В связи с этим вопрос: какие существуют методы нахождения конкретной функции из класса нелинейных зависимостей (МНК подходит далеко не всегда) и где можно про них прочитать.
На самом деле МНК годится не только для поиска линейных зависимостей, это лишь его наиболее простой (и наиболее известный) вариант.
Где почитать... Есть одна чрезвычайно подробная книжка на эту тему: В.С.Губанов, "Обобщенный метод наименьших квадратов. Теория и применение в астрометрии", СПб:Наука, 1997 (ее довольно легко найти в сети). На астрометрическую часть можно внимания не обращать (если только мы с Вами по случайному совпадению не являемся коллегами
), а вот собственно МНК и его обобщения там изложены весьма неплохо, причем с ярко выраженным упором на практическое применение методов.