C·11

小练习

Reference

先自己画图、写边界表,再看提示。

P1 · 宽矩形 * 窄矩形

xx = 1(0<t<20\lt t\lt 2),hh = 3(0<t<10\lt t\lt 1)。求 x∗hx*h。

提示

翻转窄的 hh。先预测:结果在 [0,3][0, 3] 上不为 0;最大值 = 窄的完全进去时的面积 = 1×3×11\times3\times1。

0<t<10\lt t\lt 1:3t3t;1<t<21\lt t\lt 2:3;2<t<32\lt t\lt 3:9−3t9-3t;其他 0。梯形。查连续:t=1t=1:3 = 3 ✓;t=2t=2:3 = 9−6 ✓;t=3t=3:0 ✓。面积:2×3=62 \times 3 = 6,梯形 (1+3)/2×3=6(1+3)/2\times 3 = 6 ✓。

P2 · 两个一行题:斜坡、提前的阶跃

r(t)=t u(t)r(t) = t\,u(t)。(a) r(t)∗[δ(t)−2δ(t−1)+δ(t−2)]r(t) * [\delta(t) - 2\delta(t-1) + \delta(t-2)]。(b) u(t+2)∗[u(t)−u(t−1)]u(t+2) * [u(t) - u(t-1)]。

提示

(a) 分配律 + 性质 5,写出三项后分段相加。(b) 先算 u∗[u−u(t−1)]u * [u - u(t-1)](running integral),再按平移规则提前 2。

(a) r(t)−2r(t−1)+r(t−2)r(t) - 2r(t-1) + r(t-2):0<t<10\lt t\lt 1 为 tt,1<t<21\lt t\lt 2 为 t−2(t−1)=2−tt - 2(t-1) = 2 - t,t>2t\gt 2 为 2−t+(t−2)=02 - t + (t-2) = 0:0 到 2、峰值 1 的三角形。(b) u∗[u−u(t−1)]=r(t)−r(t−1)u * [u - u(t-1)] = r(t) - r(t-1)(先升 1 秒再平在 1),提前 2:r(t+2)−r(t+1)r(t+2) - r(t+1),即 t<−2t\lt -2 为 0,−2<t<−1-2\lt t\lt -1 为 t+2t+2,t>−1t\gt -1 为 1。输入里有提前的 u(t+2)u(t+2),结果也就从负时间开始。

P3 · 两个指数

e−tu(t)∗e−3tu(t)e^{-t}u(t) * e^{-3t}u(t)。

提示

闭式:e−3t∫0te−λe3λdλe^{-3t}\int_0^t e^{-\lambda}e^{3\lambda}d\lambda,或直接用两个指数的通式。

e−3t∫0te2λdλ=e−3te2t−12=12(e−t−e−3t)u(t)e^{-3t}\int_0^t e^{2\lambda}d\lambda = e^{-3t}\tfrac{e^{2t}-1}{2} = \tfrac12(e^{-t}-e^{-3t})u(t)。t=0t=0 时为 0 ✓;面积 1×13=131 \times \tfrac13 = \tfrac13,12(1−13)=13\tfrac12(1 - \tfrac13) = \tfrac13 ✓。

P4 · 脉冲 * 脉冲

P(t)=u(t)−u(t−2)P(t) = u(t) - u(t-2)(高 1、宽 2)。求 P∗PP*P。

提示

临界时刻 0, 2, 4。宽度相等,重叠长度先变大后变小。

0<t<20\lt t\lt 2:重叠宽 tt,y=ty=t;2<t<42\lt t\lt 4:重叠宽 4−t4-t;其他 0。三角形,峰值 2 在 t=2t=2。面积 2×2=42\times 2 = 4 ✓。也可用分配律:P∗P=r(t)−2r(t−2)+r(t−4)P*P = r(t) - 2r(t-2) + r(t-4),r(t)=t u(t)r(t) = t\,u(t) 是斜坡。

P5 · 两个都延迟的指数

x(t)=e−(t−1)u(t−1)x(t) = e^{-(t-1)}u(t-1),h(t)=2e−2(t−2)u(t−2)h(t) = 2e^{-2(t-2)}u(t-2)。求 x∗hx*h,以及它在哪里最大。

提示

平移规则:先算不延迟的 e−tu∗2e−2tue^{-t}u * 2e^{-2t}u(C·08例 1),再整体晚 1+2=31 + 2 = 3。

不延迟的结果是 2(e−t−e−2t)u(t)2(e^{-t}-e^{-2t})u(t),在 t=ln⁡2t = \ln 2 最大(12\tfrac12)。整体晚 3:x∗h=2(e−(t−3)−e−2(t−3))u(t−3)x*h = 2\big(e^{-(t-3)} - e^{-2(t-3)}\big)u(t-3),在 t=3+ln⁡2=3.693t = 3 + \ln 2 = 3.693 最大,值 12\tfrac12。起点 1+2=31 + 2 = 3 ✓。

P6 · Alexander 练习 15.14(给定 h)

RC 低通电路的 impulse response h=2e−2tu(t)h = 2e^{-2t}u(t),输入 vs=10e−tu(t)v_s = 10e^{-t}u(t) V。求 vo=vs∗hv_o = v_s * h。

提示

常数 10×2 提出来,再用两个指数的通式。

20 e−t−e−2t2−1u(t)=20(e−t−e−2t)u(t)20\,\dfrac{e^{-t}-e^{-2t}}{2-1}u(t) = 20(e^{-t}-e^{-2t})u(t) V,和书上答案一致。

P7 · 反过来:用 impulse 拼一个长脉冲

找 x(t)x(t),使 x∗[u(t)−u(t−1)]=u(t)−u(t−3)x * [u(t) - u(t-1)] = u(t) - u(t-3)。

提示

高 1、宽 1 的脉冲平移几次能铺满 0 到 3?和 δ(t−t0)\delta(t-t_0) 卷积就是平移。

x=δ(t)+δ(t−1)+δ(t−2)x = \delta(t) + \delta(t-1) + \delta(t-2):P(t)+P(t−1)+P(t−2)P(t) + P(t-1) + P(t-2) 正好铺满 [0,3][0, 3] ✓。注意结果有跳变:有 δ\delta 时结果可以不连续。