  的定義是很一般性的， 可為任何數字、向量、函數等，而  可以指任意映射，例如有條件限制（給定初始值或邊界值）的微分或積分運算。如果  內含有對  的微分運算，此方程即是一個微分方程。

**非線性代數方程**
代數方程又稱為多項式方程。令某多項式等於零可得一個多項式方程，例如：
。
利用勘根法可以找出某個代數方程的解；但若是代數方程組則較為複雜，有時候甚至很難確定一個代數方程組是否具有複數解（見希爾伯特零點定理）。即使如此，對於一些具有有限個複數解的多項式方程組而言，我們已經找到解的方法，並且也已充分了解這種系統的行為。代數方程組的研究是代數幾何裡重要的一環，而代數幾何正是現代數學裡的其中一個分枝。

**非線性遞迴關係**
若將一個序列前項和後項之間的關係定義成某個非線性映射，則稱為非線性遞迴關係，例如單峰映射和侯世達數列。由非線性遞迴關係構成的非線性離散模型，在實際應用中包括 NARMAX（Nonlinear AutoRegressive Moving Average with eXogenous inputs，外部輸入非線性自迴歸移動平均）模型、非線性系統辨識和分析程序等。這些方法可以用來分析時域、頻域和時空域（spatio-temporal domains）裡複雜的非線性行為。

**非線性微分方程**
若描述一個系統的微分方程是非線性的，則稱此係統為非線性系統。含有非線性微分方程的問題，系統彼此間的表現差異極大，而每個問題的解法或是分析方法也都不一樣。非線性微分方程的例子如流體力學的納維-斯托克斯方程，以及生物學的洛特卡－沃爾泰拉方程。
解非線性問題最大的難處在於找出未知的解：一般來說，我們無法用已知的解來拼湊出其他滿足微分方程的未知解；而在線性的系統裡，卻可以利用一組線性獨立的解，透過疊加原理組合出此係統的通解。例如滿足狄利克雷邊界條件的一維熱傳導問題，其解（時間的函數）可以寫成許多不同頻率之正弦函數的線性組合，而這也讓它的解很彈性、具有很大的變化空間。通常我們可以找到非線性微分方程的特解，但由於此時疊加原理並不適用，故無法利用這些特解來建構出其他新的解。

**常微分方程**
一階常微分方程常常可以利用分離變數法來解，特別是自守方程
。
例如

這個方程式的通解為 ，特解為 u = 0（即通解在 C 趨近於無限大時的極限）。此方程是非線性的，因為它可以被改寫為
，
而等號左邊並不是 u 的線性映射。若把此式的 u2 換成 u，則會變成線性方程（指數衰減）。
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解，反而較常表為隱函數或非初等函數積分的形式。
分析常微分方程常用的方法包括：- 檢查是否有任何守恆量（特別是在處理哈密頓系統的時候）。- 檢查有沒有類似守恆量的耗散量（見李亞普諾夫函數）。- 利用泰勒展開式作線性近似。- 利用變數變換法，改寫成較易分析的方程。- 分岔理論。- 微擾法（也可應用在代數方程上）。

**偏微分方程**
研究非線性偏微分方程最常見也最基礎的方法就是變數變換，變換以後的方程會較簡單，甚至有可能會變成線性方程。有時候，變數變換後的方程可能會變成一個或兩個以上的常微分方程（如同用分離變數法解偏微分方程），不管這些常微分方程可不可解，都能幫助我們瞭解這個系統的行為。
另一個流體力學和熱力學裡常用的方法（但數學性較低），是利用尺度分析來簡化一個較一般性的方程，使它僅適用在某個特定的邊界條件上。例如，在描述一個圓管內一維層流的暫態時，我們可以把非線性的納維-斯托克斯方程簡化成一個線性偏微分方程；這時候尺度分析提供了兩個特定的邊界條件：一維和層流。
其他分析非線性偏微分方程的方法還有特徵線法，以及上述分析常微分方程時常用的方法。

**單擺**
單擺（v 表示速度向量；a 表示加速度向量）
非線性問題的一個典型的例子，就是重力作用之下單擺的運動。單擺的運動可由以下的方程來描述（用拉格朗日力學可以證明）：
。
這是一個非線性且無因次的方程， 是單擺和它靜止位置所夾的角度，如動畫所示。此方程的一個解法是將  視為積分因子，積分以後得
。
上述的解是隱解的形式，同時也包含了橢圓積分。這個解通常沒有什麼用，因為非初等函數積分（即使  仍然是非初等函數）把解的各種特性隱藏了起來，使我們不易看出單擺系統的行為。
另一個解法是把這個非線性方程作線性近似：利用泰勒展開式將非線性的 sine 函數線性化，並在某些特定的點附近討論解的情形。例如，若在  的點附近作線性近似（又稱小角度近似）， 時，，故原方程可以改寫為
。
近似後的方程變成了簡諧振盪，因此當單擺運動到底部附近時，可以對應到一個簡諧振子。而若在 （即當單擺運動到圓弧的最高點時）附近作線性近似，，故原方程可以改寫為
。
這個方程的解含有雙曲正弦函數，因此和小角度近似不同，這個近似是不穩定的，也就是說  會無限制地增加（但此近似方程的解也可能是有界的）。當我們把解對應回單擺系統後，就可以瞭解為什麼單擺在圓弧的最高點時不能達到穩定平衡，也就是說，單擺在最高點時是不穩定的狀態。
另一個有趣的線性近似是在  附近，此時 ，故原方程可以改寫為
，
這個近似後的方程可以對應到自由落體。
若把以上線性近似的結果合在一起看，就能大致瞭解單擺的運動情形。利用其他解非線性微分方程的方法，可以進一步幫助我們找到更精確的相圖，或是估算單擺的週期。

**非線性表現（列舉）**
 古典混沌（和量子混沌相對）—— 指系統裡無法預測的行為。- 多穩態 —— 指系統在兩個或多個互斥的狀態之間切換。- 非週期振盪 —— 指一個函數在任何週期上都不會固定重複其函數值（也稱作混沌振盪）。- 振幅死亡 —— 指系統內的某振盪因系統的自回饋或受其他系統影響而停止的現象。- 孤波 —— 指行進中能自我增強而不消散的孤立波。

**非線性方程（列舉）**
 交流電潮流模型- 代數黎卡提方程- 球桿系統- 最佳策略的貝爾曼方程- 波茲曼方程- 科爾布魯克方程- 廣義相對論- 金茲堡－朗道方程- 流體力學的納維－斯托克斯方程- KdV 方程- 非線性光學- 非線性薛丁格方程- 未飽和層水流的理查氏方程- Sine-Gordon 方程- 朗道-利夫希茲-吉爾伯特方程- 石森方程- 範德波爾方程- 林納德方程- 弗拉索夫方程

**分析非線性系統**
  interalg date=20120313204756  —— OpenOpt 和 FuncDesigner 架構下的求解器，可用來檢查一個非線性代數方程系統是否有任何解，或甚至找出其所有解。-  非線性模型及其模擬展示（連結至蒙納許大學的虛擬實驗室）-  FyDiK date=20090120152829  —— 可模擬非線性動態系統的軟體。

**參見**
 亞歷山大·李亞普諾夫- 動態系統- 初始條件- 交互作用- 線性系統- 非線性偏微分方程列表- 模態耦合- 向量光孤子- 沃爾泰拉級數- 平坦性

**參考資料**

**延伸閱讀**

**外部連結**
  命令與控制研究計畫（Command and Control Research Program, CCRP） date=20081223011223 -  新英格蘭複雜系統研究所 —— 複雜系統的概念（Concepts: Linear and Nonlinear） date=20190212162043 -  麻省理工開放式課程 date=20081120155025  ——  非線性動力學一：混沌（Nonlinear Dynamics I: Chaos） date=20210120111733  -  非線性模型 date=20081219003453  —— 物理系統的非線性模型資料庫（MATLAB）- 洛斯阿拉莫斯國家實驗室的 非線性研究中心（The Center for Nonlinear Studies） date=20081006065436