信号与系统第十一次作业参考答案
※ 第一题
利用三种逆变方法求下列
X(z)的逆变换
x[n]。
X(z)=(z−1)(z−2)10z,(∣z∣>2)
■ 求解:
方法1:围线积分方法:
因为
∣z∣>2,所以信号为右边序列。
x[n]=2πj1C∮X(z)⋅zn−1dz=2πj1C∮(z−1)(z−2)10zndz
x[n]=m∑Res[(z−1)(z−2)10zn]z=zm
Res[(z−1)(z−2)10zn]z=1=−10
Res[(z−1)(z−2)10zn]z=2=10⋅2n
x[n]=[−10+10⋅2n]⋅u[n]
方法2:长除法:
x[n]=10z−1+30z−2+70z−3+⋯
=10(2n−1)⋅u[n]
>> deconv([10,0,0,0,0,0,0,0,0],[1,-3,2])'
ans=10 30 70 150 310 630 1270
方法3:部分因式分解法:
zX(z)=(z−1)(z−2)10=z−1−10+z−210
X(z)=z−1−10z+z−210z
x[n]=−10⋅u[n]+10⋅2nu[n]
使用MATLAB对应的变换命令:
>>iztrans(10*z/(z-1)/(z-2))
ans=10*2^n-10
※ 第二题
求下列
X(z)的逆变换
x[n]:
(1)
X(z)=(1−0.5z−1)(1−0.25z−1)10(∣z∣>0.5)
(2)
X(z)=(z−1)(z+1)10z2(∣z∣>1)
(3)
X(z)=1−2z−1cosω+z−21+z−1(∣z∣>1)
■ 求解:
(1)求解:
zX(z)=(z−0.5)(z−0.25)10z=z−0.520+z−0.25−10
X(z)=z−0.520z+z−0.25−10z
∣z∣>0.5
x[n]=[20⋅(0.5)n−10⋅(0.25)n]⋅u[n]
>>iztrans(10/(1-0.5/z)/(1-0.25/z))'
ans=20*(1/2)^n-10*(1/4)^n
(2)求解:
zX(z)=(z−1)(z+1)10z=z−15+z+15
X(z)=z−15z+z+15z
∣z∣>1
x[n]=5⋅[1+(−1)n]⋅u[n]
>>iztrans(10*z*z/(z-1)/(z+1))'
ans=5*(-1)^n+5
(3)求解: 根据正弦、余弦单边序列的z变换:
Z[cos(ω0n)u[n]]=z2−2zcosω0+1z(z−cosω0)
Z[sin(ω0n)u[n]]=z2−2zcosω0+1zsinω0
X(z)=z2−2zcosω+1z2+z
=z2−2zcosω+1z(z−cosω)+sinω1+cosωz2−2zcosω+1zsinω
x[n]=(cosωn+sinω1+cosωsinωn)⋅u[n]
=sinωsin(nω)+sin(n+1)ω⋅u[n]
>>iztrans((1+1/z)/(1-2*z^-1*cos(w)+z^-2))'
ans=(sin(n*w)*(cos(w)+1))/sin(w)-(cos(n*w)*(cos(w)+1))/cos(w)+(cos(n*w)*(2*cos(w)+1))/cos(w)
>>iztrans((z*z+z)/(z*z-2*z*cos(w)+1))'
ans=(sin(n*w)*(cos(w)+1))/sin(w)-(cos(n*w)*(cos(w)+1))/cos(w)+(cos(n*w)*(2*cos(w)+1))/cos(w)
sinωsinnω(cosω+1)−cosωcosnω(cosω+1)+cosωcosnω(2cos+1)
sinω⋅cosω(sinnω⋅cosω−sinω⋅cosnω)⋅(cosω+1)+sinω⋅cosnω⋅(2cosω+1)
※ 第三题
求下面两个函数的拉普拉斯变换:
■ 求解:
(a)求解:
f1(t)=(1−t)[u(t)−u(t−1)]
F1(s)=∫01(1−t)⋅e−stdt=s2e−s+s−1
F(s)=1−e−sF1(s)=(1−e−s)⋅s2e−s+s−1=−s21+s(1−e−s)1
(b)求解:
f1(t)=δ(t)−δ(t−21)
F1(s)=∫01f1(t)e−stdt=1−e−21s
F(s)=1−e−sF1(s)=1−e−s1−e−21s=1+e−2s1
>>laplace((1-t)*(heaviside(t)-heaviside(t-1)))'
ans=(exp(-s)*(s*exp(s)-exp(s)+1))/s^2
※ 第四题
已知下列
X(s),求各自的拉普拉斯反变换的初值和终值:
(1)
(s+4)(s+5)s+3
(2)
(s+1)(s2+4)2s2+2s+3
(3)
(s+1)2(s+2)s+4
(4)
s2(s−2)4e−s
■ 求解:
(1)求解:
x(0+)=1,x(∞)=0
>>ilaplace((s+3)/(s+4)/(s+5))'
ans=2*exp(-5*t)-exp(-4*t)
(2)求解:
x(0+)=0,x(∞)=0
>>ilaplace((s+4)/((s+1)^2*(s+2)))'
ans= 2*exp(-2*t)-2*exp(-t)+3*t*exp(-t)
(3)求解:
x(0+)=2,x(∞)=不存在
>>ilaplace((2*s*s+2*s+3)/((s+1)*(s*s+4)))'
ans=(7*cos(2*t))/5 +(3*exp(-t))/5 +(3*sin(2*t))/10
(4)求解:
x(0+)=0,x(∞)=不存在
>>ilaplace(exp(-s)/((s*s*(s-2).^4)))'
ans=heaviside(t-1)*(t/16 -exp(2*t-2)/8 -(exp(2*t-2)*(t-1)^2)/8 +(exp(2*t-2)*(t-1)^3)/24 +(3*exp(2*t-2)*(t-1))/16 +1/16)
※ 第五题
求下列函数的拉普拉斯变换:
(1)
(1−e−at)⋅u(t)
(2)
(sint+2cost)⋅u(t)
(3)
t⋅e−2t⋅u(t)
(4)
e−tu(t−2)
■ 求解:
这里给出了完整版本的答案:
(1)解答:
L[1−e−at]=L[1]−L[e−at]=s1−s+a1
>>laplace(1-exp(-a*t))'
ans=1/s-1/(a+s)
(2) 解答:
L[sint+2cost]=s2+12s+s2+11=s2+12s+1
>>laplace(sin(t)+2*cos(t))'
ans=(2*s)/(s^2 +1)+1/(s^2 +1)
(3)解答:
L[t⋅e−2t]=−dsdL[e−2t]=−dsd(s+21)=(s+2)21
>>laplace(t*exp(-2*t))'
ans=1/(s+2)^2
(4)解答:
L[e−t⋅u(t−2)]=e−2L[e−(t−2)⋅u(t−2)]=e−2⋅e−2s⋅s+11
>>laplace(exp(-t)*heaviside(t-2))'
ans=(exp(-2*s)*exp(-2))/(s+1)
(5)解答:
L[e−t⋅sin(2t)]=L[sin(2t)]∣s→s+1=(s2+4)2∣∣∣∣s→s+1=(s+1)2+42
>>laplace(exp(-t)*sin(2*t))'
ans=2/((s+1)^2 +4)
(6)解答:
L[(1+2t)⋅e−t]=L[1+2t]∣s→s+1=(s1+s22)∣∣∣∣s→s+1=s+11+(s+1)22
>>laplace((1+2*t)*exp(-t))'
ans=(2*(s/2 +3/2))/(s+1)^2
(7)解答:
L[cos(at)]=s2+a2s
L{[1−cos(at)]⋅e−bt}=L[1−cos(at)]∣s→s+b=s+b1−(s+b)2+a2s+b
>>laplace(cos(a*t))'
ans=s/(a^2 +s^2)
>>laplace((1-cos(a*t))*exp(-b*t))'
ans=1/(b+s)-(b+s)/((b+s)^2 +a^2)
(8)解答:
L[t2+2t]=s22+s32
>>laplace(t*t+2*t)'
ans=2/s^2 +2/s^3
(9)解答:
L[2δ(t)−3e−7t]=2−s+73
>>laplace(2*dirac(t)-3*exp(-7*t))'
ans=2 -3/(s+7)
(10)解答:
L[e−at⋅sin(bt)]=(s+a)2+b2b
>>laplace(exp(-a*t)*sin(b*t))'
ans=b/((a+s)^2 +b^2)
(11)解答:
cos2(Ωt)=21[1+cos(2Ωt)]
L[cos2(Ωt)]=L[21(1+cos(2Ωt))]=s(s2+4Ω2)s2+2Ω2
>>laplace(cos(w*t).^2)'
ans=(s^2 +2*w^2)/(s*(s^2 +4*w^2))
(12)解答:
L[e−(t+a)⋅cos(ωt)]=e−a{L[e−t⋅cos(ωt)]}=e−a⋅L[cos(ωt)]∣s→s+1=(s+1)2+ω2e−a⋅(s+1)
>>laplace(exp(-(t+a))*cos(w*t))'
ans=(s+1)/(exp(a)*s^2 +2*exp(a)*s+exp(a)*w^2 +exp(a))
(13)解答:
L[b−a1(e−at−ebt)]=b−as+a1−s−b1=s2+(a−b)s−aba−ba+b
>>laplace((exp(-a*t)-exp(b*t))/(b-a))'
ans=-(1/(a+s)+1/(b-s))/(a-b)
(14)解答:
L[b−a1(e−at−e−bt)]=b−as+a1−s+b1=(s+a)(s+b)1
>>laplace((exp(-a*t)-exp(-b*t))/(b-a))'
ans=-(1/(a+s)-1/(b+s))/(a-b)
※ 第六题
已知因果序列
x[n]的z变换
X(z),求序列的初值
x[n]与终值
x[∞]。
(1)
X(z)=(1−z−1)⋅(1−2z−1)1+z−1+z−2
(2)
X(z)=(1−0.5z−1)(1+0.5z−1)1
(3)
X(z)=1−1.5z−1+0.5z−2z−1
(4)
X(z)=(z−1)(z−0.5)(z−0.2)z4
■ 求解:
(1)解答:
X(z)=(1−z−1)⋅(1−2z−1)1+z−1+z−2
x[0]=X(∞)=1
由于存在极点位于2,处于单位圆外,所以
x[∞]不存在。
>>iztrans((1+1/z+1/z/z)/((1-1/z)*(1-2/z)))'
ans=(7*2^n)/2 +kroneckerDelta(n,0)/2 -3
(2)解答:
X(z)=(1−0.5z−1)(1+0.5z−1)1
x[0]=X(∞)=1
x[∞]=z→1lim(1−0.5z−1)(1+0.5z−1)z−1=0
>>iztrans(1/((1-0.5/z)*(1+0.5/z)))'
ans=(-1/2)^n/2 +(1/2)^n/2
(3)解答:
X(z)=1−1.5z−1+0.5z−2z−1
x[0]=X(∞)=0
x[∞]=z→1lim1−1.5z−1+0.5z−2z−1(z−1)=z→1limz−0.5z=2
>>iztrans(1/z/(1-1.5/z+0.5/z/z))'
ans=2 -2*(1/2)^n
(4)解答:
X(z)=(z−1)(z−0.5)(z−0.2)z4
X(z)=z3−1.7z2+0.8z−0.1z4=z+z31.7z3−0.8z2+0.1z
x[0]=z→∞limz31.7z3−0.8z2+0.1z=1.7
x[∞]=z→1lim(z−1)(z−0.5)(z−0.2)z4(z−1)=0.5∗0.81=2.5
>>iztrans(z^4/((z-1)*(z-0.5)*(z-0.2)))'
ans=(1/5)^n/30 -(5*(1/2)^n)/6 +iztrans(z,z,n)+5/2
※ 第七题
利用z变换的性质求以下序列的z变换,表明收敛域:
(1)
x1[n]=(−2)nn⋅u[n]
(2)
x2[n]=(n−1)⋅u[n]
(3)
x3[n]=nan−1⋅u[n]
(4)
x4[n]=2n⋅k=0∑∞(−2)k⋅u[n−k]
(5)
x5[n]=n+2an⋅u[n+1]
(6)
x6[n]=(31)n.cos(2nπ)⋅u[n]
■ 求解:
(1)求解:
x1[n]=(−2)nn⋅u[n]
Z{(−2)n}=z+2z
Z{x[n]⋅n}=−zdzdX(z)
Z{(−2)n⋅n}=−zdzdz+2z=(z+2)2−2z
>> ztrans((-2)^n*n)'
ans = -(2*z)/(z + 2)^2
(2)求解:
x2[n]=(n−1)⋅u[n]
Z{n⋅u[n]}=−zdzdz−1z=(z−1)2z
Z{n⋅u[n]}=−zdzdz−1z=(z−1)2z
Z{(n−1)⋅u[n]}=(z−1)2z−z−1z=(z−1)2−z2+2z
>> ztrans((n-1))'
ans = z/(z - 1)^2 - z/(z - 1)
(3)求解:
x3[n]=nan−1⋅u[n]
Z{an⋅u[n]}=z−az
Z{n⋅an⋅u[n]}=−zdzdz−az=(z−a)2az
Z{n⋅an−1⋅u[n]}=dzdz−az=(z−a)2z
>> ztrans(n*a^(n-1))'
ans = z/(a - z)^2
(4)求解:
x4[n]=2n⋅k=0∑∞(−2)k⋅u[n−k]
Z{(−2)n⋅u[n]}=z+2z
Z{u[n]}=z−1z
Z{(−2)ku[n]∗u[n]}=z+2z⋅z−1z=(z+2)(z−1)z2
Z{2n⋅(−2)ku[n]∗u[n]}=(2z+2)(2z−1)(2z)2=(z+4)(z−2)z2
(5)求解:
x5[n]=n+2an⋅u[n+1]
Z{n+11⋅u[n]}=z⋅lnz−1z
Z{n+21⋅u[n+1]}=z2lnz−1z
Z{n+2an⋅u[n+1]}=(az)2lnaz−1az=a2z2lnz−az
Z{n+2an⋅u[n+1]}=Z{n+2an⋅u[n]+a−1δ[−1]}=a2−z2[ln(zz−a)+za]−az=a2−z2ln(zz−a)=a2z2ln(z−az)
(6)求解:
x6[n]=(31)n.cos(2nπ)⋅u[n]
Z{cos(nω)}=z2−2cosω⋅z+1z(z−cosω)
Z{cos(2nπ)}=z2+1z2
Z{(31)ncos(2nπ)}=(3z)2+1(3z)2=9z2+19z2
>>ztrans((1/3).^n*cos(n*pi/2))'
ans=(9*z^2)/(9*z^2 +1)
※ 第八题
利用z变换的性质求以下序列的卷积,已知:
(1)
x[n]=an−1⋅u[n−1],h[n]=u[n]
(2)
x[n]=2u[n−1],h[n]=k=0∑∞(−1)kδ[n−k]
■ 求解:
(1)求解:
序列
x[n],h[n]的z变换分别是:
X(z)=z−az⋅z−1=z−a1,H(z)=z−1z
根据z变换的卷积定理,
y[n]=x[n]∗h[z],那么序列
y[n]的z变换为:
Y(z)=H(z)⋅X(z)=z−a1⋅z−1z=z−aa−11z+z−11−a1z
则:
y[n]=1−a1u[n]−1−a1an⋅u[n]
(2)求解:
序列
x[n],h[n]的z变换分别是:
X(z)=z−12
h[n]=k=0∑∞(−1)kδ[n−k]=(−1)n⋅u[n]
H(z)=z+1z
那么,根据z变换的卷积定理,
y[n]=x[n]∗h[n]对应的z变换为:
Y(z)=X(z)⋅H(z)=z−12⋅z+1z=z−1z+z+1−z
则:
y[n]=u[n]−(−1)n⋅u[n]
※ 第九题
已知
X(z)和
H(z)如下面所示,利用z域的卷积定理求
Z{x[n]⋅h[n]}。
(1)
X(z)=1−21z−11,∣z∣>0.5;H(z)=1−2z1,∣z∣<0.5
(2)
X(z)=z−e−bz,∣z∣>e−b;H(z)=z2−2zcosω0+1z⋅sinω0,∣z∣>1
■ 求解:
(1)解答:
Z{x[n]⋅h[n]}=2πj1⋅∮CX(v)⋅H(vz)⋅v−1dv
=2πj1⋅∮C1−21v−11⋅1−2vz1v−1dv
=2πj1⋅∮C(v−21)(v−2z)vdv
根据
X(z),H(z)的收敛域,可知:
∣v∣>0.5,∣∣vz∣∣<0.5。
所以上述积分函数包含的极点为:
21,2z。
Z{x[n]⋅h[n]}=Res[(v−21)(v−2z)v]v=21+Res[(v−21)(v−2z)v]v=2z=1
所以
x[n]⋅h[n]=δ[n]
(2)解答:
Z{x[n]⋅h[n]}=2πj1⋅∮CX(v)⋅H(vz)⋅v−1dv
=2πj1⋅∮Cv−e−bv⋅(vz)2−2(vz)cosω0+1vz⋅sinω0⋅v−1dv
=2πj1⋅∮C(v−e−b)(v2−2zcos0v+z2)2sinω0vdv
根据
X(z),H(z)的收敛域,可得:
∣v∣>e−b,∣v∣<∣z∣
所以上述围线积分包含的极点为:
e−b。
Z{x[n]⋅h[n]}=Res[(v−e−b)(v2−2zcosω0v+z2)2sinω0v]v=e−b=e−2b−2e−bcosω0z+z2z⋅sinω0⋅e−b
因此:
x[n]⋅h[n]=e−nbcosω0n⋅u[n]
※ 第十题
已知
Z{x[n]}=X(z),试证明:
Z[k=−∞∑nx(k)]=z−1zX(z)
■ 求解:
证明方法1:利用卷积定理证明:
由于对序列的累加和,可以看成序列与
u[n]的卷积:
k=−∞∑nx[k]=x[n]∗u[n]。所以在根据z变换的卷积定理可知,序列的累加和的z变换等于序列的z变换乘以
u[n]的z变换。而:
Z{u[n]}=z−1z,所以:
Z[k=−∞∑nx(k)]=z−1zX(z)
证明方法2:
Z[k=−∞∑nx[k]]=n=−∞∑∞(k=−∞∑nx[k])⋅z−n
=n=−∞∑∞(k=−∞∑∞x[k]⋅u[n−k])⋅z−n
=k=−∞∑nn=−∞∑∞x[k]⋅u[n−k]⋅z−n
=k=−∞∑∞x[k]n=−∞∑∞u[n−k]⋅z−(n−k)⋅z−k
=k=−∞∑∞x[k]z−kn=−∞∑∞u[n−k]⋅z−(n−k)=z−1zX(z)
※ 第十一题
已知
Z{x[n]}=X(z),并且:
x1[n]=x[3n],n=3k;x1[n]=0,n=3k+1,3k+2
x2[n]=x[3n]
求:
x1[n],x2[n]的z变换。
■ 求解:
(1)解答:
X1(z)=n=−∞∑∞x1[n]z−n=k=−∞∑∞x[k]z−3k
=k=−∞∑∞x[k](z3)−k=X(z3)
(2)解答: