Решение на момент правки #18315 от , автор igor. Это не текущая версия.

Условие

3.4.9. Точка, совершающая гармонические колебания в двух взаимно перпендикулярных направлениях , , движется по траектории, которая называется фигурой Лиссажу. Докажите, что если частоты колебаний относятся как целые числа, то эта фигура — замкнутая кривая. Какой вид имеет фигура Лиссажу при равных частотах?

Решение

Попробуйте использовать метод «выпрямить кривое», следя отдельно за движением точки по оси и , отражая участки траекторий по этим осям так, чтобы мнимая траектория шла в одном направлении (не накладывалась на себя). Это можно рисовать в сетке с длиной ячейки, кратной амплитуде по соответствующей оси.

Общее доказательство. Пусть частоты по осям и соотносятся соответственно как

где и есть целые числа.

Тогда за однои то же время число колебаний по этим осям соответственно

Если, например, по оси точка совершила колебаний, то по оси она совершила

Пусть есть целое, хотя есть в общем не целое! Если подобрать , где есть целое, то соответственно получим

А (произведение целых) есть целое.

Это значит, что по осям и точки вернулись в начальные фазы одновременно. То есть они оказались в начальной точке. Движение повторяется с теми же начальными условиями по той же кривой.

При равных частотах траектоия точки найдена в задаче б. Это будет эллипс.

Литература

[1] Журнал «Квант».

[2] Башмаков М.И. Беккер Б.М. Гольховой В.М. Задачи по математике: алгебра и анализ. Библиотечка «Квант». 1982.

Ответ

Если , где и — целые числа, то за время точка вернется в свое начальное положение. При траектория точки — эллипс.