第一章作业

警告:本人作业中可能会包含以下要素,

  1. 源码流出;

  2. 牛刀杀鸡;

  3. 略去过程;

  4. 略去答案.

好吧只是开玩笑,重要的过程大都会有的.

此外,备注里也会详细写一些知识点或者拓展内容.

 

1.1

  1. f(t)=u(t2+3t+2)=I{t<2  t>1}.

  2. f(t)=u(sinπt)=I{2k<t<2k+1,kZ}.

 


1.2

  1. 周期的, T=2π3.

  2. 周期的, T=π.

  3. 非周期.


1.3

f(t)=tu(t)(t1)u(t1)u(t3)

        1. 均略.


1.4

图略.

  1. q4(t)=t+22u(t+2)tu(t)+t22u(t2).

  2. q4(t)=12u(t+2)u(t)+12u(t2).

  3. q4(t)=12δ(t+2)δ(t)+12δ(t+2).


1.5

图略.

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

  2. fo(t)=f(t)f(t)2.


1.6

图略.


1.7

  1. 原式 =cosω.

  2. 原式 =0.

  3. 原式 =e2λI{λ0}.

  4.  

=ddtsin10t10t|t=0=sin10t10tcost10t2|t=0=limt0(10t(10t)26)10t(1(10t)22)+o(t3)10t2=0

1.8

  1.  

t[u(t)u(t2)]δ(1t)=t[u(t)u(t2)]δ(t1)=(t1)[u(t1)u(t3)].
  1. 法一: 由定义与筛选性质

    [(13t)δ(t)]e3tu(t)=+(13x)δ(x)e3x3tu(tx)dx=t(13x)e3x3tδ(x)dx=te3tδ(x)dx=e3tδ(t)=δ(t).

    法二: 由定义与分类讨论 (略)

    法三: 由筛选性质与卷积的性质

    [(13t)δ(t)]e3tu(t)=δ(t)e3tu(t)+3δ(t)e3tu(t)=δ(t)3e3tu(t)+3e3tu(t)=δ(t).

此题由 mathematica 算出来的结果有误.


1.9

图略.


1.10

  1. 原式 =12tδ(τ12)dτ=12u(t12).

  2. 原式 =ddtcosπ4δ(t)=22δ(t).

  3. 原式 =+δ(t)sintdt=1.


1.11

  1. f1(t)=1+u(t1),

    f2(t)=e(t+1)u(t+1).

    f1(t)f2(t)=+(1+u(tx1))e(x+1)u(x+1)dx=1+e(x+1)dx+u(t)1t1e(x+1)dx=1+(1et)u(t).
  2. f1(t)=sin(t)u(t).

    f2(t)=u(t1).

    f1(t)f2(t)=+sin(x)u(x)u(tx1)dx=u(t1)0t1sinxdx=[1cos(t1)]u(t1).

1.12

  1. 该系统对 δ(t) 的响应为 h0(t)=0, 由于 h0(tτ)hτ(t), 故该系统是时变的.

  2. 注意到 h1(t)=u(t+1)u(t+2), 故为非因果.

  3. x1(t)=u(t1)u(t3) 的响应为

    y1(t)=+x1(τ)hτ(t)dτ=13(u(tτ)u(t2τ))dτ={0,t<1,t1,1t<2,t2,2t<3,3t2,3t<6,0,6t.

    x2(t)=etu(t) 的响应为

y2(t)=+x2(τ)hτ(t)dτ=+eτu(τ)[u(tτ)u(t2τ)]dτ=u(t)t/2teτdτ=(et2et)u(t).

备注

我之前认知上的一个错误是, 觉得题目中给出了一个信号的响应, 但没有给出一般信号的响应, 从而有无数种满足条件的线性系统. 比如 x(t) 的响应可以是

  1. y(t)=tτtx(s)ds,

    1. 首先这是满足题意的:

      1. 该系统是线性的.

      2. 代入 x(t)=δ(tτ) 则有 y(t)=hτ(t).

    2. 其次系统的分类是:

      1. x(tt0) 的响应为 tτtx(st0)ds=tt0τtt0x(s)ds=y(tt0), 即时不变.

      2. 当常数 τ0 时, 该系统是因果的; 否则是非因果的.

  2. y(t)=tτtx(s)dsδ(tτ)x(0)+x(t),

    1. 题目中没有给出状态, 如果初始状态 x(0)=1, 那么

      1. 该系统是线性的.

      2. 代入 x(t)=δ(tτ) 则有 y(t)=hτ(t).

    2. 其次系统的分类是

      1. x(tt0) 的响应不等于 y(tt0), 因此系统是时变的.

      2. 同样的, 当常数 τ0 时, 该系统是因果的; 否则是非因果的.

这个问题困扰了我很久, 十分恼火, 问题到底出在哪儿了? 我知道答案的思路是什么, 知道如何用答案的思路去求解, 但我想知道的是, 上面的思路为什么不对? 如果不能指出问题的根本原因, 我就永远无法真正理解这个知识点.

这些推理没有问题, 信号 x(t) 是一个函数 (即 RR 的一个确定的映射), 响应 y(t)=Π(x(t),x(0)) 是其泛函; 但是 δ(tτ) 的响应是 hτ(t), 它无法仅仅作为其泛函而表示为 hτ(t)=Π(δ(tτ)), 因此还需要增加一个参数 τ. 一般的, 我们写为 yτ(t)=Π(x(t),x(0),τ). 题目中没有给出具体的映射关系 x(t)y(t), 而只有一个 δ(tτ) 的例子, 无法确定 Π, 就好比 f:RR 只给出 ab, 无法确定 f. 既然如此, 系统的不确定性就非意料之外了.

有问题的是对题目的理解, 或者说对概念的约定. 我们不能将 τ 仅仅理解为一个参数, 或者说一个常数, 而要认识到作者想要表达的是延迟 τ 之后的冲激响应为 hτ(t). 这里的 τ 是信号 x(t) 延迟的时间, 而不能抛开信号的延迟去讨论 τ. 比如之前说到的 y(t)=tτtx(s)ds, 这仅仅对于延迟 τ 后的信号 δτ(t) 成立, 而对其它信号并不成立. 准确来说, 出题人的意图是, 信号 x(t) 先时移为 x(tτ), 后经系统为 yτ(t); 先经系统为 y0(t), 再时移为 y0(tτ).

理解了这些概念, 尤其是 hτ(t) 定义为延迟的冲激信号 δ(tτ) 的响应, 对于所有的 τ 都成立, 而不是某一个特定的 τ, 那么一切问题就都迎刃而解了. 实际上, 我们可由此唯一地确定该系统:

y(t)=H(p)x(t)=H(p)+x(τ)δ(tτ)dτ=+x(τ)H(p)δ(tτ)dτ=+x(τ)hτ(t)dτ.

产生这样的理解偏差, 就好比两个人在争吵, 但又互不理解对方真正在表达什么, 用着相同的词汇表达着不同的事物. 这种争执, 不仅愚蠢, 而且浪费时间, 还坏人心情, 尽管双方都振振有词. 我的建议是, 不要吝惜笔墨与口舌, 在讨论任何事情之前, 先确保自己的表述不会使得对方产生理解上的偏差 (尽管说起来容易做起来难).


1.13

  1. 满足可分解性、零状态线性、零输入线性, 故为线性系统.

    e(tτ) 的响应与 r(tτ) 相同, 因此是非时变系统.

  2. 满足可分解性、零状态线性, 不满足零输入线性, 故为非线性系统.

    e(tτ) 的响应与 r(tτ) 不同, 因此是时变系统.

  3. 满足可分解性、零状态线性、零输入线性, 故为线性系统.

    e(tτ) 的响应与 r(tτ) 不同, 因此是时变系统.

  4. 满足可分解性、零输入线性, 不满足零状态线性, 故为非线性系统.

    e(tτ) 的响应与 r(tτ) 相同, 因此是非时变系统.

  5. 满足可分解性、零输入线性、零状态线性, 故为线性系统.

    e(tτ) 的响应与 r(tτ) 相同, 因此是非时变系统.

教材中未指出, 参考其它资料可知线性系统的判断依据是

  1. 可分解性 y(t)=yzs(t)+yzi(t).

  2. 零状态线性 T[{af1(t)+bf2(t)},{0}]=aT[{f1(t)},{0}]+bT[{f2(t)},{0}].

  3. 零输入线性 T[{0},{af1(t)+bf2(t)}]=aT[{0},{f1(t)}]+bT[{0},{f2(t)}].


1.14

  1. 原式 =+3δ(2t)dt=32.

  2. 原式 =t2+2t+32|t=12=178.


1.15

  1. 原式 =f(0)=2.

  2. 原式 =f(1)=8.


1.16

  1. r(t)=e(t1)e(1t).

    1. k1e1(t)+k2e2(t) 的响应为 k1r1(t)+k2r2(t), 故为线性.

    2. eτ(t)=e(tτ) 的响应为

      rτ(t)=eτ(t1)eτ(1t)=e(tτ1)e(1tτ)e(tτ1)e(1t+τ)=r(tτ),

      故为时变.

    3. t=0, 则与 1 时刻的响应有关, 故为非因果.

  2. r(t)={0,t<0,e(t)+e(t100),t0.

    1. k1e1(t)+k2e2(t) 的响应为 k1r1(t)+k2r2(t), 故为线性.

    2. eτ(t)=e(tτ) 的响应为

      rτ(t)={0,t<0,e(tτ)+e(tτ100),t0.{0,t<τ,e(tτ)+e(tτ100),tτ.=r(tτ),

      故为时变.

    3. 响应只与现在与过去时刻的信号有关, 故为因果.

  3. r(t)={0,e(t)<0,e(t)+e(t100),e(t)0.

    1. 直流信号 1 的响应为 2,

      直流信号 -1 的响应为 0,

      但是二者之和 0 的响应 0, 故为非线性.

    2. eτ(t)=e(tτ) 的响应为 rτ(t)=r(tτ), 故为非时变.

    3. 响应只与现在与过去时刻的信号有关, 故为因果.

  4. 由第 1.12 题, 为线性、时变、非因果.