非線性是什么意思與線性的區(qū)別是什么(2)

時間：2016-08-31 12:04:58 謝君787由分享

　　(2) 非線性的物理機制

　　相對于非線性的數(shù)學表達而言，它的物理機制是更重要的，也是我們更感興趣的。非線性的物理機制有很多方面，至于哪方面是最根本的，還沒有—致的認識。從非線性的定義來看，可以把非線性的物理機制表述為：一個測度的變化受到兩個、兩種或更多因素的聯(lián)合影響，換言之就是非—次項的影響。具體的非線性方式決定于參與聯(lián)合作用的因素間聯(lián)合作用的方式，如：兩種或多種因素聯(lián)合作用，Lorenz吸引子中的X·Z是X與Z的聯(lián)合作用;牛頓第二定律F=m·a2中，a2= a·a 是兩個相同的對人有意義的物理變量a與a的聯(lián)合作用。下面從相互作用、耗散性、有限性、多值性四個方面具體地討論非線性的物理機制。

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　　非線性的—個最主要的物理機制，可以說就是相互作用。之所以說世界在本質上是非線性的，在很大程度上就是由于相互作用的普遍存在，完全孤立的事物是沒有的(即使有，在原則上它的存在本身也就包含了它與認識主體——人的相互作用)。實際上，我們遇到的大都是處于某種相互作用網之中的事物，而任何事物在受其它事物作用、影響的同時，也作用于、影響著其它的事物，正如牛頓第三定律所表述的那樣，作用與反作用是同時存在的，所以，我們要想準確地、深刻地認識一個事物，就要把該系統(tǒng)在其它系統(tǒng)作用下的行為規(guī)律與該系統(tǒng)對其它系統(tǒng)的影響聯(lián)合起來考慮。這種雙向的作用—般就出現(xiàn)非線性項，成為非線性問題。例如：場對粒子運動有作用，粒子的運動也使場發(fā)生變化，這時場方程和粒子運動方程就要聯(lián)合起來考察，從而使之成為非線性問題，再如，人與自然、主體與客體都是雙向作用的關系，原則上都將是非線性問題。

　　其實，雙向作用的存在必將使其中之一通過對方而作用于自身，從而形成正的或負的反饋回路，起到放大或抑制的作用，使任何初始變化都會產生不成比例的響應，呈現(xiàn)出非線性現(xiàn)象。

　　②耗散性

　　這里所說的耗散性，是指能推動并維持系統(tǒng)遠離平衡態(tài)的耗散性，而不是近平衡區(qū)內較弱的耗散性。

　　系統(tǒng)對能量的耗散是一個不可逆過程，輸入系統(tǒng)的能量在流經輸入端和輸出端過程中，驅動系統(tǒng)做某種單向的不可逆的運動，其間會使子系統(tǒng)間產生非線性連接，實現(xiàn)協(xié)同運動，從而形成宏觀有序狀態(tài)。能量在系統(tǒng)內的耗散，相當于為系統(tǒng)內某些運動按了一個“泵”，這個泵的作用在很多的情況下，就是系統(tǒng)非線性現(xiàn)象的根源。例如：在Bénard實驗中，扮演非線性現(xiàn)象物理機制的正是耗散性，耗散性的不斷加強，使系統(tǒng)達到遠離平衡態(tài)，產生規(guī)則的宏觀結構以至呈現(xiàn)混沌狀態(tài);與此類似的如：Lorenz吸引子的機制是太陽光加熱大氣，大氣在能量耗散過程中，為耗散性所驅動而產生混沌運動：再如：畫包師變換中，無論是拉伸，還是折疊操作，實際上都是—種能量耗散過程。

　　從另一個角度說，對能量的耗散增強，使子系統(tǒng)相互作用程度增強、方式增多，也就使系統(tǒng)可能有的穩(wěn)態(tài)的數(shù)目越來越多，局域穩(wěn)定性越來越小，直到極端的混沌狀態(tài)。在這—過程中，對系統(tǒng)未來的發(fā)展軌跡將難以準確預測，即未來現(xiàn)實發(fā)展道路的可能性越來越多，簡并程度越來越高，因而可預測性越來越弱。這意味著耗散性導致了系統(tǒng)宏觀運動時間反演對稱性的破缺，也就是說當耗散加強時，原則上從系統(tǒng)現(xiàn)在的狀態(tài)無法精確預測其未來的狀態(tài)，未來不包含于現(xiàn)在之中，它有“新質”產生。

　?、?有限性

　　現(xiàn)實的、具體的自然都是有限的自然，有限性及其結果蘊含于一切事物之中，在相應的方面規(guī)定著一切事物的性質。我們應該把有限性作為考慮一切事物的基本前提之—，作為自然界的—個基本事實。

　　有限性在一定情況下必然導致非線性，它是非線性的另一個重要機制。抽象地說，有限的事物相對于無限的事物而言喪失了許多對稱性，因而作用于其上的操作及結果都可能對應著由有限性直接導致的非對稱性。具體地，如Robort May用以研究小生境的蟲口模型，其非線性項的存在，就是由于環(huán)境容量R的有限造成的，如果R無限大，那么此模型就自然成為線性的了;拉伸機制與有限性造成的壓縮機制的結合，才使奇異吸引子呈現(xiàn)局部不穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性，產生特定的非線性形式——混沌;除此之外，各種相互作用速度的有限、時空域的有限、結構方式的有限等等都可成為導致非線性的物理機制。

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　　動力系統(tǒng)中常會出現(xiàn)某些變量的一個值對應著其它變量多個值的情況，從物理上說，就是相同的條件對應著多種可能的狀態(tài)，約束條件的弱化使系統(tǒng)狀態(tài)的簡并性強化，使可能性非唯—化。多值性的存在，也就自然產生了多值解和對多種可能解的選擇，多值性越強，系統(tǒng)就可能越復雜，相對于一定的多值性系統(tǒng)就會有相應的隨機性。多值性的存在實際上是約束的有限造成的，對于有限約束所不能制約的方面，系統(tǒng)存在于它的一切可能性之中。

　　多值性在動力學方程中必然表現(xiàn)為非線性，因為只有非線性關系才具有多值性，線性關系不可能有多值性。例如：倍周期分叉過程，在分叉點一側出現(xiàn)非唯一穩(wěn)定軌道，使系統(tǒng)的演化軌跡出現(xiàn)隨機性、復雜性，—方面可以說這里是非線性產生了多值性，另一方面也可以說這里的非線性物理機制正是系統(tǒng)的多值性。再如：哈密頓系統(tǒng)的三體問題，在考慮小質量物體運動時，由于兩個大質量物體造成的引力勢場中，存在引力勢為0的面、點等特殊空時區(qū)域(即兩個大質量物體的作用相互抵消的地方)，小質量物體在這些特殊區(qū)域的可能軌道就有了多種選擇，即約束的弱化造成了系統(tǒng)可能狀態(tài)的多值化。這種多值性在數(shù)學上就表現(xiàn)為非線性，它是復雜現(xiàn)象的重要根源之—。

　　(3)非線性與穩(wěn)定性的關系

　　穩(wěn)定性問題是我們研究系統(tǒng)動力學性質的一個先驗角度，系統(tǒng)穩(wěn)定的條件、機制、類型，失穩(wěn)的條件、機制、類型，及由穩(wěn)定到不穩(wěn)定，由不穩(wěn)定到穩(wěn)定的—般規(guī)律，對于我們理解一般系統(tǒng)和具體系統(tǒng)的動力學行為都是極為重要的。而穩(wěn)定性與非線性有著密切的關系，簡言之，處于穩(wěn)定的系統(tǒng)，必然存在非線性的李雅普諾夫函數(shù)(Lyapunov function)。

　　所謂穩(wěn)定性是用來刻劃系統(tǒng)在受到擾動后的行為的，“事物的存在方式或運動狀態(tài)，不會因為擾動、起伏漲落而改變就謂之穩(wěn)定。如果有一個或多個小的擾動，使系統(tǒng)的存在方式或運動狀態(tài)發(fā)生了改變，而后，系統(tǒng)又能克服擾動自動地回到未受擾動前的狀態(tài)，這種系統(tǒng)就是穩(wěn)定的。”其實，所謂穩(wěn)定都是相對于—定的擾動而言的，系統(tǒng)的抗擾能力可用穩(wěn)定程度來標度，穩(wěn)定程度是我們對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行區(qū)分、刻劃的不可缺少的變量。

　　穩(wěn)定性有多種類型，我們這里所說的是局域穩(wěn)定性，即“相對于—定的擾動而言，系統(tǒng)是穩(wěn)定的”，它包含了兩個方面的意思，①在我們考察的系統(tǒng)狀態(tài)附近存在Lyapunov函數(shù)， ②環(huán)境擾動小于由Lyapunov函數(shù)的存在域確定的系統(tǒng)的穩(wěn)定程度。

　　來源于Lyapunov第一穩(wěn)定性定理：令，x0是一定點( 。假定存在一個函數(shù) 使(a) ，且在的某個鄰域內，如果， >0，(b)在那個鄰域內，那么是穩(wěn)定的。”滿足這兩個條件的函數(shù) 叫嚴格的Lyapunov函數(shù)。由(a)可見，為的極小點，處于穩(wěn)定狀態(tài)的系統(tǒng)，可以找到其Lyapunov函數(shù) ，此在穩(wěn)定點附近是凹形的，即不可能有 = 的線性形式，而只能是非線性的。由(b) ，其實就是，保證了沿減小的路徑位移，對于足夠小的擾動將返回x0，的這種性質，反映了系統(tǒng)具有占優(yōu)勢的維持穩(wěn)定的機制，這種機制的存在保證了系統(tǒng)對所有小于穩(wěn)定程度的漲落的有效阻尼。在保守系統(tǒng)中，多數(shù)情況下就是能量，一定范圍的凹形，就是具有一定深度的勢阱的勢函數(shù)，維持穩(wěn)定的力則是與函數(shù)相應的回復力。

　　總之，無論是線性的，還是非線性的，只要它是穩(wěn)定的，那么它就對應著某個非線性的Lyapunov函數(shù) 。

　　如：超循環(huán)結構的穩(wěn)定性來源于子系統(tǒng)間的功能耦合造成的非線性;耗散結構的穩(wěn)定性源于子系統(tǒng)間的協(xié)同相互作用，這種相互作用也是非線性的;倍周期分叉序列及混沌區(qū)中的周期窗口，這些軌道的穩(wěn)定也都是非線性機制產生的;奇異吸引子的整體穩(wěn)定性是系統(tǒng)的耗散性這一非線性機制的結果?？梢哉f，穩(wěn)態(tài)存在的地方，必然存在非線性。

　　不穩(wěn)定在數(shù)學上對應著勢函數(shù)的極大區(qū)域，勢函數(shù)是凸的，其中包括函數(shù)的一階導數(shù)等于0，二階導數(shù)小于0的極大值點;物理上，勢阱深度小于等于內外漲落的強度。顯然線性關系不會造成這種不穩(wěn)定性，不穩(wěn)定機制是一種非線性機制。上文所談及的各種非線性物理機制在一定情況下都將導致不穩(wěn)定性。

　　造成混沌軌道指數(shù)發(fā)散的伸縮變換是—種非線性操作，它使系統(tǒng)敏感初條件、極不穩(wěn)定;在單峰映射中，無淪在倍周期分叉點，還是在混沌區(qū)內周期窗口結束時，都是非線性機制使原來的穩(wěn)定的軌道失穩(wěn)，而后才進入新的軌道。

　　在耗散結構理論中，系統(tǒng)演化過程中熱力學分枝的失穩(wěn)、穩(wěn)定的耗散結構的出現(xiàn)，其機制是子系統(tǒng)間通過相互作用實現(xiàn)的協(xié)同運動，而這種相互作用正是非線性的一種重要物理機制。

　　生物體在無外界物質、能量輸入時，它的耗散機制會使其失穩(wěn)而滑向熱力學平衡態(tài);在保守系統(tǒng)中，隨機網的存在使系統(tǒng)在一定程度上呈現(xiàn)不穩(wěn)定性。這些起不穩(wěn)定作用的機制都是我們已討論的非線性機制。

　　綜合以上兩個方面可見，非線性既是穩(wěn)定的原因，也是不穩(wěn)定的原因，在不同情況下它扮演不同的角色。非線性同是穩(wěn)定和不穩(wěn)定的必要條件，而不是它們的充分條件，系統(tǒng)穩(wěn)定與否和非線性機制沒有對應關系，系統(tǒng)的穩(wěn)定或不穩(wěn)定在不同情況下對應于某些非線性機制或某些非線性機制與其它因素的結合方式。例如：在混沌現(xiàn)象中，非線性機制產生奇異吸引子相空間的局部不穩(wěn)定性，整體耗散性或有限性等非線性機制造成奇異吸引子的整體穩(wěn)定性，兩者的結合才產生了具有特定分維的奇異吸引子;在孤立子現(xiàn)象中，非線性項與色散項的巧妙平衡才使?jié)M足KdV方程的孤立子呈現(xiàn)穩(wěn)定性，成為純粹的擬序結構。所以在考察非線性與穩(wěn)定性問題時，要依據(jù)具體情況做具體分析。
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