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.
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.
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.