第四章

4.1

  1. 1−e−αt↔L1s−1s+α=αs(s+α).

  2. te−2t↔L1(s+2)2.

  3. [1−cos⁡(αt)]e−βt↔L1s+β−s+β(s+β)2+α2.

  4. 2δ(t)−3e−7t↔L2−3s+7.

  5. e−αtsinh⁡(βt)↔Lβ(s+α)2−β2.

  6. e−αt−e−βtβ−α↔L1(s+α)(s+β).

  7. e−(t+a)cos⁡(ωt)↔L(s+1)e−a(s+1)2+ω2.

  8. 为了利用时移性质,先将函数拆开:

    te−(t−2)u(t−1)=((t−1)e−(t−1)+e−(t−1))e⋅u(t−1)↔Ls+2(s+1)2e−(s−1).

  9. e−atf(ta)↔LaF(as+a2).

  10. 注:频域卷积难以求解,可利用频域微分性质.

    t2cos⁡(2t)↔L(−1)2d2ds2ss2+4=2s3−24s(s2+4)3.

  11. 法一:频域积分

    1−e−αtt↔L∫s+∞(1s−1s+α)ds=ln⁡ss+α∫|s+∞=ln⁡(1+as).

    法二:幂级数展开

    1−e−αtt=α−α2t2+⋯+(−1)n+1αntn−1n!↔Lαs−α22s2+⋯+(−1)n+1αnnsn=ln⁡(1+as).

    备注:使用幂级数展开法时,需要验证展开系数是否满足条件.

  12. 与第 11 题相同,

    e−3t−e−5tt↔L∫s+∞(1s+3−1s+5)ds=ln⁡s+5s+3.

  13. 42s+3↔L2e−32t.

  14. 4s(2s+3)=43s−431s+32↔L43(1−e−32t).

  15. 1s(s2+5)=15s−15ss2+5↔L1−cos⁡(5t)5.

  16. 3s(s+4)(s+2)=6s+4−3s+2↔L6e−4t−3e−2t.

  17. 1s2+1+1↔Lsin⁡t+δ(t).

  18. 1−RCss(1+RCs)=1s−2s+1RC↔L1−2e−tRC.

  19. 4s+5s2+5s+6=7s+3−3s+2↔L7e−3t−3e−2t.

  20. 思路一:频域微分性质

    由 cos⁡(3t)u(t)↔Lss2+3,有 tcos⁡(3t)u(t)↔Ls2−3(s2+3)2,于是

    1(s2+3)2=16(1s2+3−s2−3(s2+3)2)↔Lsin⁡(3t)63−tcos⁡(3t)6.

    思路二:时域卷积性质

    1(s2+3)2↔L13sin⁡(3t)u(t)∗sin⁡(3t)u(t)=sin⁡(3t)−3tcos⁡(3t)63.
  21. 利用极限法与特值代入法,计算量不大:

    s(s+a)[(s+α)2+β2]=−a(a−α)2+β2(1s+a−s+α(s+α)2+β2−α2+β2−aαaββ(s+α)2+β2)↔L−a(a−α)2+β2(e−at−(cos⁡(βt)+α2+β2−aαaβsin⁡(βt))e−αt).
  22. ln⁡ss+9↔Le−9t−1t.

备注


4.2

  1. e−tu(t−2)=e−2⋅e−(t−2)u(t−2)↔Le−2(s+1)s+1.

  2. e−(t−2)u(t−2)↔Le−2ss+1.

  3. e−(t−2)u(t)=e2⋅e−tu(t)↔Le2s+1.

  4. 先考虑

    sin⁡(2t+2)=sin⁡2tcos⁡2+cos⁡2tsin⁡2↔L2cos⁡2+ssin⁡2s2+4,

    于是 sin⁡(2t)u(t−1)↔L2cos⁡2+ssin⁡2s2+4e−s.

  5. 拆分后求解:

(t−1)[u(t−1)−u(t−2)]=(t−1)u(t−1)−(t−2)u(t−2)−u(t−2)↔Le−s−(s+1)e−2ss2.

4.3

  1. 拆分后求解:

tu(2t−1)=(t−12)u(2t−1)+u(2t−1)2↔Ls+22s2e−s2.
  1. u(t2−1)=u(t−2)↔Le−2ss.

  2. 直接利用定义(也可以使用性质)

sin⁡(πt)[u(t)−u(t−1)]↔L∫01sin⁡(πt)e−stdt=−ssin⁡(πt)−πcos⁡(πt)s2+π2e−st∫|01=(1+e−s)ππ2+s2.
  1. 拆开:

sin⁡(2t−π4)u(t)=22sin⁡(2t)u(t)−22cos⁡(2t)u(t)↔L222−ss2+4.
  1. 法一:由 e−tsin⁡(t)u(t)↔L1(s+1)2+1 和时域微分性质,

    d2dt2(e−tsin⁡(t)u(t))↔Ls2(s+1)2+1.

    法二:直接求导,没法一快,但计算量也不大.

  2. 先求 L[Sa(t)].

    法一:频域积分

    Sa(t)↔L∫s+∞dss2+1=π2−arctan⁡(s).

    法二:幂级数展开

    Sa(t)=1−t23!+⋯+(−1)nt2n(2n+1)!↔L1s−13s3+⋯+(−1)n(2n+1)s2n+1=arctan⁡(1s)=arccot⁡(s)

    法三:利用 Sa(t)u(t)↔Fπ2−jarth(ω),于是 Sa(t)↔Lπ2−arctan⁡(s).

    之后由尺度性质即有 sin⁡(at)t=π2−arctan⁡(sa).

  3. 由 4.1 题第 22 问的备注中的结论,e−3t−e−5tt↔Lln⁡s+5s+3.

备注 第六问中用三种方法得到的结果看似不同,但在收敛域与定义域的交集内是相同的.


4.4

  1. f(0+)=lims→∞sF(s)=1,f(∞)=lims→0sF(s)=0.

  2. f(0+)=1,f(∞)=0.

  3. f(0+)=0,f(∞)=12.

  4. f(0+)=0,f(∞)=0.

  5. f(0+)=2,f(∞) 不存在.

  6. f(0+)=0,f(∞) 不存在.

备注


4.5

  1. 法一(直接卷积)

    yzs(t)=tu(t)−(t−2)u(t−2)−1−e−2t2u(t)+1−e−2(t−2)2u(t−2)=(t+e−2t−12)u(t)+(5−e−2(t−2)2−t)u(t−2)

    法二(拉普拉斯变换)

    • H(s)=1s−1s+2.

    • F(s)=1−e−2ss.

    • Yzs(s)=2(1−e−2s)s2(s+2).

    从而部分分式展开求得逆变换.

  2. Yzs(s)=2s3,

    F(s)=s+2s2.

    f(t)=(1+2t)u(t).

备注


4.6

  1. F(s)=1s+1.

  2. Yzs(s)=1s+1−2s+2+3s+3.

  3. H(s)=2+2s+2−6s+3.

  4. 后续思路一:

    1. h(t)=2δ(t)+(2e−2t−6e−3t)u(t).

    2. g(t)=h(−1)(t)=(1−e−2t+2e−3t)u(t).

  5. 后续思路二:

    1. U(s)=1s.

    2. G(s)=1s−1s+2+2s+3.

    3. g(t)=(1−e−2t+2e−3t)u(t).


4.7

  1. sY(s)−1+2Y(s)=F(s)=1s.

  2. Y(s)=s+1s(s+2)=12s+12(s+2).

  3. y(t)=1+e−2t2u(t).


4.8

  1. H(s)=2s+2(s+2)(s+1)=2s+2.

    h(t)=2e−2tu(t).

  2. Yzs(s)=(1s−1s+2)e−2s.

    yzs(t)=(1−e−2(t−2))u(t−2).

  3. Yzs(s)=2s+1−2s+2.

    yzs(t)=2(e−t−e−2t)u(t).

  4. Yzs(s)=2s2(s+2)=12(s+2)+1s2−12s.

    yzs(t)=[t+e−2t−12]u(t).

备注 以上三题直接卷积其实来的更快. 因为这里每题单独算的话,二者计算量差不多. 但是单位冲激响应只需要计算一次,而用拉氏变换的话需要为每个信号计算拉氏变换. 对于 f(t)=tnu(t),使用卷积的计算量也更小,因为可以直接使用不完全伽马函数的结论.(需要注意大部分情况下是恰好相反的)


4.9

  1. h(t)=2e−2t.

  2. H(s)=2s+2.

  3. R(s)=1s−1s+2−1(s+2)2.

  4. E(s)=1s−12(s+2).

  5. e(t)=(1−12e−2t)u(t).


4.10

  1. I(s)=Es(R+sL//1sC)−1=Ess2LC+1RLCs2+Ls+R.

  2. i(t)=E(L(exp⁡(t(−−L(4CR2−L)2CLR−12CR))−exp⁡(t(−L(4CR2−L)2CLR−12CR)))R−L(4CR2−L)+1R).

备注 不给出数值写着怪麻烦的,因此本题由 mathematica 求解.


4.11

  1. 如下:

    H(s)=(1R0+sC+1sL)−1R+(1R0+sC+1sL)−1=1RCss2+R+R0RR0Cs+1LC,h(t)=(cosh⁡(t(R+R0)2CRR0)−sinh⁡(t(R+R0)2CRR0))(L(L(R+R0)2−4CR2R02)cosh⁡(tL(L(R+R0)2−4CR2R02)2CLRR0)−L(R+R0)sinh⁡(tL(L(R+R0)2−4CR2R02)2CLRR0))CRL(L(R+R0)2−4CR2R02)
  2. 如下:


4.12

  1. uC(0−)=E2.

  2. I(s)=E2L1s2+1LC.

  3. i(t)=E2CLsin⁡(tLC)u(t).


4.13

  1. e(t)=E(1−tT)u(t)+EtTu(t−T).

  2. E(s)=Es−ETs2+s+1s2Ee−sT.

  3. H(s)=s2(s+20).

  4. v2(t)=E2(e−20(t−T)u(t−T)+(120−120e−20(t−T))u(t−T)−120−e−20t20T+e−20t).


4.14

  1. 由 (V1−(s+1)V2−sV2)1s=(s+1)V2,得 H(s)=ks2+(3−k)s+1.

  2. h(t)=43e−t2sin⁡32tu(t).

备注 相比于前几题,这题是真的善良(各种意义上).


4.15

  1. Fa(s)=1−e−T2ss(1−e−sT)=1s(1+e−sT2).

  2. Fb(s)=ωs2+ω21+e−sT21−e−sT2,ω=2πT.

备注 周期函数可直接使用结论;周期函数与其他函数相乘,可以从定义与性质出发.


4.16

  1. 思路一

    f(t)δTs(t)=f(t)∑n=−∞+∞δ(t−nTs)↔LF(s)2πj∗∑n=0∞e−s⋅nTs.

    思路二

    f(t)δTs(t)=∑n=−∞+∞f(nTs)δ(t−nTs)↔L∑n=0∞f(nTs)e−s⋅nTs.

    思路三

    f(t)δTs(t)=f(t)∑n=−∞+∞e−jnωstTs↔LF(s)2πj⋅Ts∗∑n=0∞1s+jnωs.

    思路四

    f(t)δTs(t)↔LF(s)2πj∗L[δTs(t)]=F(s)2πj∗11−e−st.

    以上四种形式是等价的.

  2. Fs(s)=11−e−(s+a)T.


4.17

  1. H3(s)=1s.

    H(s)=1s+1s+1−1s+2.

    h(t)=(1+e−t−e−2t)u(t).

  2. 法一(直接卷积):yzs(t)=(t+12−e−t+e−2t2)u(t).

    法二(拉氏变换):

    Yzs(s)=1s2+12s−1s+1+12(s+2).

    yzs(t)=(t+12−e−t+e−2tt)u(t).


4.18

  1. H(s)=(1+H1(s))H2(s)=1−e−2ss。

    h(t)=u(t)−u(t−2).

  2. 法一(直接卷积):yzs(t)=t22u(t)−(t−2)22u(t−2).

    法二(拉氏变换):

    Yzs(t)=1−e−2ss3.

    yzs(t)=t22u(t)−(t−2)22u(t−2).


4.19

(1)H(s)=C1C1+C2s+1RC1s+1R(C1+C2),h(t)=C1C1+C2[δ(t)+C2RC1(C1+C2)e−tR(C1+C2)u(t)].(2)H(s)=L2L1+L2ss+RL1+L2,h(t)=L2L1+L2[δ(t)−RL1+L2e−RL1+L2u(t)].(3)H(s)=s10s2+s+10,h(t)=e−t/20(399cos⁡(399t20)−sin⁡(399t20))10399.(4)H(s)=0.1ss+1,h(t)=0.1[δ(t)−e−tu(t)].

备注 第四问很重要 ⭐️,应当认为右侧为开路电压,这是合理且默认的条件,否则缺少条件而无法计算. 具体有如下思路:

  1. 直接从耦合电感的公式出发.

  2. 采用并联电感的互感消去法.

  3. 使用空心变压器的等效公式.(T 形电路).

附 MATLAB 绘制图像的函数编写如下,上述问题给出特值后调用即可.


4.20

  1. H(s)=5s2+s+5.

  2.  

image-20230531174849697

  1. h(t)=10e−t/2sin⁡(19t2)19.

    g(t)=1−e−t/2(sin⁡(19t2)+19cos⁡(19t2))19.


4.21