如何区分线性系统与非线性系统

想要明白线性系统,我们先要了解线性这个概念,以及知道线性系统可以用微分方程表示

线性性

对于一个函数 y=fx) 来说,如果他有线性性,则必须要满足两个法则:比例性和叠加性

比例性:对于任意的a,都有 a [公式] = [公式] a [公式] ) 成立,即x扩大a倍,y也扩大a倍。
叠加性:若 [公式] = [公式] ( [公式] ), [公式] = [公式]  [公式] ) ,则 [公式] + [公式] )= [公式]  [公式] + [公式] )

比如 y=x+1 是一条直线,但它并不是线性的,即不满足上述条件,所以并不是所有直线都是线性的

微分运算也是一种线性运算

检验比例性

设 [公式] = [公式] x) , 则dky)/dx = kdy)/dx = kg , 故满足比例性

检验叠加性

设 [公式] = [公式]  [公式] ) , [公式] = [公式]  [公式] ) , 则 d [公式] + [公式] )/dx = d [公式] )/dx+d [公式] )/dx = [公式] + [公式] , 故满足叠加性

更高阶的微分同理可证,所以微分运算也是一种线性运算

这里提一句,单纯的微分运算对常数项无要求,即有无常数项都满足线性性

微分方程的线性性

微分方程是在微分计算的基础上的数学运算,设有下述微分方程:

[公式] [公式] + [公式] = [公式] [公式] + [公式]

可以验证比例性 [公式] , 叠加性 [公式] 都成立

这里我就不验证了,第一次打公式,真的感觉好麻烦

这里又提一下,微分方程对常数项就有要求了,即有常数项,则微分方程不具有线性性

线性系统

可以用简单的一句话来描述线性系统:若该系统的的微分方程满足线性性,则该系统为线性系统

但是对于线性系统来说,一定要先区分系统的输入与输出,再来分析线性系统

例如函数: [公式]

此时 [公式] 才是输入,t不是直接的输入变量,所以即使 [公式] 不是线性的,但该系统仍是线性的

如何从微分方程上判断线性系统

只能出现函数本身,以及函数的任何阶次的导函数;
函数本身跟所有的导函数之间除了加减之外,不可以有任何运算;
函数本身跟本身、各阶导函数本身跟本身,都不可以有任何加减之外的运算;
若有积分项,被积函数应为输入变量,如 [公式] 。其实积分就是微分的负次幂。
不允许对函数本身、各阶导函数做任何形式的复合运算。

与高等数学的线性方程的区别(以一阶为例)

高等数学中的一阶线性微分方程通常表示为: [公式]

自控原理中的一阶线性微分方程通常表示为: [公式]

看到两式的区别了吗?高数中 [公式] 是 [公式] 的函数,自控中 [公式] 都是 [公式] 的函数。

 

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风君子

独自遨游何稽首 揭天掀地慰生平

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