「夫を成功」へ導く妻の秘訣 座談会

非線形と線形の違いを教えてください。
工学的(建築)に教えてくれたらなおうれしいです。

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A 回答 (2件)

y=f(x)という関係がある場合について考えて見ます。


(たとえば、x:応力、y:ひずみ、とか、x:電圧、y:電流とか)

で入力xを A*x1+B*x2 (A,Bは定数)にしたとき
y=f(A*x1+B*x2)=A*f(x1)+B*f(x2)
になるような場合を線形、そうでない場合が非線形、です。
(文章で書くと、線形なものは
入力を倍にしたら出力も倍、
入力に足し合わせたものを入れたときの出力は、それぞれ個別に入力したときの出力の和
というような関係です。)
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非線形と線形といっても、色々なものにその用語があるので、質問者様が何について聞きたいのかが不明なのですが…。



「工学的(建築)」とおっしゃっているので、力学的な話かな?と思うので、その方向で説明してみます。
単純に言うと、直線の現象が「線形」曲線の現象が「非線形」です。

おそらく「片持ち梁」はご存知だと思いますが、片持ち梁の端で、上から押す場合に、まず一定の力で押すなら「線形の荷重」、時刻歴などで荷重が変化するなら「非線形の荷重」です。
さらに押された梁の変形が、力の大きさに比例するなら、「線形の変形」、どこかで降伏したり、力の大きさとの関係が二次関数などで表されるなら「非線形の変形」です。
さらに、この変形が材料に依存しているなら「材料線形」あるいは「材料非線形」という違いがありますし、形状に依存しているなら「形状線形」「形状非線形」ということになります。

構造解析などの場合では、変形方向の長さの5%未満程度の微小変形の場合には、形状的な非線形性の影響は少ないとして、線形計算で行いますが、それ以上になると非線形性を考慮した計算が行われます。
また、鋼材などの降伏応力がかなり大きい材料では、降伏点までの力の範囲では線形材料として扱いますが、樹脂材料のように降伏応力に達する以前および以後でも力に対するひずみの反応が曲線的である場合には微小な力であっても非線形材料として扱います。

ですから「グラフ化したときに直線で表わせるものが線形、曲線(あるいは複数の直線)で表わすものが非線形」と考えればいいのではないでしょうか。
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この回答へのお礼

ありがとうございました。

お礼日時:2007/08/09 20:15

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Q線形・非線形って何ですか?

既に同じようなテーマで質問が出ておりますが、
再度お聞きしたく質問します。

※既に出ている質問
『質問:線形、非線型ってどういう意味ですか?』
http://oshiete1.goo.ne.jp/kotaeru.php3?q=285400
結局これを読んでもいまいちピンと来なかった...(--;


1.線形と非線形について教えてください。
2.何の為にそのような考え方(分け方)をするのか教えてください。


勝手なお願いですが、以下の点に留意いただけると大変うれしいです。
何せ数学はそんなに得意ではない人間+歳なので...(~~;

・わかりやすく教えてください。(小学生に説明するつもりぐらいだとありがたいです)
・例をあげてください。(こちらも小学生でもわかるような例をいただけると助かります)
・数式はなるべく少なくしてください。

『そんな条件じゃ説明できないよー』という方もいると思いますが、どうぞよろしくお願いいたしますm(__)m

Aベストアンサー

昨日「線形の方がなんとなくてわかりやすくないですか」と書いたんですが、やっぱり理系の人間らしく、もうちょっときちんと説明してみます。昨日は数式をなるべく出さないように説明しようとがんばったんですが、今日は少しだけ出しますが、勘弁してください。m(__)m(あと、長文も勘弁してください)


数学的にはちょっとここまで言えるかわかりませんが、自然界の法則としては、「線形」が重要な意味を持つのは、xの値が変化するにつれて変化するyがあったときに、

(yの増加量)/(xの増加量)=A(一定)

という規則が成り立つからです。

xやyの例としては昨日の例で言う例1だとxがガムの個数、yが全体の金額、例2だとxが時間、yが走った距離です。

この規則が何で役に立つかというと、式をちょっと変形すると、

(yの増加量)=A×(xの増加量)・・(1)

ということがわかります。つまり、Aの値さえわかれば、xが増えたときのyの値が容易に推測できるようになるわけです。


ここで「Aの値さえわかれば」と書いていますが、この意味を今から説明します。

自然界の法則を調べるためには何らかの実験を行います。例えば、りんごが木から落ちる運動の測定を行います。
ここから質問者様がイメージできるかわかりませんが、りんごは時間が経つにつれて(下に落ちるにつれて)落下するスピードが速くなるんです。今、実験として、1秒ごとにりんごのスピードを測定したとします。そしてその結果をグラフにプロットしていくと、直線になることがわかります。(ここがわかりにくいかもしれませんが、実際に実験を行うとそのようになるのです)

数学の問題のように初めから「時速100kmで走る」とか「1個100円のガム」とかいうことが与えられていれば直線になることはすぐにわかります。
しかし、自然界の法則はそうもうまくいきません。つまり、実験を行ってその結果をプロットした結果が直線状になっていたときに初めて「何らかの法則があるのではないか」ということがわかり、上で書いた「Aの値さえわかれば」の「A」の値がプロットが直線状になった結果、初めてわかるのです。

そして、プロットが直線状になっているということは、永遠にそうなることが予想されます。つまり、今現在はりんごが木から落ちたときしか実験できませんが、その結果を用いて、もしりんごが雲の上から落としたときに地面ではどのくらいのスピードになるかが推測できるようになるわけです。ここで、このことがなぜ推測できるようになるかというと、(1)で書いた関係式があるからです。このように「なんらかの法則があることが推測でき、それを用いて別の事象が予言できるようになる」ことが「線形」が重要だと考えられる理由です。

しかし、実際に飛行機に乗って雲の上からりんごを落としたらここで推測した値にはならないのです。スカイダイビングを想像するとわかると思いますが、最初はどんどんスピードが上がっていきますが、ある程度でスピードは変わらなくなります。(ずっとスピードが増え続けたら、たぶんあんなに空中で動く余裕はないでしょうか??)つまり、「線形から外れる」のです。

では、なぜスピードが変わらなくなるかというと、お分かりになると思いますが、空気抵抗があるからなんですね。(これが昨日「世の中そううまくはいかない」と書いた理由です)つまり、初めは「線形」かと思われたりんごを落とすという実験は実際には「非線形」なんです。非線形のときは(1)の関係式が成り立たないので、線形のときほど容易には現象の予測ができないことがわかると思います。


では、非線形だと、全てのことにおいて現象の予測が難しいのでしょうか?実はそうでもありません。例えば、logは非線形だということをNo.5さんが書かれていますが、「片対数グラフ」というちょっと特殊な形のグラフを用いるとlogや指数関数のグラフも直線になるんです。つまり、普通のグラフでプロットしたときに「非線形」になるため一見何の法則もないように見えがちな実験結果が「片対数グラフ」を用いると、プロット結果が「線形」になってlogや指数関数の性質を持つことが容易にわかり、それを用いて現象の予測を行うことが(もちろん単なる線形よりは難しいですが)できるようになるわけです。


これが私の「線形」「非線形」の理解です。つまり、

1) 線形の結果の場合は同様の他の事象の推測が容易
2) 非線形の場合は同様の他の事象の推測が困難
3) しかし、一見非線形に見えるものも特殊な見方をすると線形になることがあり、その場合は事象の推測が容易である

このことからいろいろな実験結果は「なるべく線形にならないか」ということを目標に頑張ります。しかし、実際には先ほどの空気抵抗の例のように、どうしても線形にはならない事象の方が世の中多いんです。(つまり、非線形のものが多いんです)

わかりやすいかどうかよくわかりませんが、これが「線形」「非線形」を分ける理由だと思っています。

やっぱり、「線形の方がなんとなくわかりやすい」くらいの理解の方がよかったですかね(^^;;

昨日「線形の方がなんとなくてわかりやすくないですか」と書いたんですが、やっぱり理系の人間らしく、もうちょっときちんと説明してみます。昨日は数式をなるべく出さないように説明しようとがんばったんですが、今日は少しだけ出しますが、勘弁してください。m(__)m(あと、長文も勘弁してください)


数学的にはちょっとここまで言えるかわかりませんが、自然界の法則としては、「線形」が重要な意味を持つのは、xの値が変化するにつれて変化するyがあったときに、

(yの増加量)/(xの増加量)=...続きを読む

Q数学の線形性とか非線形性って?

数学で線形性とか非線形性とかという表現をよく使うようですが、なぜ、そんな呼び方、もしくは
分け方をするのかいまいちわかりません。
わかりやすく解説していただけないでしょうか?
よろしくお願いします、

Aベストアンサー

ベクトルX、Y、行列Aを用いて、
Y=AX
のように書き下されるものを線形と言います。(1次結合で表されるものを線形)
これは、行列Aに演算子が含まれていても、代数的に処理する手法があるので線形と呼びます。

非線形と言った場合、例えばx^2のような変数の2乗のような項が含まれると1次結合では表せないため、非線形と呼ぶのです。

線形と非線形の呼び分けは、線形が解析的に解けるのに対して、非線形は一般的な解き方が存在しない(解を持つ場合もある)、もしくは解が見つからないため、行います。
ある式の性質を述べるために線形性、非線形性という表現を用います。

Q静的・動的の意味

よく静的解析、動的解析という言葉を耳にするのですが
いまいちイメージがつかめません。

そもそも力学的に「静的」、「動的」とはどういう意味を持つのでしょうか。

よろしくお願いします。

Aベストアンサー

検索エンジンで調べてみますと、「動的解析」や「静的解析」という用語は、それが使われる分野によって意味が違っています。ソフトウェアの分野では、ソフトウェアを動作させずに調べることを静的解析、動作させて調べることを動的解析と言うようです。また、建築の分野では、建築物の風力や重量などに対する耐性を調べることを静的解析、地震のときの揺れなどに対する耐性を調べることを動的解析と言うようです。

力学は、静力学と動力学に分けることができます。静力学では、”力の釣り合い”を、動力学では、”運動”を扱います。

Q線形2階微分方程式と非線形2階微分方程式の違いは?

数学用語の意味の違いがいまいちつかめません。

(1)【線形2階微分方程式】
未知数y(x)とその導関数y'(x),y''(x)についての線形の微分方程式
   y''+p(x)y'+q(x)y=f(x)
を 2階線形微分方程式という.最も簡単な例として
d^2f(x)/dx^2=0
がある。

(2)【非線形2階微分方程式】
非線形2階微分方程式の定義がテキストには載っていなかったのですが、
   y''+p(x)y'+q(x)y ノットイコール f(x)
が非線形2階微分方程式ということでしょうか?

(1)と(2)の違いがどこにあるのか、はっきりせずにモヤモヤしているので、
スッキリさせたいです。どなたか数学に詳しい方がいらっしゃれば、
どうかご教授下さい。よろしくお願いします。

Aベストアンサー

線形微分方程式は、y''+p(x)y'+q(x)y=f(x)
など、微分演算子を、D=Dxx+p(x)Dx+q(x)のように
ひとつにまとめて、
Dy=f(x)
のように書けるものです。
ここに、Dxxはxで2回微分、Dxはxで1回微分することを意味する。
関数全体の空間をベクトル空間と見て、
Dは関数空間の間の線形写像になっているから線形微分方程式
といいます。
一方、y''y+y'=f(x)のようなものは、Dy=f(x)の形に書けないので、
線形微分方程式とは言いません。
要するに、y,y',y'',…の線形結合=f(x)のタイプが線形微分方程式
で、そうでないものが、非線形微分方程式です。


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