第七次翻转课堂草稿

1 思考题

1.1 单边 z 变换和双边 z 变换都是如何定义的?z 和 s 的关系是什么?

 

1.2 收敛域是如何定义的?对应于不同的序列,z 变换的收敛域有哪几种情况?

使 z 变换的级数收敛的点集称为收敛域(region of convergence, ROC)

 

1.3 给出几种典型序列的 z 变换。

  1. 常用的离散序列

序列 f(n)z 变换 F(z)收敛域参数说明
δ(n)1C 
u(n)zz−1|z|<1 
anu(n)zz−a|z|>|a|a∈C
n⋅u(n)z(z−1)2|z|<1 
n2⋅u(n)z(z+1)(z−1)3|z|<1 
a|n|zz−a+az−1−aa<|z|<a−1a<1
  1. 三角与双曲三角

序列 f(n)z 变换 F(z)收敛域参数说明
cos⁡(ω0n)u(n)z(z−cos⁡ω0)z2−2zcos⁡ω0+1|z|>1ω0∈R
sin⁡(ω0n)u(n)zsin⁡ω0z2−2zcos⁡ω0+1|z|>1ω0∈R
cosh⁡(ω0n)u(n)z(z−cosh⁡ω0)z2−2zcosh⁡ω0+1|z|>1ω0∈R
sinh⁡(ω0n)u(n)zsinh⁡ω0z2−2zcosh⁡ω0+1|z|>1ω0∈R
    
  1. 逆变换常用公式(当 |z|>|a| 时)

zz−a↔Zanu(n),1z−a↔Zan−1u(n−1),z(z−a)2↔Zan−1n⋅u(n),1(z−a)2↔Zan−2(n−1)u(n−1),z(z−a)k+1↔Zan−k(nk)u(n),1(z−a)k↔Zan−k(n−1k−1)u(n−1)(zz−a)k↔Zan(n+k)(k)n!u(n),(z+az)k↔Zan(kn)u(n−k).

 

1.4 z 变换有哪些基本性质?

性质 1 (线性性质) 若 f1(t)↔ZF1(z),f2(t)↔ZF2(z),则对于 ∀k1,k2∈C,有

k1f1(t)+k2f2(t)↔Zk1F1(z)+k2F2(z).

备注


性质 2.1 (双边位移性质) 若 f(n)↔ZBF(z),则对于 ∀m∈Z,有

f(n−m)↔ZBz−mF(z).

双边性质推论 若因果序列 f(n)↔ZBF(z),则对于 ∀m∈N,有

f(n−m)=f(n−m)u(n−m)↔Zz−mF(z).

性质 2.2 (单边位移性质) 若 f(n)u(n)↔ZF(z),则

  1. f(n+1)u(n)↔Zz[F(z)−f(0)].

  2. f(n−1)u(n)↔Zz−1F(z)+f(−1).

推论 1 若 f(n)u(n)↔ZF(z),则对于 ∀m∈N,有

  1. f(n+m)u(n)↔ZzmF(z)−∑k=0m−1f(k)zm−k.

  2. f(n−m)u(n)↔Zz−mF(z)+∑k=0m−1f(k−m)z−k.

  3. f(n−m)u(n)↔Zz−mF(z)+∑k=−m−1f(k)z−m−k.

  4. f(n−m)u(n)↔Zz−mF(z)+∑k=1mf(−k)z−(m−k).

推论 2 对于因果序列 f(n) 和 ∀m∈N,有 f(n−m)u(n)↔ZF(z)zm.

例子

  1. f(n+2)u(n)↔Zz2F(z)−z2f(0)−zf(1).

  2. f(n−2)u(n)↔Zz−2F(z)+z−1f(−1)+f(−2).


性质 3 (尺度性质 / 序列指数加权) 若 f(n)↔ZF(z),则对于 ∀a≠0,有

anf(n)↔ZF(za).

备注 该性质对于双边、左边、右边 z 变换均成立.

推论

  1. a−nf(n)↔ZF(az).

  2. (−1)nf(n)↔ZF(−z).


性质 4 (微分性质 / 序列线性加权) 若 f(n)↔ZF(z),则

nf(n)↔Z−zddzF(z).

备注 该性质对于双边、左边、右边 z 变换均成立.


性质 5.1 (时域卷积) 若 f1(n)↔ZF1(z),f2(n)↔ZF2(z),则

f1(n)∗f2(n)↔ZF1(z)⋅F2(z).

备注 该性质对于双边、左边、右边 z 变换均成立.

性质 5.2 (频域卷积) 若 f1(n)↔ZF1(z),f2(n)↔ZF2(z),则

f1(n)f2(n)↔Z12πj∮C1F1(zv)F2(v)dvv=12πj∮C2F1(v)F1(zv)dvv.

其中 C1 为 F1(zv) 和 F2(v) 收敛域重叠部分内逆时针旋转的围线.


性质 6 (特值定理) 设因果序列 f(n)↔ZF(z) 且满足 f(∞) 收敛,则

  1. 初值定理:f(0)=limz→∞F(z).

  2. 终值定理:f(∞)=limz→1(z−1)F(z).

备注

 

1.5 可以利用 z 变换的哪一种性质求解差分方程?

求解零状态系统的差分方程可分为两步:

  1. 求解单位样值响应:利用线性性质和时移性质;

  2. 求解零状态响应:利用时域卷积定理.

此外也可直接对差分方程两边作 z 变换,于是只需要用到时移性质.

而在求解序列的 z 变换时,可能还会用到其它性质辅助求解.

 

1.6 序列指数加权和序列线性加权分别是指什么?

见问题四,这里简述如下:

  1. 序列指数加权:即尺度性质,anf(n)↔ZF(za).

  2. 序列线性加权:即微分性质,nf(n)↔Z−zddzF(z).

 

1.7 简述 z 变换的初值定理和终值定理?

设因果序列 f(n)↔ZF(z) 且满足 f(∞) 收敛,则

  1. 初值定理:f(0)=limz→∞F(z).

  2. 终值定理:f(∞)=limz→1(z−1)F(z).

 

1.8 终值定理的应用条件是什么?

要求 f(∞) 收敛.

 

2 练习题

2.1

这里不使用结论,而从定义出发,在推导的过程中得出收敛域:

f(n)↔Z∑n=0+∞1(3z)n=3z3z−1,ROC:|z|>13.

2.2

同上:

f(n)↔Z∑n=−∞−1(z2)−n=z2−z,ROC:|z|<2.

2.3

即 2.1 和 2.2 的交集:

x(n)↔Z∑n=0+∞1(3z)n+∑n=−∞−1(z2)n=3z3z−1+z2−z,ROC:13<|z|<2.

2.4

先推导指数序列的 z 变换及其收敛域:

anu(n)↔Z∑n=0∞(az)n=zz−a,ROC:|z|>|a|,cos⁡(ω0n)u(n)=ejω0n+e−jω0n2↔Z12(zz−ejω0+zz−e−jω0)=z(z−cos⁡ω0)z2−2zcos⁡ω0+1,ROC:|z|>1,sin⁡(ω0n)u(n)=ejω0n−e−jω0n2↔Z12(zz−ejω0−zz−e−jω0)=zsin⁡ω0z2−2zcos⁡ω0+1,ROC:|z|>1.

2.5

由尺度性质(序列指数加权),anf(n)↔ZF(za),有

βncos⁡(nω0)u(n)↔Zz(z−βcos⁡ω0)z2−2βzcos⁡ω0+β2,ROC:|z|>|β|,βnsin⁡(nω0)u(n)↔Zβzsin⁡ω0z2−2βzcos⁡ω0+β2,ROC:|z|>|β|.

2.6

思路一:已知 anu(n)↔Zzz−a,|z|>|a|(等比数列求和公式)

由微分性质(序列线性加权),nf(n)↔Z−zddzF(z),有

nanu(n)↔Zaz(z−a)2,ROC:|z|>|a|.

思路二:已知 n⋅u(n)↔Zz(z−1)2,|z|>1(差比数列求和公式;或者使用幂级数逐项求导法)

由尺度性质(序列指数加权),anf(n)↔ZF(za),有

nanu(n)↔Zaz(z−a)2,ROC:|z|>|a|.

2.7

思路一:部分分式展开后计算 z 逆变换(计算量大,根式繁多)

思路二:利用 z 变换定义和幂级数展开(求导法)

思路三:利用 z 变换定义和幂级数展开(长除法)

这里使用计算量最小的思路三,并假定 x(n) 为因果序列,于是由长除法得到 x(0)=0,x(1)=1.

 

3 代码

3.1.3

fZ-Transformθ(n)zz−1eα(−n)eαzeαz−1sin⁡(αn)z(αsin)z2−2z(αcos)+1n3+3n+1z(z3+z2+z+3)(z−1)4nkΦ(1z,−k,0)Un(x)z2−2xz+z2+1an((πn)cos)za+z(m+1)(n−m)u3v−2u2v2+u2v(u−1)3(v−1)2m3anu(u2+4u+1)v(u−1)4(v−a)

3.2.1

3z3z−1 if |z|>13
   

3.2.2

−zz−2 if |z|<2
   

3.2.3

−5z3z2−7z+2 if 13<|z|<2
   

3.2.4

z(z−cos⁡(ω0))z2−2zcos⁡(ω0)+1 if Im(ω0)=0∧|z|>1

3.2.5

z(z−βcos⁡(ω0))β2+z2−2βzcos⁡(ω0) if Im(ω0)=0∧|z|>|β|

3.2.6

az(a−z)2 if |z|>|a|

3.2.7

  1. 使用思路一的 mathematica 代码

  1. 使用思路二的 mathematica 代码

前两种思路的计算机求解在误差范围内与第三种方法是相同的.