信号与系统笔记附录

A 附录

A.1 程序代码

A.1.1 MATLAB 代码

MATLAB 代码.

A.1.2 Mathematica 代码

Mathematica 代码.

 

A.2 习题解答

A.2.1 课后题解答

季策老师的教材:

A.2.2 练习题解答

 

A.3 翻转课堂

A.3.1 翻转课堂讲义

A.3.2 翻转课堂解答

 

A.4 常用积分

A.4.1 Dirichlet 积分

Sa(x):=sinxx=Si(x),Si(x):=0xsinttdt.
0+Sa(x)dx=0+sinxxdx=0+dx0+exysinxdy=0+dy0+exysinxdx=0+dy1+y2=π2.
0+0+Sa(x)Sa(x+y)dxdy=0+Sa(x)dxx+Sa(u)du=0+Sa(x)dx(0+Sa(u)du0xSa(u)du)=π240+Si(x)Si(x)dx=π28.

A.4.2 Euler 积分

参考概统笔记附录.

A.4.3 Borwein 积分

ai>0,i=1n1ai1:+i=1nsin(aiπt)aiπtdt=1.

参考 3b1b 的科普视频: 研究人员觉得这里有个bug... (Borwein积分).

 

A.5 三种卷积

定义

备注

性质

这三种卷积都有如下性质:

第一种卷积还有如下性质:

第二种卷积还有如下性质:

A.5.1 函数的卷积积分

 

A.5.2 序列的卷积和

之前合在一起写的, 现在想分开来写了, 但是又懒得整理 (捂脸), 以后再说吧.

A.5.2 狄利克雷卷积

 

A.6 符号对应表

物理意义符号表示物理意义符号表示
信号激励x(t),e(t),f(t)单位阶跃信号1(t),u(t),ε(t)
系统响应y(t),r(t)单位冲激信号δ(t)
零状态响应rzs(t),fx(t)单位阶跃响应g(t)
零输入响应rzi(t),fe(t)单位冲激响应h(t)

其它约定

 

A.7 常用的卷积积分

A.7.1 门函数

f(t)δ(t)=f(t),Gτ(t)Gτ(t)=τTτ(t),Gτ1(t)Gτ2(t)=|τ1+τ2|Tτ1+τ22(t)|τ1τ2|Tτ1τ22(t).

A.7.2 幂函数

u(t)u(t)=tu(t),u(t)tnu(t)=tn+1n+1u(t),tα1u(t)tβ1u(t)=B(α,β)tα+β+1u(t).

A.7.3 指数函数

u(t)eαtu(t)=eαt1αu(t),eαtu(t)eβtu(t)=eαteβtαβu(t),eαtu(t)tn1u(t)=γ(n,αt)αneαtu(t).

A.7.4 三角函数

角频率不同

sin(at)u(t)sin(bt)u(t)=asin(bt)bsin(at)a2b2u(t),sin(at)u(t)cos(bt)u(t)=acos(bt)acos(at)a2b2u(t),cos(at)u(t)cos(bt)u(t)=asin(at)bsin(bt)a2b2u(t).

角频率相同

sin(ωt)u(t)sin(ωt)u(t)=sin(ωt)ωtcos(ωt)2ωu(t),sin(ωt)u(t)cos(ωt)u(t)=tsin(ωt)2u(t),cos(ωt)u(t)cos(ωt)u(t)=sin(ωt)+ωtcos(ωt)2ωu(t).

 

A.8 常用函数的傅里叶变换

A.8.1 记号约定

备注

 

A.8.2 冲激信号

δ(t)1,12πδ(ω),δ(n)(t)(jω)n,tn2πjnδ(n)(ω),tkδ(n)(t)(n)(k)jn+kωnk,tn2πjn(1)k(n+k)(k)ωkδ(n+k)(ω),δT0(t)n=+ejωnT0,δT0(t)ω0n=+δ(ωnω0),
证明

 

A.8.3 阶跃信号

u(t)πδ(ω)+1jω,eαtu(t)1α+jω,tnu(t)πjnδ(n)(ω)+n!(jω)n+1,tneαtu(t)n!(α+jω)n+1,sgn(t)2jω,1tjπsgn(ω),tnsgn(t)2n!(jω)n+1,1tnπωn1jn(n1)!sgn(ω),
证明

 

A.8.4 其它信号

Gτ(t)τSa(ωτ2),Sa(ω0t)πω0G2ω0(ω),Tτ(t)τSa2(ωτ2),Sa2(ω0t)πω0T2ω0(ω),eα|t|1α+jω+1αjω=2αα2+ω2,tneα|t|n!(α+jω)n+1+(1)nn!(αjω)n+1,cos(ω0t)π[δ(ω+ω0)+δ(ωω0)],sin(ω0t)jπ[δ(ω+ω0)δ(ωω0)],
证明

 

A.8.5 不常用的

一些卷积

  1. 门函数的卷积

    1. Gτ(1)(t):=Gτ(t)=u(t+τ2)u(tτ2).

    2. Gτ(2)(t):=Gτ(1)(t)Gτ(1)(t)=(τ|t|)G2τ(t).

    3. Gτ(3)(t):=Gτ(2)(t)Gτ(1)(t)=(2|t|3τ)28G3τ(t)3(2|t|τ)28Gτ(t).

  2. 相互关系

    1. Gτ(t)=G1(t/τ).

    2. Tτ(t)=T1(t/τ).

    3. Gτ(n)(t)=τn1G1(n)(t/τ).

没用的结论

 

A.9 常用单边拉普拉斯变换

A.9.1 复数域部分分式展开

象函数 F(s)原函数 f(t)参数条件
snδ(n)(t)nZ.
1(s+a)ntn1(n1)!eatn>0,aC.
s+a(s+a)2+ω2eatcos(ωt)a,ωC.
ω(s+a)2+ω2eatsin(ωt)a,ωC.

 

A.9.2 实数域部分分式展开

象函数 F(s)原函数 f(t)参数条件
1(s2+ω2)2sin(ωt)ωtcos(ωt)2ω3ωC.
s(s2+ω2)2tsin(ωt)2ωωC.
s2(s2+ω2)2sin(ωt)+ωtcos(ωt)2ωωC.
s3(s2+ω2)2cos(ωt)ωt2sin(ωt)ωC.
1(s2+ω2)3(3t2ω2)sin(tω)3tωcos(tω)8ω5ωC.
s(s2+ω2)3t(sin(tω)tωcos(tω))8ω3ωC.

 

A.9.3 三角与双曲三角函数

原函数 f(t)象函数 F(s)说明
tcos(ωt)s2ω2(s2+ω2)2 
tsin(ωt)2ωs(s2+ω2)2 
eαtsinh(ωt)ω(s+α)2ω2 
eatcosh(ωt)s+a(s+a)2ω2 

 

A.9.4 有关伽马函数的变换

原函数 f(t)象函数 F(s)说明
tn1Γ(n)snn>0.
1tπs 
tπ2ss 
ln(t)lns+γss>0.
tn1lntΓ(n)Γ(n)lnssns>0,n>0.

此外还有

tn1lnmtL1snk=0m(mk)Γ(k)(n)(lns)mk,s>0,n>0,mN.

 

A.9.5 特殊函数拉普拉斯变换

原函数 f(t)象函数 F(s)说明
Ln(t)=etn!dndtn(tnet)(s1)nsn+1nN.
Sa(t)arccot(s)注意收敛域
Si(t)arccot(s)s 
sinh(t)tarcoth(s) 

 

A.9.6 周期函数拉普拉斯变换

方便起见,这里只给出第一个周期内的表达式.

函数名周期原函数 f1(t)象函数 F(s)
方波脉冲2au(ta)u(t2a)1s(1+eas)
半波整流2πωsin(ωt)I{0<t<πω}ωs2+ω211eπsω
全波整流2πω|sin(ωt)|ωs2+ω2cothπs2ω

非周期,但思路相同:

原函数 f(t)象函数 F(s)说明
at1ess(1aes)Re(s)>max{0,lna}.

 

A.6.7 未归类的拉普拉斯变换

原函数 f(t)象函数 F(s)说明
eαteβttlns+βs+αα,βC.

 

 

不存在拉普拉斯变换的函数:

 


此外还有

u(t)(t+a)nL{sn1easasexdx(x)n,a>0,nR,sn1easΓ(1n,as),aR,n<1,,a0,n1.

 

A.10 常用序列的卷积和

anu(n)bnu(n)=an+1bn+1abu(n),anu(n)anu(n)=an(n+1)u(n),nku(n)u(n)=i=0niku(n),nu(n)nu(n)=n(n21)6u(n),n2u(n)n2u(n)=n(n41)30u(n),

证明

anu(n)bnu(n)=m=+amu(m)bnmu(nm)=bnu(n)m=0n(ab)m=bnu(n)1(ab)n+11ab=an+1bn+1abu(n),
anu(n)anu(n)=u(n)m=0namanm=(n+1)anu(n),

 

A.11 常用序列的 z 变换

A.11.1 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)zz1|z|>1 
anu(n)zza|z|>|a|aC
nu(n)z(z1)2|z|>1 
n2u(n)z(z+1)(z1)3|z|>1 
a|n|zza+az1aa<|z|<a1a<1

 

A.11.2 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(zcosω0)z22zcosω0+1|z|>1ω0R
sin(ω0n)u(n)zsinω0z22zcosω0+1|z|>1ω0R
cosh(ω0n)u(n)z(zcoshω0)z22zcoshω0+1|z|>1ω0R
sinh(ω0n)u(n)zsinhω0z22zcoshω0+1|z|>1ω0R
    

 

A.11.3 逆变换常用公式

|z|>|a| 时,

zzaZanu(n),1zaZan1u(n1),z(za)2Zan1nu(n),1(za)2Zan2(n1)u(n1),z(za)k+1Zank(nk)u(n),1(za)kZank(n1k1)u(n1),(zza)kZan(n+k)(k)n!u(n),(z+az)kZan(kn)u(nk).

|z|<|a| 时,

zzaZanu(n1),z(za)2Zan1nu(n1),z(za)k+1Zank(nk)u(n1),
证明

 

A.11.4 其它的 z 变换