Кіріспе
Математикалық қисық белгілі бір параметрлік теңдеулер жұбынан шығарылады. Лиссажу қисығы /lɪsəʒuː/, сондай-ақ Лиссажу фигурасы немесе Боудич қисығы /baʊdɪtʃ/ деп те аталады, бұл әртүрлі бұрыштық жиіліктері (a және b) бар екі перпендикуляр тербелістің x және y бағыттарындағы суперпозициясын сипаттайтын параметрлік теңдеулер жүйесінің графигі. Бұл қисықтарды 1815 жылы Натаниел Боудич, ал кейін 1857 жылы Жюль Антуан Лиссажус (оның құрметіне аталған) егжей-тегжейлі зерттеді. Мұндай қозғалыстарды күрделі гармоникалық қозғалыстың ерекше түрі деп қарастыруға болады. Фигураның түрі қатынасқа сезімтал. Егер жиіліктер сәйкес келсе (a=b), 1 қатынасы үшін фигура эллипс болады, оның ерекше жағдайларына шеңберлер (A=B=1, радиандармен) және түзулер (δ=0) жатады. Жиіліктердің бірінде шағын өзгеріс болса, x тербелісі бір циклдан кейін y қозғалысымен синхронды болмайды, сондықтан эллипс жабылмауы мүмкін және келесі айналым кезінде эллипстің прецессиясы сияқты біршама жақын қисық сызады. Егер жиіліктер бүтін сан қатынастарында болса, яғни рационалды сан болса, үлгі жабылады. Лиссажудың тағы бір қарапайым фигурасы – парабола (y = x²). Қатынастан 2-ге шағын ауытқу траекторияның жабылмауына әкеледі, бірақ егер қатынас бұрынғыдай рационалды болса ғана бірнеше циклдардан кейін жабылады. Күрделі тығыз үлгілер пайда болуы мүмкін (төменде қараңыз). Мұндай қисықтардың визуалды түрі көбінесе үш өлшемді түйінге ұқсайды, және шын мәнінде көптеген түйіндер, соның ішінде Лиссажу түйіндері деп аталатындар, Лиссажу фигуралары ретінде жазықтыққа проекцияланады. Көрініс бойынша, қатынас фигураның «жапырақшаларының» санын анықтайды. Мысалы, 1/2 немесе 2/1 қатынасы үш негізгі жапырақшасы бар фигураны тудырады (суретті қараңыз). Сол сияқты, 3/2 қатынасы бес көлденең және төрт тік жапырақшасы бар фигураны тудырады. Рационалды қатынастар жабық (жалғасқан) немесе «тұрақты» фигураларды тудырады, ал иррационалды қатынастар айналып тұрғандай көрінетін фигураларды тудырады. Қатынас қисықтың ені мен биіктігінің арақатынасын анықтайды. Мысалы, 2 қатынасы фигураның биіктігінен екі есе кең болатынын көрсетеді. Соңында, δ мәні фигураның үш өлшемді қисық сияқты қарастырылғандағы «бұрылу» бұрышын анықтайды. Мысалы, δ=0 болса, x және y компоненттері дәл фазада болады, сондықтан алынған фигура тура көру бұрышынан (0°) қарағанда үш өлшемді фигура сияқты көрінеді. Керісінше, кез келген нөлдік емес δ фигураның солға-оңға немесе жоғары-төменге бұрылғандай көрінуіне әкеледі (қатынасқа байланысты). Лиссажу фигураларында a=1 және b=N (N – натурал сан) болса, олар N дәрежелі бірінші түріндегі Чебышев полиномдары болып табылады. Бұл қасиет Падуа нүктелері деп аталатын нүктелер жиынтығын құру үшін пайдаланылады, онда функцияны [−1,1] × [−1,1] доменіндегі функцияның екі өтімді интерполяциясын немесе квадратурасын есептеу үшін үлгі алуға болады. Кейбір Лиссажу қисықтарының Чебышев полиномдарымен байланысы, егер оларды тудыратын Лиссажу қисығын синус функцияларының орнына косинус функцияларын қолдану арқылы көрсетілсе, жақсы түсініледі.
A Lissajous curve '/l//ɪ//s//ə//ʒ//uː/, also known as Lissajous figure or Bowditch curve '/b//aʊ//d//ɪ//tʃ/, is the graph of a system of parametric equations
which describe the superposition of two perpendicular oscillations in x and y directions of different angular frequency (a and b). The resulting family of curves was investigated by Nathaniel Bowditch in 1815, and later in more detail in 1857 by Jules Antoine Lissajous (for whom it has been named). Such motions may be considered as a particular kind of complex harmonic motion. The appearance of the figure is sensitive to the ratio For a ratio of 1, when the frequencies match a=b, the figure is an ellipse, with special cases including circles (1=A = B, radians) and lines (1=δ = 0). A small change to one of the frequencies will mean the x oscillation after one cycle will be slightly out of synchronization with the y motion and so the ellipse will fail to close and trace a curve slightly adjacent during the next orbit showing as a precession of the ellipse. The pattern closes if the frequencies are whole number ratios i. e. is rational. Another simple Lissajous figure is the parabola (, ). Again a small shift of one frequency from the ratio 2 will result in the trace not closing but performing multiple loops successively shifted only closing if the ratio is rational as before. A complex dense pattern may form see below. The visual form of such curves is often suggestive of a three dimensional knot, and indeed many kinds of knots, including those known as Lissajous knots, project to the plane as Lissajous figures. Visually, the ratio determines the number of "lobes" of the figure. For example, a ratio of or produces a figure with three major lobes (see image). Similarly, a ratio of produces a figure with five horizontal lobes and four vertical lobes. Rational ratios produce closed (connected) or "still" figures, while irrational ratios produce figures that appear to rotate. The ratio determines the relative width to height ratio of the curve. For example, a ratio of produces a figure that is twice as wide as it is high. Finally, the value of δ determines the apparent "rotation" angle of the figure, viewed as if it were actually a three dimensional curve. For example, 1=δ = 0 produces x and y components that are exactly in phase, so the resulting figure appears as an apparent three dimensional figure viewed from straight on (0°). In contrast, any non zero δ produces a figure that appears to be rotated, either as a left–right or an up–down rotation (depending on the ratio ). Lissajous figures where 1=a = 1, 1=b = N (N is a natural number) and
are Chebyshev polynomials of the first kind of degree N. This property is exploited to produce a set of points, called Padua points, at which a function may be sampled in order to compute either a bivariate interpolation or quadrature of the function over the domain [−1,1] × [−1,1]. The relation of some Lissajous curves to Chebyshev polynomials is clearer to understand if the Lissajous curve which generates each of them is expressed using cosine functions rather than sine functions.
Мысалдар
Анимация қисыққа бейімделуді 0-ден 1-ге дейін 0,01 қадаммен (1=δ = 0) үздіксіз өсетін бөлшек арқылы көрсетеді. Төменде тақ жаратылыс саны a, жұп жаратылыс саны b және болатын Лиссажу фигураларының мысалдары келтірілген.
Ұрпақ
Қазіргі заманғы электрондық құралдар пайда болғанға дейін Лиссажу қисықтарын механикалық түрде гармонограф көмегімен жасауға болар еді.
Іс жүзінде қолдану
Лиссажу қисықтарын осциллоскоп арқылы да жасауға болады (суретте көрсетілгендей). Октопус схемасы осциллоскопта толқын пішіндерінің бейнелерін көрсету үшін қолданылуы мүмкін. Екі фазалық түрлендірілген синусоидалық сигналдар осциллоскопқа X-Y режимінде беріледі және сигналдар арасындағы фазалық қатынас Лиссажу фигурасы түрінде көрсетіледі. Кәсіби аудио саласында бұл әдіс стерео аудио сигналының сол және оң арналары арасындағы фазалық қатынасты нақты уақыт режимінде талдау үшін қолданылады. Ірі, күрделі аудио микшерлік консольдерде осы мақсатта осциллоскоп орнатылуы мүмкін. Оциллоскопта x – CH1, y – CH2, A – CH1 амплитудасы, B – CH2 амплитудасы, a – CH1 жиілігі, b – CH2 жиілігі деп есептейміз, сонымен қатар бұл екі арнаның жиіліктерінің қатынасы, ал δ – CH1 фазалық ығысуы. 1=a = 1, 1=b = 2 жағдайында Лиссажу қисығының таза механикалық қолданылуы 1900 жылдардың ортасында теміржолдарда танымал болған Марс-жарық типіндегі тербелісті сәулелі шамдардың жетектеу механизмінде кездеседі. Кейбір үлгілерде сәуле бүйір жағында қисайған 8-дік пішіндес үлгі жасайды.
Қажет болған жағдайда
LTI жүйесіне берілген сигнал синусоидты болса, шығыс та синусоидты болады, бірақ оның амплитудасы өзгеше болуы мүмкін және фазалық ығысу болуы да мүмкін. Осциллографты пайдаланып, бір сигналды екіншісіне (уақытқа қатысты емес) салыстырып, LTI жүйесінің кірісіне қатысты шығысын көрсеткенде, 1 = a = b жағдайында Лиссажу фигурасы болатын эллипс пайда болады. Пайда болған эллипстің қатынасы кіріс және шығыс арасындағы фазалық ығысуға байланысты, қатынасы 1 (мүмікін ең толық шеңбер) ±90° фазалық ығысуға, ал қатынасы ∞ (түзу сызық) 0° немесе 180° фазалық ығысуға сәйкес келеді. Төмендегі сурет әртүрлі фазалық ығысуларға қарай Лиссажу фигурасының қалай өзгеретінін көрсетеді. Фазалық ығысулардың бәрі теріс, себебі себептік LTI жүйесімен кідіріс семантикасын қолдануға болады (ескеріңіз, -270° +90°-қа тең). Жебелер Лиссажу фигурасының айналу бағытын көрсетеді.
Инженерлік салада
Лиссажу қисығы құрылғының мемристор ретінде дұрыс жіктелуін анықтау үшін тәжірибелік сынақтарда қолданылады. Ол сондай-ақ екі түрлі электр сигналын – белгілі эталондық сигналды және тексерілетін сигналды – салыстыру үшін де пайдаланылады.
Кинодағы рөлдері
Лиссажу фигуралары кейде 1960-1970 жылдары ғылыми-фантастикалық телешоулар мен фильмдердегі жоғары технологиялық жабдықты бейнелеу үшін қолданылатын осциллографтарда көрсетілетін. Альфред Хичкоктың 1958 жылғы "Vertigo" көркем фильмінің титрлерін Джон Уитни Лиссажу фигураларының негізінде жасаған.
Қазіргі заманғы өнерде
Дадаизм суретшісі Макс Эрнст Лиссажу фигураларын бояумен толтырылған, тесігі бар шелекпен матаның үстінен шайқап, тікелей салған.
Музыкалық білім беруде
Лиссажу қисықтары бұрын гармограф арқылы музыкалық интервалдарды графикалық түрде көрсету үшін қолданылған, гармограф – әртүрлі жиілік қатынастарында тербелісетін маятниктерден тұратын құрал. Әртүрлі музыкалық жүйелер интервалдарды анықтау үшін әртүрлі жиілік қатынастарын пайдаланады, сондықтан оларды Лиссажу қисықтарын қолдану арқылы салыстырып, айырмашылықтарын байқауға болады. Осылайша, Лиссажу қисықтары музыка білімінде интервалдар мен музыкалық жүйелер арасындағы айырмашылықтарды графикалық түрде көрсетуге мүмкіндік береді.