Введение

Математическая кривая, выводимая из конкретной пары параметрических уравнений. Кривая Лиссажу, также известная как фигура Лиссажу или кривая Боудича, представляет собой график системы параметрических уравнений, описывающих суперпозицию двух перпендикулярных колебаний в направлениях x и y с различными угловыми частотами (a и b). Семейство этих кривых было исследовано Натаниэлем Боудичем в 1815 году, а позднее, в 1857 году, более детально изучено Жюлем Антуаном Лиссажу (в честь которого она и получила своё название). Подобные движения можно рассматривать как частный случай сложного гармонического движения. Внешний вид фигуры чувствителен к соотношению между частотами. При соотношении 1, когда частоты равны (a=b), фигура представляет собой эллипс, с частными случаями, включающими окружности (a=b=1, радианы) и линии (δ=0). Незначительное изменение одной из частот приведет к тому, что колебание по оси x после одного цикла будет немного рассинхронизировано с движением по оси y, и эллипс не сможет замкнуться, описывая кривую, слегка смещенную во время следующего оборота, что будет проявляться как прецессия эллипса. Рисунок замыкается, если частоты находятся в рациональном отношении, то есть являются отношением целых чисел. Другой простой пример фигуры Лиссажу – парабола (x = a*cos(t), y = b*sin(t)). Небольшое отклонение одной из частот от соотношения 2 также приведет к тому, что траектория не будет замкнутой, а будет выполнять несколько последовательно смещенных петель, замыкаясь только при рациональном соотношении частот. Может формироваться сложный плотный узор (см. ниже). Визуальная форма этих кривых часто напоминает трехмерный узел, и действительно, многие виды узлов, включая узлы Лиссажу, проецируются на плоскость в виде фигур Лиссажу. Визуально соотношение a/b определяет количество "лепестков" фигуры. Например, соотношение 2/1 или 3/1 создает фигуру с тремя основными лепестками (см. изображение). Аналогично, соотношение 5/2 создает фигуру с пятью горизонтальными и четырьмя вертикальными лепестками. Рациональные соотношения приводят к замкнутым (связным) или "статичным" фигурам, в то время как иррациональные соотношения создают фигуры, которые кажутся вращающимися. Соотношение a/b определяет относительное соотношение ширины к высоте кривой. Например, соотношение 2/1 создает фигуру, которая в два раза шире, чем высока. Наконец, значение δ определяет кажущийся угол "вращения" фигуры, если рассматривать её как трехмерную кривую. Например, δ=0 приводит к тому, что компоненты x и y находятся точно в фазе, и полученная фигура выглядит как трехмерная фигура, видимая прямо (0°). Напротив, любое ненулевое значение δ создает фигуру, которая кажется повернутой, либо влево-вправо, либо вверх-вниз (в зависимости от соотношения a/b). Фигуры Лиссажу, где a=1 и b=N (N – натуральное число), являются полиномами Чебышева первого рода степени N. Это свойство используется для получения набора точек, называемых точками Падуи, в которых функция может быть дискретизирована для вычисления либо бивариантной интерполяции, либо квадратуры функции в области [−1,1] × [−1,1]. Связь некоторых кривых Лиссажу с полиномами Чебышева становится более понятной, если кривая Лиссажу, генерирующая их, выражена с использованием функций косинуса, а не синуса.

Примеры

Анимация демонстрирует адаптацию кривой с непрерывно возрастающей долей от 0 до 1 с шагом 0.01 (1=δ = 0). Ниже приведены примеры фигур Лиссажу с нечётным натуральным числом *a*, чётным натуральным числом *b* и .

Поколение

До появления современного электронного оборудования кривые Лиссажу можно было получать механически с помощью гармонографа.

Практическое применение

Лиссажу́вские кривые также могут быть сгенерированы с помощью осциллографа (как показано на иллюстрации). Для демонстрации формы сигнала на осциллографе можно использовать схему «осьминог». Два фазосдвинутых синусоидальных сигнала подаются на осциллограф в режиме X-Y, а фазовое соотношение между сигналами отображается в виде фигуры Лиссажу. В профессиональной аудиоиндустрии этот метод используется для анализа фазового соотношения между левым и правым каналами стереосигнала в реальном времени. На больших, более сложных аудиомикшерах для этой цели может быть встроен осциллограф. На осциллографе будем считать, что x соответствует каналу CH1, а y – каналу CH2, A – амплитуда CH1, B – амплитуда CH2, a – частота CH1, b – частота CH2, таким образом, – это отношение частот двух каналов, а δ – фазовый сдвиг CH1. Примером чисто механического применения кривой Лиссажу, где a = 1 и b = 2, является привод осциллирующих ламп типа "Mars Light", которые были популярны на железных дорогах в середине 1900-х годов. В некоторых конструкциях луч прочерчивает асимметричную восьмёрку на боку.

Заявление в случае

Когда входной сигнал LTI-системы является синусоидальным, выходной сигнал также будет синусоидальным с той же частотой, но может иметь другую амплитуду и фазовый сдвиг. Использование осциллографа, способного отображать один сигнал относительно другого (в отличие от отображения сигнала во времени), для построения графика выходного сигнала LTI-системы в зависимости от её входного сигнала, позволяет получить эллипс, который является фигурой Лиссажу, в частном случае, когда a = b = 1. Отношение сторон полученного эллипса является функцией фазового сдвига между входным и выходным сигналами: отношение сторон, равное 1 (окружность), соответствует фазовому сдвигу ±90°, а отношение сторон, равное ∞ (линия), – фазовому сдвигу 0° или 180°. На рисунке ниже показано, как изменяется фигура Лиссажу в зависимости от различных фазовых сдвигов. Все фазовые сдвиги отрицательные, чтобы обеспечить семантику задержки для причинной LTI-системы (следует отметить, что -270° эквивалентно +90°). Стрелки указывают направление вращения фигуры Лиссажу.

В машиностроении

Кривая Лиссажу используется в экспериментальных испытаниях для определения, можно ли корректно классифицировать устройство как мемристор. Она также применяется для сравнения двух различных электрических сигналов: известного опорного сигнала и сигнала, подлежащего проверке.

В кино

Лиссажу́ские фигуры иногда отображались на осциллографах, использовавшихся для имитации высокотехнологичного оборудования в научно-фантастических телешоу и фильмах 1960-х и 1970-х годов. Начальная заставка, созданная Джоном Уитни для художественного фильма Альфреда Хичкока «Головокружение» 1958 года, основана на фигурах Лиссажу.

В современном искусстве

Дадаистский художник Макс Эрнст создавал фигуры Лиссажу непосредственно, раскачивая проколотое ведро с краской над холстом.

В музыкальном образовании

Лиссажу́ские кривы́е использова́лись впро́шлом для графи́ческого изображе́ния музыка́льных интерва́лов с по́мощью гармоногра́фа — у́стройства, состоя́щего из маятни́ков, колеблю́щихся с разли́чными отноше́ниями часто́т. Поскольку разли́чные систе́мы стро́я испо́льзуют разли́чные отноше́ния часто́т для определе́ния интерва́лов, их мо́жно сравнить́, испо́льзуя кривы́е Лиссажу́, чтобы наблюда́ть их различие́я. Следова́тельно, кривы́е Лиссажу́ нахо́дят примене́ние в музыка́льном образова́нии, графи́чески отобража́я различие́я между́ интервала́ми и систе́мами стро́я.