第四章

4.1

  1. 1eαtL1s1s+α=αs(s+α).

  2. te2tL1(s+2)2.

  3. [1cos(αt)]eβtL1s+βs+β(s+β)2+α2.

  4. 2δ(t)3e7tL23s+7.

  5. eαtsinh(βt)Lβ(s+α)2β2.

  6. eαteβtβαL1(s+α)(s+β).

  7. e(t+a)cos(ωt)L(s+1)ea(s+1)2+ω2.

  8. 为了利用时移性质,先将函数拆开:

    te(t2)u(t1)=((t1)e(t1)+e(t1))eu(t1)Ls+2(s+1)2e(s1).

  9. eatf(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=2s324s(s2+4)3.

  11. 法一:频域积分

    1eαttLs+(1s1s+α)ds=lnss+α|s+=ln(1+as).

    法二:幂级数展开

    1eαtt=αα2t2++(1)n+1αntn1n!Lαsα22s2++(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,

    e3te5ttLs+(1s+31s+5)ds=lns+5s+3.

  13. 42s+3L2e32t.

  14. 4s(2s+3)=43s431s+32L43(1e32t).

  15. 1s(s2+5)=15s15ss2+5L1cos(5t)5.

  16. 3s(s+4)(s+2)=6s+43s+2L6e4t3e2t.

  17. 1s2+1+1Lsint+δ(t).

  18. 1RCss(1+RCs)=1s2s+1RCL12etRC.

  19. 4s+5s2+5s+6=7s+33s+2L7e3t3e2t.

  20. 思路一:频域微分性质

    cos(3t)u(t)Lss2+3,有 tcos(3t)u(t)Ls23(s2+3)2,于是

    1(s2+3)2=16(1s2+3s23(s2+3)2)Lsin(3t)63tcos(3t)6.

    思路二:时域卷积性质

    1(s2+3)2L13sin(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(aα)2+β2(1s+as+α(s+α)2+β2α2+β2aαaββ(s+α)2+β2)La(aα)2+β2(eat(cos(βt)+α2+β2aαaβsin(βt))eαt).
  22. lnss+9Le9t1t.

备注


4.2

  1. etu(t2)=e2e(t2)u(t2)Le2(s+1)s+1.

  2. e(t2)u(t2)Le2ss+1.

  3. e(t2)u(t)=e2etu(t)Le2s+1.

  4. 先考虑

    sin(2t+2)=sin2tcos2+cos2tsin2L2cos2+ssin2s2+4,

    于是 sin(2t)u(t1)L2cos2+ssin2s2+4es.

  5. 拆分后求解:

(t1)[u(t1)u(t2)]=(t1)u(t1)(t2)u(t2)u(t2)Les(s+1)e2ss2.

4.3

  1. 拆分后求解:

tu(2t1)=(t12)u(2t1)+u(2t1)2Ls+22s2es2.
  1. u(t21)=u(t2)Le2ss.

  2. 直接利用定义(也可以使用性质)

sin(πt)[u(t)u(t1)]L01sin(πt)estdt=ssin(πt)πcos(πt)s2+π2est|01=(1+es)ππ2+s2.
  1. 拆开:

sin(2tπ4)u(t)=22sin(2t)u(t)22cos(2t)u(t)L222ss2+4.
  1. 法一:由 etsin(t)u(t)L1(s+1)2+1 和时域微分性质,

    d2dt2(etsin(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)Ls+dss2+1=π2arctan(s).

    法二:幂级数展开

    Sa(t)=1t23!++(1)nt2n(2n+1)!L1s13s3++(1)n(2n+1)s2n+1=arctan(1s)=arccot(s)

    法三:利用 Sa(t)u(t)Fπ2jarth(ω),于是 Sa(t)Lπ2arctan(s).

    之后由尺度性质即有 sin(at)t=π2arctan(sa).

  3. 由 4.1 题第 22 问的备注中的结论,e3te5ttLlns+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+)=limssF(s)=1,f()=lims0sF(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)(t2)u(t2)1e2t2u(t)+1e2(t2)2u(t2)=(t+e2t12)u(t)+(5e2(t2)2t)u(t2)

    法二(拉普拉斯变换)

    • H(s)=1s1s+2.

    • F(s)=1e2ss.

    • Yzs(s)=2(1e2s)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+12s+2+3s+3.

  3. H(s)=2+2s+26s+3.

  4. 后续思路一:

    1. h(t)=2δ(t)+(2e2t6e3t)u(t).

    2. g(t)=h(1)(t)=(1e2t+2e3t)u(t).

  5. 后续思路二:

    1. U(s)=1s.

    2. G(s)=1s1s+2+2s+3.

    3. g(t)=(1e2t+2e3t)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+e2t2u(t).


4.8

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

    h(t)=2e2tu(t).

  2. Yzs(s)=(1s1s+2)e2s.

    yzs(t)=(1e2(t2))u(t2).

  3. Yzs(s)=2s+12s+2.

    yzs(t)=2(ete2t)u(t).

  4. Yzs(s)=2s2(s+2)=12(s+2)+1s212s.

    yzs(t)=[t+e2t12]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)=2e2t.

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

  3. R(s)=1s1s+21(s+2)2.

  4. E(s)=1s12(s+2).

  5. e(t)=(112e2t)u(t).


4.10

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

  2. i(t)=E(L(exp(t(L(4CR2L)2CLR12CR))exp(t(L(4CR2L)2CLR12CR)))RL(4CR2L)+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)24CR2R02)cosh(tL(L(R+R0)24CR2R02)2CLRR0)L(R+R0)sinh(tL(L(R+R0)24CR2R02)2CLRR0))CRL(L(R+R0)24CR2R02)
  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(1tT)u(t)+EtTu(tT).

  2. E(s)=EsETs2+s+1s2EesT.

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

  4. v2(t)=E2(e20(tT)u(tT)+(120120e20(tT))u(tT)120e20t20T+e20t).


4.14

  1. (V1(s+1)V2sV2)1s=(s+1)V2,得 H(s)=ks2+(3k)s+1.

  2. h(t)=43et2sin32tu(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)=1eT2ss(1esT)=1s(1+esT2).

  2. Fb(s)=ωs2+ω21+esT21esT2,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(tnTs)LF(s)2πjn=0esnTs.

    思路二

    f(t)δTs(t)=n=+f(nTs)δ(tnTs)Ln=0f(nTs)esnTs.

    思路三

    f(t)δTs(t)=f(t)n=+ejnωstTsLF(s)2πjTsn=01s+jnωs.

    思路四

    f(t)δTs(t)LF(s)2πjL[δTs(t)]=F(s)2πj11est.

    以上四种形式是等价的.

  2. Fs(s)=11e(s+a)T.


4.17

  1. H3(s)=1s.

    H(s)=1s+1s+11s+2.

    h(t)=(1+ete2t)u(t).

  2. 法一(直接卷积):yzs(t)=(t+12et+e2t2)u(t).

    法二(拉氏变换):

    Yzs(s)=1s2+12s1s+1+12(s+2).

    yzs(t)=(t+12et+e2tt)u(t).


4.18

  1. H(s)=(1+H1(s))H2(s)=1e2ss

    h(t)=u(t)u(t2).

  2. 法一(直接卷积):yzs(t)=t22u(t)(t2)22u(t2).

    法二(拉氏变换):

    Yzs(t)=1e2ss3.

    yzs(t)=t22u(t)(t2)22u(t2).


4.19

(1)H(s)=C1C1+C2s+1RC1s+1R(C1+C2),h(t)=C1C1+C2[δ(t)+C2RC1(C1+C2)etR(C1+C2)u(t)].(2)H(s)=L2L1+L2ss+RL1+L2,h(t)=L2L1+L2[δ(t)RL1+L2eRL1+L2u(t)].(3)H(s)=s10s2+s+10,h(t)=et/20(399cos(399t20)sin(399t20))10399.(4)H(s)=0.1ss+1,h(t)=0.1[δ(t)etu(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).

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)=10et/2sin(19t2)19.

    g(t)=1et/2(sin(19t2)+19cos(19t2))19.


4.21