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Un phénomène est dit non-linéaire s’il évolue selon une équation qui n’est pas celle d’une droite.
La non-linéarité s’oppose à la linéarité.
L’équation peut être de différentes formes comme par exemple y = e^x, y = \ln{x} ou encore y = x^a. L’évolution du phénomène peut également être tellement complexe qu’il n’est pas possible de la représenter par une fonction usuelle.
Les phénomènes non-linéaires sont souvent difficiles à modéliser.