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ASTERXOR / 探索新知

两个简单运动,画出复杂曲线

一个水平振动、一个竖直振动,就能画出两者单独都没有的回环。

频率比三比二形成的金色李萨如回环曲线。
直接由两个正弦函数绘制的参数曲线。
探索新知ASTERXOR / LEON LEUNG

两种平滑往复运动,怎么会织出交错的曲线?

想象一支笔,水平位置跟随一条正弦波,竖直位置跟随另一条。单独看,两种运动都不复杂,但它们的时序关系决定笔画出直线、椭圆,还是交错的环。李萨如图形把两种节奏的关系变成可见的几何。

曲线记住了两种节奏之间的关系。
TWO AXES

给每条坐标轴一只钟

基本构造让水平位置跟随频率为a的正弦波,竖直位置跟随频率为b的另一条。相位偏移可以把水平波相对竖直波挪动。幅度决定宽高,频率决定所选参数区间里,每个坐标重复多少次。

封面使用x为sin(3t加30度),y为sin(2t)。t从0走到2π时,水平坐标完成三周期,竖直完成两周期。两者始终在−1到1之间,所以整条曲线被限制在已知方框中。

一比一、三比二、五比四共用水平30度相位偏移。
FIG 01一比一、三比二、五比四共用水平30度相位偏移。
A COMMON PERIOD

共同回到起点,曲线才闭合

整数频率拥有共同重复区间。经过2π,两个坐标都回到初值,运动方向也回到初态。曲线闭合,是因为两只钟在同一时刻对齐。脚本测量末点与起点间微小的数值差异,而不是只因图线看起来连上,就假定它闭合。

更一般地,有理频率比具有共同周期。把比例约成最简整数,有助于识别周期。六比四与三比二描出同一族形状,只是在同一参数约定下,行进速度不同。仅数交叉点,不一定能可靠推回频率。

一比一时,零度、45度、90度相位差产生直线、椭圆和圆。
FIG 02一比一时,零度、45度、90度相位差产生直线、椭圆和圆。
PHASE MATTERS

比例不变,相位也能改变图形

一比一时,相同相位使两个坐标相等,得到斜线。幅度相等且错开四分之一周期时,得到圆;中间的相位差则产生椭圆。比较图固定频率与幅度,让形状变化只有一个明确原因。

更高比例下,相位偏移会重排交点,改变某些路径重合的方式。比例相同的两幅图,不必长得一样。因此李萨如图不是一对数字的装饰标签,周期内部的相对时机,也是定义的一部分。

封面把三周期水平坐标与两周期竖直坐标配对。
FIG 03封面把三周期水平坐标与两周期竖直坐标配对。
WITHOUT EXACT RETURN

无理数比例,不会精确重来

如果频率比是无理数,理想振动就没有有限共同周期。路径可以无限接近以前的位置,却不会回到完全相同的整体相位状态。观察时间延长时,它逐渐填入更多允许区域,而不是完成一条永久重复的闭合轨道。

计算机仍使用有限精度,只采样有限区间。看很长的图不能证明无理性,末点几乎闭合也不能证明比例恰好有理。我们的检查只确认所选根号二示例在0到2π这个区间内没有闭合;更一般的结论来自共同周期的数学。

HIDDEN TIME

交点,并不是碰撞

自交点可能表示笔在不同时刻经过同一位置。静态图隐藏了时序,也隐藏速度:即使频率参数固定,两坐标速度变化,合成速度仍会变化。

示波器XY模式用一个输入控制横向偏转,另一个控制纵向偏转,可以显示相关图形。此时图案携带输入信息,但噪声、校准和观察时长都很重要。本文使用精确合成函数,不是仪器测量或电信号诊断。

A DIFFERENT VIEW

简单成分,保存复杂关系

坐标图把两条波分开显示。回环图由它们逐时刻成对的数值构成,不是把两条波加成一条信号。因此最终曲线可以与任一时间曲线都不像,却仍完全由它们决定。

李萨如图是关于表示方式的一个小课:沿时间线难比较的关系,把一个变化量对另一个作图后,可能一眼就清楚。美感来自视角转换,不需要随机性,也没有隐藏绘画指令。

留一个想法带走

复杂的线,并不需要复杂的指令。它只是两只简单的钟,被同时看见。