您当前的位置:首页 > 外国名著 > 微积分的力量

非线性

非线性

索菲·柯瓦列夫斯卡娅发现的不可解性与陀螺方程的一个结构特性有关,即该方程是非线性的。我们在这里无须关注非线性的技术意义,就目的而言,我们只需要感受线性系统与非线性系统之间的区别,这一点通过思考日常生活中的一些例子即可实现。

为了说明线性系统是什么样子,我们假设有两个人纯粹出于玩乐的目的,同时上秤称他们的体重。两个人的总重量是他们各自的体重之和,这是因为秤是一种线性装置。他们的体重既不会相互影响,也不会导致任何需要注意的棘手情况。比如,他们的身体不会以某种方式互相串通,使总重量变轻,或者互相妨碍,使总重量变重。所以,它们只是相加。在像秤这样的线性系统中,整体等于部分之和,这是线性的第一个关键特性。线性的第二个特性是,原因与结果成正比。想象一下弓箭手拉弓弦的情景。如果把弓弦向后拉一定的距离需要花一定大小的力,那么将弓弦向后拉两倍的距离就需要花两倍大小的力。所以,原因和结果成正比。这两个特性(整体等于部分之和,原因和结果成正比)就是线性含义的本质。

然而,自然界中的许多事情都比拉弓弦复杂得多。当系统的各个部分互相干扰、合作或竞争时,就会发生非线性的相互作用。大部分日常活动显然都是非线性的,如果同时听你最喜欢的两首歌,你不会得到双倍的快乐。如果同时喝酒和吸毒,两者相互作用甚至会产生致命的结果。相比之下,花生酱和果冻搭配起来吃效果更佳,它们不是简单地相加,而是协同增效。

非线性让世界变得丰富多彩、美妙而复杂,还常常是不可预测的。比如,生物学的方方面面都是非线性的,社会学亦如此。这就是软科学很难也是最后才被数学化的原因。由于非线性的特性,它们一点儿也不“柔软”。

线性和非线性之间的区别同样适用于微分方程,但没有那么直观。需要说明的一点是,如果微分方程是非线性的,就像柯瓦列夫斯卡娅的陀螺那样,分析起来就会极其困难。从牛顿开始,数学家都尽可能地避免使用非线性微分方程,因为在他们看来,这类方程既令人不悦,又难以掌控。

相反,线性微分方程既令人愉悦,又容易驯服。数学家喜欢它们,就是因为它们简单。所以,解决这类方程的相关理论有很多。实际上,直到20世纪80年代前后,应用数学家受到的传统教育几乎完全集中在线性方法的运用上,其中有好几年都在学习傅里叶级数和其他求解线性方程的技巧。

线性的一大优势在于,它为还原论思维的运用创造了条件。要解决一个线性问题,我们可以先把它分解成几个最简单的部分,再分别求解每个部分,最后把它们组合起来得到答案。傅里叶正是利用这种还原论策略解出了他的热传导(线性)方程。他先把复杂的温度分布分解成多个正弦波,再算出所有正弦波各自的变化,最后将这些正弦波重新组合起来,去预测加热金属棒的整体温度变化情况。这个策略之所以可行,就是因为热传导方程是线性的,它可以在不失去其本质的情况下被切分成小段。

索菲·柯瓦列夫斯卡娅让我们认识到,当我们最终勇敢地面对非线性时,这个世界看上去会有多么不同。她意识到,非线性能限制人类的狂妄自大。如果一个系统是非线性的,它的行为就不可能用公式来预测,即使该行为是完全确定的。换句话说,决定论并不意味着可预测性。虽然陀螺只是一种小孩子的玩意,但它的运动能让我们在求知时怀有一颗谦逊之心。

上一章 封面 书架 下一章