Math Problem Statement

给出完整的解题答案

因果序列的 Z 变换为 X(z) = 1 / [(1 - (1/2)z^(-1))(1 - z^(-1))],求原序列 x[n],并确定其收敛域。

Solution

解题步骤:

题目要求通过 X(z)X(z) 求原序列 x[n]x[n] 并确定其收敛域。

已知:

X(z)=1(112z1)(1z1)X(z) = \frac{1}{(1 - \frac{1}{2}z^{-1})(1 - z^{-1})}

1. 将分母展开成部分分式

我们对 X(z)X(z) 进行部分分式分解: 1(112z1)(1z1)=A112z1+B1z1\frac{1}{(1 - \frac{1}{2}z^{-1})(1 - z^{-1})} = \frac{A}{1 - \frac{1}{2}z^{-1}} + \frac{B}{1 - z^{-1}}

求解 AABB

1(112z1)(1z1)=A(1z1)+B(112z1)(112z1)(1z1)\frac{1}{(1 - \frac{1}{2}z^{-1})(1 - z^{-1})} = \frac{A(1 - z^{-1}) + B(1 - \frac{1}{2}z^{-1})}{(1 - \frac{1}{2}z^{-1})(1 - z^{-1})}

分子合并: 1=A(1z1)+B(112z1)1 = A(1 - z^{-1}) + B(1 - \frac{1}{2}z^{-1})

z1z^{-1} 的系数分别整理: 1=A+B(常数项)1 = A + B \quad \text{(常数项)} 0 = -A - \frac{1}{2}B \quad \text{(z^{-1}项)}

从方程组求 AABB

  1. A+B=1A + B = 1
  2. A12B=0-A - \frac{1}{2}B = 0

解得: A=23,B=13A = \frac{2}{3}, \quad B = \frac{1}{3}

所以部分分式分解为: X(z)=23112z1+131z1X(z) = \frac{\frac{2}{3}}{1 - \frac{1}{2}z^{-1}} + \frac{\frac{1}{3}}{1 - z^{-1}}

2. 通过 Z 逆变换求 x[n]x[n]

利用 Z 变换的性质: [ \frac{1}{1 - az^{-1}} \xleftrightarrow[]{\text{Z逆变换}} a^n u[n] ]

因此: [ \frac{\frac{2}{3}}{1 - \frac{1}{2}z^{-1}} \xrightarrow[]{\text{Z逆变换}} \frac{2}{3}\left(\frac{1}{2}\right)^n u[n] ] [ \frac{\frac{1}{3}}{1 - z^{-1}} \xrightarrow[]{\text{Z逆变换}} \frac{1}{3} u[n] ]

将两部分相加,得到: [ x[n] = \frac{2}{3} \left(\frac{1}{2}\right)^n u[n] + \frac{1}{3} u[n] ]

或者: [ x[n] = \left(\frac{2}{3} \cdot \left(\frac{1}{2}\right)^n + \frac{1}{3}\right) u[n] ]

3. 收敛域

根据 Z 变换的收敛域规则:

  1. 11az1\frac{1}{1 - az^{-1}} 的收敛域是 z>a|z| > |a|
  2. 本题中两个因子分别对应 z>12|z| > \frac{1}{2}z>1|z| > 1

因此综合收敛域为: z>1|z| > 1


最终答案:

  1. 原序列: [ x[n] = \left(\frac{2}{3} \cdot \left(\frac{1}{2}\right)^n + \frac{1}{3}\right) u[n] ]
  2. 收敛域: z>1|z| > 1

请问需要进一步详细解释,还是有其他疑问?
以下是一些相关问题供参考:

  1. 如何判断 Z 变换的收敛域?
  2. 为什么部分分式分解适用于这种问题?
  3. Z 变换中 u[n]u[n] 的作用是什么?
  4. 如果收敛域变化,对结果会有什么影响?
  5. 是否可以直接通过系统函数的极点求原序列?

一个提示:部分分式分解法在处理分母是多个线性因子的 Z 变换时非常高效,建议熟练掌握!

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Math Problem Analysis

Mathematical Concepts

Z-transform
Partial Fraction Decomposition
Inverse Z-transform
Causality
Region of Convergence

Formulas

Z-transform: X(z) = Σ x[n]z^(-n)
Partial Fraction Decomposition: 1/[(1 - az^(-1))(1 - bz^(-1))] = A/(1 - az^(-1)) + B/(1 - bz^(-1))
Inverse Z-transform: 1/(1 - az^(-1)) ↔ a^n u[n]

Theorems

Linearity of Z-transform
Region of Convergence (ROC) determines stability

Suitable Grade Level

Undergraduate (Engineering/Mathematics)