Nieliniowość

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj

Nieliniowość – cecha układu polegająca na tym, że wartość wyjściowa nie jest wprost proporcjonalna do danych wejściowych.

W algebrze liniowy operator lub funkcję f(x) opisuje się w następujący sposób:

  • addytywność, \textstyle f(x + y)\ = f(x)\ + f(y);
  • homogeniczność, \textstyle f(\alpha x)\ = \alpha f(x).

W przypadku niespełnienia powyższych założeń mamy do czynienia z nieliniowością. W przyrodzie większość oddziaływań opisuje się właśnie funkcjami nieliniowymi. Modelowanie rzeczywistości polega jednak na wykorzystaniu jak najprostszych narzędzi matematycznych i często zdarza się opisywać zjawiska nieliniowe funkcjami liniowymi, jak na przykład prawo Hooke'a, gdzie pewien obszar dla stosunkowo małych naprężeń zachowuje się prawie liniowo.

Linearyzacja[edytuj | edytuj kod]

 Osobny artykuł: Linearyzacja.

Czasami, kiedy nieliniowość utrudnia rozwiązanie problemu, stosuje się linearyzację, czyli sprowadzenie modelu matematycznego do funkcji liniowych. Wykonuje się to na 2 sposoby: przez przybliżanie lub ucinanie członów nieliniowych.

Przykłady linearyzacji[edytuj | edytuj kod]

  • Wahadło matematyczne opisujące ruch punktu materialnego zawieszonego na lince wyraża się równaniem różniczkowym:\frac{d^2 \theta}{d t^2} + \sin(\theta) = 0\,, ale gdy przyjmie się pewne przybliżenia, kiedy \sin(\theta) \approx \theta dla \theta \approx 0, to ostatecznie otrzyma się dobrze znane równanie oscylatora: \frac{d^2 \theta}{d t^2} + \theta = 0\,
  • Rozwijając w szereg Taylora: \ln(1+x) = x - \tfrac{x^2}{2}+ \tfrac{x^3}{3} - \cdots można zakończyć na członie liniowym i wtedy otrzyma się równanie: \ln(1+x)   =   x

Nieliniowość w miarach zależności[edytuj | edytuj kod]

Podstawową miarą zależności jest współczynnik korelacji liniowych, który określa miarę liniowych zależności między zmiennymi. W zagadnieniach analitycznych, np. w ekonomii pomija się często zależności nieliniowe i traktuje się jako zaniedbywane.

W przyrodzie bardzo często spotyka się przejawy wzajemnej zależności. Istnieje również wiele innych sposobów na uzależnienie elementów od siebie, które tworzą strukturę-sieć. Przykładem może być łańcuch pokarmowy, który umieszcza organizm w pewnym otoczeniu innych organizmów, z którymi oddziałuje w ten sposób, że może je zjadać, bądź być zjadanym. Badacz tego typu zjawisk musi wykazać się wielką wiedzą i pomysłowością, aby precyzyjnie opisywać nielinowe zależności. Może się on posłużyć takimi miarami jak np. miara manhattan, będącą sumą odległości między zmiennymi w n-wymiarowej przestrzeni. Aby odtworzyć hierarchię można narysować drzewo minimalnego zasięgu bądź graf z zaznaczonymi ścieżkami między obiektami. Przykładem może być socjogram pokazujący zależności między ludźmi w grupie.

W analizie szeregów czasowych przydają się dodatkowo narzędzia bazujące na fraktalności. Kryzys ekonomiczny roku 2007 spowodował, że zaniedbywane wcześniej przez ekonomistów modele nieliniowe zaczęły cieszyć się popularnością[1] (klasyczna ekonomia bazuje na liniowych zależnościach, za pomocą których nie da się przewidzieć ani opisać kryzysu na taką skalę, jaką był ten z 2007 r.).

Przypisy

  1. Andrzej Buda, Andrzej Jarynowski (2010) Life-time of correlations and its applications, [Wrocław]: Wydawnictwo Niezależne http://th.if.uj.edu.pl/~gulakov/life_corr/

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]