第十次作业参考答案

原创 TsinghuaJoking 2023-05-13 07:52
  • 信号与系统 2023(春季) 作业要求 - 第10次作业[1]

01 础练习

一、Laplace反变换

1、必做题

  (1)

  (2)

  (3)

  (4)

  (5)

  (6)

  在这里先给出答案,反变换结果如下:

  上面的答案,是利用了 Python Laplace 反变换给出的结果。下面给出手工求解过程。利用因式分解 方法进行 Laplace 反变换。根据给定的 Laplace 变换的分母多项式来看, 它存在一阶和二阶多项式, 所以可以将其分解成一阶有理分式和二阶有理分式的相加。下面给出带有待定系数的分解结果:

  其中包括有   三个待定系数。下面将上述方程右边进行合并,

  然后对比左右两个表达式分子多项式, 利用多项式系数匹配方法,求解  

  求解可得:

  因此,因式分解后的表达式为:

  对照常用信号 Laplace 变换表格中的 指数、正弦、余弦信号的 Laplace 变换结果, 便可以写出对应的时域信号了。

  (7)

2、选做题

  (1)

  (2)

  (3)

  (4)

  (5)

  (7)

  (8)

  对于 Laplace 变换表达式进行因式分解:

  所以,对应的 Laplace 反变换结果为:

  (9)

  根据 Laplace 变换公式:

  两边同时对于 s 求导:

  于是,得到 Laplace 变换 s 域 微分性质:

  对于本小题,

  根据前面得到的 Laplace 变换 s 域微分性质:

所以:

对应的 MATLAB 求解命令如下:

二、Z反变换

1、必做题

  (1)

  (2)

  (3)

  (4)

  根据 z 变换的收敛域, 对应的序列为 左边序列:

  (5)

  根据 z 变换的收敛域, 对应的序列为右边序列:

  (6)

  对表达式进行因式分解:

  然后根据 z 变换的收敛域,写出对应的序列的表达式:

  (7)

  对于表达式进行 因式分解:

  根据 z 变换的收敛域,写出对应的右边序列的表达式:

2、选做题

(1)求解 z 逆变换

  (1)

  (2)

  (3)

  (4)

  根据 z 变换的收敛域判断序列为右边序列,写出时域序列表达式:

  (5)

  根据正弦、余弦单边序列的 z 变换公式:

  将   分别成对应的有理分式:

  写出对应的右边序列的表达式:

(2)利用三种方法求解

  利用三种方法求解下面的 的逆变换  

  • 方法1:围线积分(柳树方法)

根据 z 变换的收敛域   可知序列为双边序列。在收敛域内设置逆时针围线积分路径。根据 z 反变换公式,在   时, 围线积分内只有   一阶极点。

  当   时,在围线积分内包括有   的一阶极点以及   处的高阶极点。在围线积分之外,只有   一阶极点。所以

  综上所述,可得:

  • 方法2:因式分解方法

  对 z 变换进行因式分解:

  根据 z 变换的收敛域, 分别写出上面两个分解因式对应的时域序列:

  • 方法3:长除方法

  长除方法适合于单边序列。由于本题中 z 变换收敛域为一个圆环,所以需要将表达式进行因式分解,分别对左边序列和 右边序列分别使用长除方法获得序列的表达式。从这一点来看, 本题的长除方法与前面的因式分解方法很像。

  对于右边序列因式使用长除方法进行展开:

  归纳出序列右边序列的表达式:

  对于左边序列使用长除方法进行展开:

  归纳出序列左侧序列的表达式: 

  合并以上两步的结论,可以得到:

三、Laplace变换性质

1、利用Laplace性质求Laplace变换

  (1) 利用 Laplace 变换 s 域微分性质

  (2) 利用 Laplace 变换 s 域平移性质

  (3) 利用 Laplace的时移特性

  (4)

▲ 图1.3.1 右边周期信号


  对于信号单个周期内 信号求解它对应的 Laplace变换。对它求导,得到如下波形:

▲ 图1.3.2 信号单个周期导数信号


  根据 Laplace 变换时移特性,可以写出该信号对应的 Laplace 变换。

  那么根据 Laplace 变换的微分、积分定理, 原信号单个周期信号的 Laplace 变换为:

  那么, 右边周期信号的 Laplace 变换为:

  (5)

▲ 图1.3.3 右边周期脉冲信号


  单个周期信号的 Laplace 变换为:

  那么,周期信号的 Laplace 变换为:

2、求信号的初值和终值

  (1)

  根据信号的表达式判断它满足终值存在条件, 根据 Laplace  初值和终值定理可得:

  (2)

  信号的初值为:

  根据信号的表达式判断它不满足终值存在条件, 因为它具有两个位于虚轴上的共轭极点。所以信号终值不存在。

  (3)

  先 使用长除方法, 将原 Laplace 有理分式拆分成一个常量和一个真分式:

  根据其中的真分式计算信号的初值与终值:

  (4)

  由于信号的 Laplace 变换中包括有   ,所以它可以看成   往右平移时间 1 所形成的信号。由此可以判断该信号的初值  

  由于该信号包括位于 s 复平面 虚轴右侧极点,以及位于原点的二阶极点, 所以该信号的终值不存在。

参考资料

[1]

信号与系统 2023(春季) 作业要求 - 第10次作业: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/130410200


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