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In matematica un sistema non lineare (talvolta nonlineare) è un sistema di equazioni in cui almeno una di esse è non lineare, cioè non esprimibile come combinazione lineare delle incognite presenti e di una costante. Ad esempio potrebbe contenere equazioni algebriche con almeno un termine di grado diverso da uno, o più in generale dei termini non polinomiali. In pratica, ogni sistema di equazioni che non sia lineare è detto non lineare.

Un sistema è polinomiale se ogni equazione è un polinomio. In questo caso il grado del sistema è il prodotto dei gradi dei polinomi, ed il sistema è non lineare precisamente quando ha grado maggiore di uno. Ad esempio, il sistema seguente ha due equazioni e due incognite, e non è lineare perché ha grado due:

${\displaystyle \left\{{\begin{matrix}2x+y=0\\x^{2}-y=2\end{matrix}}\right.}$

Il sistema seguente ha invece grado quattro:

${\displaystyle \left\{{\begin{matrix}x^{2}-y=0\\xy=1\end{matrix}}\right.}$

Le soluzioni di un sistema polinomiale dipendono fortemente dal campo in cui vengono considerate. Generalmente determinare le soluzioni è impossibile. Teoremi di geometria algebrica (generalizzazioni del teorema di Bézout) garantiscono il fatto seguente:

Il numero di soluzioni (reali o complesse) di un sistema, se finito, non è superiore al grado del sistema.

Nel caso in cui il sistema abbia due variabili, l'insieme delle soluzioni può essere visto geometricamente come il luogo di intersezione fra alcune curve, ciascuna determinata da un'equazione. Nei due esempi descritti, si tratta rispettivamente dell'intersezione di una conica ed una retta e di due coniche.

Questo sistema molto semplice è in realtà una sola equazione in una variabile.

${\displaystyle f(x)=0}$

Il sistema è lineare se e solo se la funzione f è lineare, ovvero della forma f(x) = ax + b con a e b nel dominio opportuno. In tutti gli altri casi il sistema non è lineare, come negli esempi seguenti:

${\displaystyle f(x)=ax^{2},\quad f(x)={\frac {1}{x}},\quad f(x)=e^{x}.}$

In questo caso il sistema è una singola equazione con due variabili

${\displaystyle f(x,y)=0}$

ed è lineare se e solo se la funzione f è esprimibile come f(x, y) = ax + by + c, cioè se è l'equazione di un piano affine. In tutti gli altri casi il sistema è non lineare, ad esempio:

${\displaystyle f(x,y)=xy,\quad f(x,y)=x^{2}+y,f(x,y)=e^{x+y}+1.}$

Un sistema generico con n incognite e m equazioni è esprimibile come:

${\displaystyle \left\{{\begin{matrix}f_{1}(x_{1},...,x_{n})=0\\\vdots \\f_{m}(x_{1},...,x_{n})=0\end{matrix}}\right.}$

o in notazione vettoriale compatta come:

${\displaystyle F(x_{1},\ldots ,x_{n})=0}$

dove stavolta ${\displaystyle 0}$ è il vettore nullo dello spazio vettoriale K^m (dove K è il campo in cui sono studiate le soluzioni, ad esempio R o C) e F è una funzione da Kⁿ in K^m. Un sistema non lineare è, ad esempio:

${\displaystyle \left\{{\begin{matrix}e^{x}+y=0\\\cos x-y=0\end{matrix}}\right.}$

La quasi totalità dei sistemi fisici è non lineare: questo rende la ricerca di soluzioni analitiche molto difficile e a volte impossibile. È solitamente possibile trasformare un problema non lineare in un problema localmente lineare, cioè trovare un sistema lineare che approssima, entro un certo raggio, il sistema non lineare originale.

A questo scopo si utilizzano vari tipi di espansione in serie, in particolare l'espansione in serie di Taylor (e l'analogo multidimensionale) e l'espansione in serie di Fourier. Nella figura a destra si vede l'espansione al primo ordine in serie di Taylor della funzione esponenziale.

• Sistema di equazioni
• Sistema di equazioni lineari
• Sistema di equazioni differenziali

• Wikimedia Commons contiene immagini o altri file su sistema non lineare

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