非线性机械和线性机械(非线性动力学)

一、什么是线性动力学系统和非线性动力学系统,它们有何异同

线性系统：状态变量和输出变量对于所有可能的输入变量和初始状态都满足叠加原理的系统。一个由线性元部件所组成的系统必是线性系统。但是，相反的命题在某些情况下可能不成立。线性系统的状态变量(或输出变量)与输入变量间的因果关系可用一组线性微分方程或差分方程来描述，这种方程称为系统的数学模型。

非线性系统：一个系统，如果其输出不与其输入成正比，则它是非线性的。从数学上看，非线性系统的特征是叠加原理不再成立。叠加原理是指描述系统的方程的两个解之和仍为其解。叠加原理可以通过两种方式失效。其一，方程本身是非线性的。其二，方程本身虽然是线性的，但边界是未知的或运动的。

线性，指量与量之间按比例、成直线的关系，在空间和时间上代表规则和光滑的运动；而非线性则指不按比例、不成直线的关系，代表不规则的运动和突变。如问：两个眼睛的视敏度是一个眼睛的几倍？很容易想到的是两倍，可实际是 6－10倍！这就是非线性：1＋1不等于2。

线性关系是互不相干的独立关系，而非线性则是相互作用，而正是这种相互作用，使得整体不再是简单地等于部分之和，而可能出现不同于"线性叠加"的增益或亏损。

线性关系中的量是成比例的：十枚橘子的价钱是一枚的十倍。非线性意味着批发价格是不成比例的：一大箱橘子的价钱比一枚的价钱乘以橘子的个数要少。这里重要的观念是“反馈”——折扣的大小反过来又影响顾客购买的数量。

激光的生成就是非线性的！当外加电压较小时，激光器犹如普通电灯，光向四面八方散射；而当外加电压达到某一定值时，会突然出现一种全新现象：受激原子好像听到“向右看齐”的命令，发射出相位和方向都一致的单色光，就是激光。

迄今为止，对非线性的概念、非线性的性质，并没有清晰的、完整的认识，对其哲学意义也没有充分地开掘。

线性：从相互关联的两个角度来界定，其一：叠加原理成立；其二：物理变量间的函数关系是直线，变量间的变化率是恒量。

在明确了线性的含义后，相应地非线性概念就易于界定：

其—，“定义非线性算符N(φ)为对一些a、b或φ、ψ不满足L（aφ+bψ）=aL(φ)+bL(ψ)的算符”，即叠加原理不成立，这意味着φ与ψ间存在着耦合，对（aφ+bψ）的*作，等于分别对φ和ψ*作外，再加上对φ与ψ的交叉项(耦合项)的*作，或者φ、ψ是不连续(有突变或断裂)、不可微(有折点)的。

其二，作为等价的另—种表述，我们可以从另一个角度来理解非线性：在用于描述—个系统的一套确定的物理变量中，一个系统的—个变量最初的变化所造成的此变量或其它变量的相应变化是不成比例的，换言之，变量间的变化率不是恒量，函数的斜率在其定义域中有不存在或不相等的地方，概括地说，就是物理变量间的一级增量关系在变量的定义域内是不对称的。可以说，这种对称破缺是非线性关系的最基本的体现，也是非线性系统复杂性的根源。

对非线性概念的这两种表述实际上是等价的，其—叠加原理不成立必将导致其二物理变量关系不对称；反之，如果物理变量关系不对称，那么叠加原理将不成立。之所以采用了两种表述，是因为在不同的场合，对于不同的对象，两种表述有各自的方便之处，如前者对于考察系统中整体与部分的关系、微分方程的性质是方便的，后者对于考察特定的变量间的关系(包括变量的时间行为)将是方便的。

非线性的特点是：横断各个专业，渗透各个领域，几乎可以说是：“无处不在时时有。”

线性系统对初值不敏感，而非线性系统对初值较敏感。线性系统的状态可以通过线性方程解出，比较容易；而非线性系统就较难。由于线性系统较容易处理，许多时候会将系统理想化或简化为线性系统。严格地说，实际的物理系统都不可能是线性系统。但是，通过近似处理和合理简化，大量的物理系统都可在足够准确的意义下和一定的范围内视为线性系统进行分析。

例如一个电子放大器，在小信号下就可以看作是一个线性放大器，只是在大范围时才需要考虑其饱和特性即非线性特性。

线性系统的理论比较完整，也便于应用，所以有时对非线性系统也近似地用线性系统来处理。

例如在处理输出轴上的摩擦力矩时，常将静摩擦当作与速度成比例的粘性摩擦来处理，以便于得出一些可用来指导设计的结论。

线性意味着系统的简单性，但自然现象就其本质来说，都是复杂的，非线性的。所幸的是，自然界中的许多现象都可以在一定程度上近似为线性。传统的物理学和自然科学就是为各种现象建立线性模型，并取得了巨大的成功。但随着人类对自然界中各种复杂现象的深入研究，越来越多的非线性现象开始进入人类的视野。

目前非线性物理学中研究得最为广泛的领域主要有：混沌理论、分形、模式形成、孤立子、细胞自动机，耗散结构、自组织、复杂系统。

特别是混沌理论的创立，被研究者誉为继相对论和量子力学之后的20世纪第三次科学革命。相对论证实了物质运动速度的极限，量子力学指出测量能力的极限，而混沌理论则揭示了计算能力的极限；即任何物体的运动速度不能超过光速，任何测量不能同时确定一对共轭变量，任何计算机不能计算混沌轨道的长期演化。

二、非线性动力学的内容简介

《非线性动力学理论与应用的新进展》主要研究工程系统中的非线性动力学、分叉和混沌理论、控制理论及其应用，重点介绍近几年来国内外的最新进展，包括高维非线性系统的多脉冲全局分叉、时滞动力系统、非光滑动力系统等变非线性动力系统、C-L方法、规范形的计算、非线性随机优化控制、后绝对稳定性、网络结构与动力学、非线性色散波、非线性系统大范围运动动力学、碰撞振动系统、微转子系统、轴向运动弦线和梁的非线性动力学。

《非线性动力学理论与应用的新进展》可供高等院校力学、机械、数学、物理、航空航天、土木工程等专业的高年级本科生、研究生阅读学习，也可作为教师和科研人员的参考书。

三、什么是非线性动力学

非线性动力学，是物理学的思维进入传统方法所不能解决的问题的一座丰碑。也是非常有前途的工具学科，它为大数据时代提供潜在的分析引擎。为什么说非线性，因为物理之外的系统大多数不能用线性系统表述（详情请见《动力学是如何做预测的》）。动力学的核心使命是预测系统的变化，非线性动力学在这点上也是一样的。一个经典的非线性动力学系统具有标准的表述形式：预测一个系统的未来，你需要知道它在微小时间尺度里的性质并列出动力学方程x是一个向量（vector），它所具有的分量个数即系统的维度。维度是动力学系统的最基本属性。它决定系统的复杂性，及其可能具有的基本性质。还有，我们有多大把握预测系统的未来。高维空间绝非之存在于宇宙之边（广义相对论）或者加速器的深处（弦论），而是你我的生活中处处皆是。用图形的思维，讲述复杂性是如何随着维度升高而产生的，同时，庞加莱，秦皇或者凯恩斯又是如何联系起来的。最简单的系统是一维系统，预测一个一维的非线性系统，往往只需抓住一个关键性信息-定点。一维系统与定点（Fix Point）“简单系统偏好平衡”马尔萨斯人口论合不合理？18世纪末，在工业革命前夜的英国，一个叫做马尔萨斯的伟大思想家提出了这样一个困扰了人类几个实的问题：人类的人口呈指数增长，而食物的总量至多成代数增长，所以当人口的增长超过食物，人类将不可避免的陷入饥荒，疾病和战争。而普遍性的贫穷，是人类文明的宿命。这个理论解释了为什么许多古代文明陷入发展停滞的泥沼，从埃及，两河领域到古中国。

四、解释下非线性动力学

我猜是受力不恒定的运动。如果受力恒定，理论上物体应该做匀速或匀加速直线运动，速度和时间的方程是一条直线，如果受力不恒定，物体做变速运动，速度和时间的方程就不是直线了……我猜的啊，不知道是不是，请高手指正