Дискуссионный математический форумМатематический форум

Математический форум Math Help Planet

Обсуждение и решение задач по математике, физике, химии, экономике

Теоретический раздел
Часовой пояс: UTC + 4 часа [ Летнее время ]
MathHelpPlanet.com RSS-лента Математического форума

Часовой пояс: UTC + 4 часа [ Летнее время ]


Z-преобразование и его свойства

Z-преобразование и его свойства


Основные определения


1. Оригинал — последовательность

{f(k), k=0,1,}
, удовлетворяющая условию:
|f(k)|<Meσk
, где
M
и
σ
— положительные постоянные (рис. 5.22).


2. Изображение последовательности

{f(k), k=0,1,}
— функция
F(z)
комплексного переменного
z
, определяемая равенством


F(z)=k=0f(k)zk.(5.58)

Изображение является аналитической функцией при

|z|>eσ
.


Совокупность всех оригиналов называется пространством оригиналов, а совокупность всех изображений — пространством изображений.


3. Переход, определяющий изображение

F(z)
по оригиналу
{f(k), k=0,1,}
, называется Z-преобразованием:


F(z)=Z[f(k)].
(5.59)

4. Оригинал по изображению находится с помощью обратного Z-преобразования по формуле:


f(k)=12πiCF(z)zk1dz,k=0,1,,
(5.60)

где

C
— контур, внутри которого лежат все особые точки функции
F(z)
.


Замечания 5.14


1. Название Z-преобразование определяется буквой

z
, выбранной для обозначения переменной. Такое название противоречит существующему обычаю называть часто применяемые преобразования по имени ученого. В некоторых источниках Z-преобразование называется преобразованием Лорана, так как ряд (5.58) дает разложение функции
F(z)
в ряд Лорана в окрестности бесконечно удаленной точки.


2. Z-преобразование можно рассматривать как частный случай преобразования Лапласа, а именно как преобразование в пространстве ступенчатых оригиналов. Ступенчатая функция — это разрывная функция целочисленного аргумента, которая в общем случае имеет разрывы при каждом натуральном значении аргумента, оставаясь между ними постоянной. По рис. 5.22 можно представить такую функцию

f(t)
, для которой
f(t)=f(0)
при
t[0;1), f(t)=f(1)
при
t[1;2)
и т.д. Оригиналом по Лапласу такая функция является, если выполняется условие
|f(t)|<Meσt
, то есть
|f(k)|<Meσk
. Ее можно представить в виде ряда
f(t)=k=0f(k)[1(tk)1(t(k+1))]
. Тогда по теореме запаздывания


L[f(t)]=k=0f(k)L{[1(tk)1(t(k+1))]}=k=0f(k)[ekppe(k+1)pp]=1eppk=0f(k)ekp,

т.е. нахождение преобразования Лапласа в рассматриваемом классе оригиналов сводится к нахождению суммы ряда Тейлора:


Φ(u)=k=0akuk,ak=f(k),u=ep.

Обозначая

z=ep
(тогда
z=1u
) и отбрасывая множитель
1epp
, общий для всех оригиналов данного класса, получаем соотношение (5.58):
F(z)=Φ(1z)=k=0f(k)zk
. При этом обратное преобразование — есть задача нахождения коэффициентов' разложения функции
Φ(u)
в ряд Тейлора по степеням
u
. Коэффициенты вычисляются по формуле (3.16):
ak=12πiCΦ(u)uk+1du, k=0,1,
или (3.17):
ak=Φ(k)(0)k!
. При
u=1z
получаем ряд Лорана (5.58) функции
F(z)=Φ(u)
в окрестности
z=
с коэффициентами (5.60):
f(k)=12πiCF(z)zk1dz, k=0,1,
(здесь учтено, что
du=1z2dz
, направление обхода контура при преобразовании
z=1u
меняется на противоположное и интеграл меняет знак при изменении направления обхода).




Свойства Z-преобразования


Положим, что

F(z)=Z[f(k)]
.


1. Линейность. Для любых постоянных

ci, i=1,2,,m
справедливо


Z[c1f1(k)++cmfm(k)]=c1F1(k)++cmFm(k),
(5.61)

где

{f1(k),k=0,1,},,{fm(k),k=0,1,}
— оригиналы, a
F1(z),,Fm(z)
— их изображения.


2. Запаздывание (формула запаздывания), где

f(kn)=0
при
kn<0
(рис. 5.23):


Z[f(k1)]=z1F(z),
(5.62)

Z[f(kn)]=znF(z), n=1,2,,
(5.63)

3. Опережение (формула опережения):


Z[f(k+1)]=z[F(z)f(0)],
(5.64)

Z[f(k+n)]=znF(z)znf(0)zf(n1).
(5.65)

4. Дифференцирование изображения:


Z[kf(k)]=zdFdz.
(5.66)

5. Умножение изображений. Свертке оригиналов соответствует произведение изображений:


Z[i=0kf(i)g(ki)]=F(z)G(z),
(5.67)

где

G(z)=Z[g(k)]
. Сверткой оригиналов
{f(k),k=0,1,}
и
{g(k),k=0,1,}
называется сумма


i=0kf(i)g(ki).
(5.68)

6. Теоремы о предельных значениях. Если

F(z)=Z[f(n)]
, то


f(0)=limzF(z),f(1)=limzz[F(z)f(0)],f(2)=limzz2[F(z)f(0)f(1)z1],
(5.69)

где

z
стремится к бесконечности вдоль произвольного пути. Если
limkf(k)
существует, то


limkf(k)=limz1(z1)F(z).
(5.70)

Заметим, что первую формулу в (5.69) можно получить из (5.58):


F(z)=f(0)+f(1)z+f(2)z2++f(k)zk+
при
z
.

Умножая обе части

F(z)
на
z
, получаем
f(1)=limzz[F(z)f(0)]
и т.д.




Нахождение изображения по оригиналу


Для нахождения изображений используется (5.58) и свойству Z-преобразования.


Пример 5.61. Найти изображения по оригиналам: а)

f(k)=ak
; б)
f(k)=1
; в)
f(k)=akk!
; г)
f(k)=eαk
.


▼ Решение

а) По формуле (5.58) имеем


F(z)=k=0akzk=11a|z=zza,

где использована формула суммы бесконечно убывающей геометрической прогрессии с первым членом

a1=1
и знаменателем
q=az
при
|q|<1
, то есть
|z|>|a|
.


б) Аналогично пункту "а"


F(z)=k=01zk=111|z=zz1.

в)

F(z)=k=0akk!zk=ea|z
при
|z|>|a|
; где использовано типовое разложение.


г)

F(z)=k=0eαkzk=11eα|z=zzeα
при
|z|>|eα|=eReα
. Заметим, что при
α=0
имеем результат, полученный в пункте "б".


В табл. 5.2 приведены наиболее часто встречающиеся в примерах соответствия при Z-преобразовании. Формулы 1, 7, 11 получены в примере 5.61.


Таблица 5.2. Таблица Z-преобразований


f(k)
F(z)
f(k)
F(z)
1
1
zz1
11
akk!
ea|z
2
(1)k
zz+1
12
k(k1)2
z(z1)3
3
k
z(z1)2
13
1m!i=0m1(ki)
z(z1)m+1
4
k2
z(z+1)(z1)3
14
sinkβ
zsinβz22zcosβ+1
5
kak1
z(za)2
15
coskβ
z(zcosβ)z22zcosβ+1
6
Ckmak
amz(za)m+1
16
aksinkβ
azsinβz22azcosβ+a2
7
ak
zza
17
akcoskβ
z(zacosβ)z22azcosβ+a2
8
(k+1)ak
z2(za)2
18
aksin(k1)β
zsinβ(z2acosβ)z22azcosβ+a2
9
{0,k=01|k,k0
ln1z1
19
akshkβ
azshβz22azchβ+a2
10
{0,k=0(1)k|k,k0
lnz+1z
20
akchkβ
z(zachβ)z22azchβ+a2



Нахождение оригинала по изображению


Для нахождения оригинала используются следующие способы:


1) разложение функции
F(z)
в ряд Лорана в окрестности бесконечно удаленной точки;
2) формула (5.60);
3) табл. 5.2 и свойства Z-преобразования;
4) формула (5.69);
5) формула
f(k)=1k!(dkF(z1)dzk)|z=0,k=0,1,2,
(5.71)

6) если

F(z)
представляет собой рациональную функцию, т.е. отношение двух многочленов:
F(z)=P(z)Q(z)
, где степень многочлена в силу аналитичности
F(z)
при
z=
не превышает степени многочлена
Q(z)
, то можно разделить многочлен
P(z)
на
Q(z)
одним из обычных способов. Это хотя и не даст общего выражения для
f(k)
, но позволит численным путем определить сколь угодно большое число значений
f(k)
.


Замечания 5.15


1. Сравнивая (5.60) с определением (4.16) вычета в

z=
, получаем (где
zm
— особые точки функции
F(z)
)


f(k)=resz=F(z)zk1,f(k)=m=1nresz=zmF(z)zk1.

2. Формула (5.71) получается из формулы для коэффициентов ряда Тейлора

?k=1k!Φ(k)(0)
(см. замечание 5.14), где
Φ(1z)=F(z), Φ(0)=F(1z)z=0
.


Пример 5.62. Найти оригиналы для функций:
а)
F(z)=z(z1)2
; б)
F(z)=z2z2z1
; в)
F(z)=1(za)(zb)
;
г)
F(z)=z(z29)2
; д)
F(z)=z2+zz2z+1
; е)
F(z)=z2z22z+1
;

▼ Решение

а) Первый способ. Разложим функцию

F(z)
в ряд Лорана в окрестности бесконечно удаленной точки, учитывая, что
1(z1)2=(11z):


F(z)=zddz(11z)=zddz(1z(11|z))=zddz[1z(1+1z+1z2+)]==zddz(1z+1z2+1z3+)=z(1z22z33z4)==1z+2z2+3z3+=k=1kzk.

Сравнивая с (5.58), имеем

f(k)=k, k=1,2,
По формуле (5.69) получаем
f(0)=limzF(z)=0
. Поэтому
f(k)=k, k=0,1,2,
.


Второй способ. По формуле (5.60) получаем


f(k)=12πiCz(z1)2zk1dz,k=0,1,2,

В точке

z=1
— полюс второго порядка; интеграл можно брать по любому контуру
C:|z|=R
, где
R>1
, так как в
|z|<R, R>1
содержится единственная особая точка функции
F(z)
. По формуле (4.19)


Czk(z1)2dz=2πiresz=1zk(z1)2,

где согласно (4.22)

resz=1zk(z1)2=limz1ddzzk=limz1kzk1=k
. Поэтому


f(k)=12πi2πik=k
, то есть
f(k)=k, k=0,1,2,
.

Заметим, что можно было использовать п.1 замечаний 5.15:


f(k)=resz=1F(z)zk1=resz=1zk(z1)2=lim(zk)=k.

Третий способ. Представим

F(z)
в виде рациональной функции:
F(z)=zz22z+1=P(z)Q(z)
. Поделим числитель на знаменатель, в результате получаем


F(z)=1z+2z2+3z3+
и
f(k)=k, k=0,1,2,

Четвертый способ. По формуле (5.69) имеем


f(0)=limzzz22z+1=0,f(1)=limzz(zz22z+10)=1,f(2)=limzz2(zz22z+1011z)=limzz4z2(z22z+1)(z22z+1)z=limz2z3z2z32z2+z=2,

и так далее:

f(k)=k, k=0,1,2,
.


б) По формуле (5.60) имеем


f(k)=12πiCz2z2z1zk1dz,0,1,2,

Особые точки

z1=1+52, z2=152
полюсы первого порядка (корни уравнения
z2z1=0
). По формуле (4.19) имеем


f(k)=12πi2πi[resz=z1zk+1(zz1)(zz2)+resz=z2zk+1(zz1)(zz2)].

По формуле (4.23) для вычисления вычета в полюсе первого порядка получаем


f(k)=resz=z1zk+1(zz1)(zz2)+resz=z2zk+1(zz1)(zz2)==limzz1(zz1)zk+1(zz1)(zz2)+limzz2(zz2)zk+1(zz1)(zz2)==z1k+1z2k+1z1z2=15[(1+52)k+1(152)k+1].

в) Представим

F(z)
в виде суммы двух элементарных дробей и разложим каждую из них в окрестности
z=:


F(z)=1(za)(zb)=1ab(1za1zb)=1(ab)z(11a|z11b|z)==1(ab)zk=0(akzkbkzk)=1abk=0akbkzk+1=1abk=2ak1bk1zk.

Поэтому

f(k)=ak1bk1ab
при
k2
. По формуле (5.69) находим
f(0)=limzF(z)=0,
f(1)=limzzF(z)=0
. Окончательный ответ:
f(k)=ak1bk1ab
при
k1
.


г) Разложим функцию

F(z)|z
на простейшие дроби:


F(z)z=1(z29)2=136[1(z3)2+1(z+3)2]1108(1z31z+3),

поэтому

F(z)=1108[3z(z3)2+3z(z+3)2zz3+zz+3].

По формулам 5,7 из табл. 5.2 и


Z1[3z(z3)2]=3k3k1=k3k;Z1[3z(z+3)2]=3k(3)k1=k(3)k;Z1[zz3]=3k;Z1[zz+3]=(3)k.

Используя свойство линейности, имеем


f(k)=1108[k3kk(3)k3k+(3)k]=1108(k1)3k[1k(1)k],  k=0,1,2,

д) Заметим, что дискриминант трехчлена в знаменателе отрицателен. Наиболее близкими по форме записи к данному изображению являются функции, соответствующие формулам 14 и 15 из табл. 5.2. Чтобы выделить значения

sinβ
и
cosβ
, представим изображение в виде


F(z)=z2+zz2z+1=z(z12)+32zz22z12+1=z(z12)z22z12+1+32zz22z12+1,

При

cosβ=12
, то есть
β=π3
, первое слагаемое совпадает с изображением в формуле 15 из табл. 5.2. Так как
sinβ=sinπ3=22
, то преобразуем второе слагаемое к табличному. Получим


F(z)=z(zcosπ3)z22zcosπ3+1+3zsinπ3z22zcosπ3+1.

По формулам 15, 14 из табл. 5.2 и по свойству линейности


f(k)=cosπk3+3sinπk3,k=0,1,2,

е) Представим изображение в виде


F(z)=z2z22z+1=zzz22z22+1=2zzsinπ4z22zcosπ4+1.

По формуле 16 из табл.5.2 и свойству линейности


Z1[F(z)z]=Z1[2zsinπ4z22zcosπ4+1]=2sinπk4=φ(k).

По формуле опережения (5.64) с учетом

φ(0)=0
получаем:


f(k)=Z1[F(z)]=2sin(k+1)π4.



Области применения Z-преобразования


Решение линейных разностных уравнений с постоянными коэффициентами
Пусть заданы:
а) линейное разностное уравнение:

anx(k+n)+an1x(k+n1)++a1x(k+1)+a0x(k)=g(k),k=0,1,2,
(5.72)

где

anan1,,a1,a0
— постоянные коэффициенты;
n
— целое число; последовательность
{g(k),k=0,1,2,}
;


б) начальные условия:


x(0)=x0, x(1)=x1, , x(n1)=xn1.
(5.73)

Требуется найти решение

x(k)
разностного уравнения, удовлетворяющее начальным условиям.


3амечание 5.16. Аналогично формируется постановка задачи решения систем линейных разностных уравнений.


Будем предполагать, что последовательности

{g(k),k=0,1,2,}
и
{x(k),k=0,1,2,}
принадлежат пространству оригиналов. Для решения поставленной задачи можно применить аппарат операционного исчисления — метода решения задач, содержащего следующие этапы, отраженные на рис. 5.24.




Алгоритм решения задачи (5.72),(5.73)


1. От известных и неизвестных последовательностей (оригиналов) перейти к их Z-изображениям. Записать уравнение (систему) в изображениях, соответствующее решаемой задаче.

2. Решить полученное уравнение (систему): найти изображение искомого решения.

3. Применить обратное Z-преобразование: найти оригинал для полученного в п.2 изображения.


▼ Примеры 5.63-5.71

Пример 5.63. Найти решение задачи:

x(k+2)x(k+1)+x(k)=0, x(0)=1, x(1)=2
.


▼ Решение

1. Перейдем от оригиналов к изображениям, используя формулы (5.61), (5.64), (5.65):


Z[x(k)]=X(z);Z[x(k+1)]=zX(z)zx(0)=zX(z)z;Z[x(k+2)]=z2Z(z)z2x(0)zx(1)=z2X(z)z22z;Z[0]=0.

Запишем уравнение для изображений:

z2X(z)z22zzX(z)+z+X(z)=0
.


2. Решим уравнение для изображений:


(z2z+1)X(z)=z2+zX(z)=z2+zz2z+1.

3. Найдем оригинал для

X(z):


X(z)=z(z12)+32zz22z12+1=z(zcosπ3)z22zcosπ3+1+3zsinπ3z22zcosπ3+1.

По формулам 14 и 15 из табл. 5.2 получаем (см. пример 5.62, пункт "д")


x(k)=cosπk3+3sinπk3,k=0,1,2,

Легко проверить, что при

k=0
и
k=1
начальные условия выполняются.


Пример 5.64. Найти решение задачи:

x(k+2)3x(k+1)+x(k)=0, x(0)=12, x(1)=32
.


▼ Решение

1. Перейдем от оригиналов к изображениям, используя формулы (5.61), (5.64), (5.65):


Z[x(k)]=X(z);Z[x(k+1)]=zX(z)zx(0)=zX(z)z2;Z[x(k+2)]=z2X(z)z2x(0)zx(1)=z2X(z)z22z32;Z[0]=0.

Запишем уравнение для изображений:


z2X(z)z22z323zX(z)+32z+X(z)=0.

2. Решим уравнение для изображений:


(z23z+1)X(z)=z22X(z)=z22(z23z+1).

3. Найдем оригинал для

X(z):


X(z)=z22(z22z32+1)=zzsinπ6z22zcosπ6+1.

По формуле 14 из табл. 5.2 и (5.64) получаем (см. пример 5.62, пункт "е")


x(k)=sinπ(k+1)6,k=0,1,2,

При использовании формулы (5.64) было учтено, что


Z1[X(z)z]=Z1[zsinπ6z22zcosπ6+1]=sinπk6=f(k),f(0)=0.

Пример 5.65. Найти решение задачи:

x(k+2)3x(k+1)10x(k)=0, x(0)=3, x(1)=1
.


▼ Решение

1. Перейдем от оригиналов к изображениям, используя формулы (5.61), (5.64), (5.65):


Z[x(k)]=X(z);Z[x(k+1)]=zX(z)zx(0)=zX(z)3z;Z[x(k+2)]=z2X(z)z2x(0)zx(1)=z2X(z)3z2+z;Z[0]=0.

Запишем уравнение для изображений:


z2X(z)3z2+z3zX(z)+9z10X(z)=0.

2. Решим уравнение для изображений:


(z23z10)X(z)=3z210zX(z)=3z210zz23z10.

3. Найдем оригинал для

X(z): X(z)=3z210z(z5)(z+2)
.


Первый способ. Запишем

X(z)
в виде произведения, удобного для применения формулы 7 из табл. 5.2, и разложим дробь на элементарные:


X(z)=3z210z(z5)(z+2)=z3z10(z5)(z+2)=z()=57zz5+167zz+2.

По формуле 7 из табл. 5.2 получаем


x(k)=575k+1617(2)k=175k+1+167(2)k.

Второй способ. Согласно п.1 замечаний 5.15


x(k)=resz=53z210z(z5)(z+2)zk1+resz=23z210z(z5)(z+2)zk1==(3z210z)(z5)(z5)(z+2)zk1|z=5+(3z210z)(z+2)(z5)(z+2)zk1|z=2==755075k1327(2)k1=175k+1+167(2)k.

Пример 5.66. Найти решение задачи:

x(k+2)+4x(k+1)+3x(k)=1, x(0)=1, x(1)=1
.


▼ Решение

1. Перейдем от оригиналов к изображениям, используя формулы 1 из табл. 5.2, (5.61), (5.64), (5.65):


Z[x(k)]=X(z);Z[x(k+1)]=zX(z)zx(0)=zX(z)z;Z[x(k+2)]=z2X(z)z2x(0)zx(1)=z2X(z)z2z;Z[1]=zz1.

Запишем уравнение для изображений:


z2X(z)z2z+4zX(z)4z+3X(z)=zz1.

2. Решим уравнение для изображений:


X(z)=z2+5z+zz1z2+4z+3=z3+4z24z(z1)(z+1)(z+3).

3. Найдем оригинал для

X(z)
. Как и в предыдущем примере, представим
X(z)z
в виде суммы простейших дробей:


X(z)z=z2+4z4(z1)(z+1)(z+3)=181z1+741z+1781z+3.

Отсюда

X(z)=18zz1+74zz+178zz+3.

По формулам 1,2 и 7 из табл. 5.2 имеем:
x(k)=18+74(1)k78(3)k
.

Пример 5.67. Найти решение задачи:

x(k+2)5x(k+1)+6x(k)=24k, x(0)=2, x(1)=1
.


▼ Решение

1. Перейдем от оригиналов к изображениям, используя формулы 7 из табл. 5.2, (5.61), (5.64), (5.65):


Z[x(k)]=X(z);Z[x(k+1)]=zX(z)zx(0)=zX(z)2z;Z[x(k+2)]=z2X(z)z2x(0)zx(1)=z2X(z)2z2z;Z[24k]=2zz4.

Запишем уравнение для изображений:


z2X(z)2z2z5zX(z)+10z+6X(z)=2zz4.

2. Решим уравнение для изображений:


X(z)=2z(z4)(z25z+6)+2z29zz25z+6.

3. Найдем оригинал для

X(z)=z(2(z4)(z3)(z2)+2z9(z3)(z2))
. Разложим каждую из дробей на элементарные:


2(z4)(z3)(z2)=1z4+1z22z32z9(z3)(z2)=3z3+5z2.

Тогда

X(z)z=1z4+6z25z3X(z)=zz4+6zz25zz3.

По формуле 7 из табл. 5.2 имеем:

x(k)=4k+62k53k
.


Пример 5.68. Найти решение задачи:

x(k+2)4x(k+1)+4x(k)=3k, x(0)=x0, x(1)=x1
.


▼ Решение

1. Перейдем от оригиналов к изображениям, используя формулы 7 из табл. 5.2, (5.61), (5.64), (5.65):


Z[x(k)]=X(z);Z[x(k+1)]=zX(z)zx0;Z[x(k+2)]=z2X(z)z2x0zx1;Z[3k]=zz3.

Запишем уравнение для изображений:


z2X(z)z2x0zx14zX(z)+4zx0+4X(z)=zz3.

2. Решим уравнение для изображений:


X(z)=z(z3)(z24z+4)+z2x0+zx14x0zz24z+4.

3. Найдем оригинал для

X(z)
. Используем разложение


1(z3)(z24z+4)=1z31z21(z2)2.

Тогда

X(z)=zz3zz2z(z2)2+x0z2(z2)2+(x14x0)z(z2)2.

По формулам 5, 7, 8 из табл. 5.2 получаем


x(k)=3k2kk2k1+x0(k+1)2k+(x14x0)k2k1==3k2k+x0(k+1)2k+(x14x01)k2k1.

Пример 5.69. Найти решение задачи:

x(k+3)3x(k+2)+3x(k+1)x(k)=2k, x(0)=0, x(1)=0, x(2)=1
.


▼ Решение

1. Перейдем от оригиналов к изображениям, используя формулы 7 из табл. 5.2, (5.61), (5.64), (5.65):


Z[x(k)]=X(z);Z[x(k+1)]=zX(z)zx(0)=zX(z);Z[x(k+2)]=z2X(z)z2x(0)zx(1)=z2X(z);Z[2k]=zz2.Z[x(k+3)]=z3X(z)z3x(0)z2x(1)zx(2)=z3X(z)z.

Запишем уравнение для изображений:


z3X(z)z3z2X(z)+3zX(z)X(z)=zz2.

2. Решим уравнение для изображений:


X(z)=z+zz2z33z2+3z1=z(z1)3+z(z2)(z1)3.

3. Найдем оригинал для

X(z)
. Используем представление


1(z2)(z1)3=1z21(z1)31z11(z1)2.

Тогда

X(z)=z(z1)3+zz2z(z1)3zz1z(z1)2=zz2zz1z(z1)2.

По формулам 1, 3 и 7 из табл. 5.2 получаем

x(k)=2k1k
.


Пример 5.70. Найти решение задачи:

{x(k+2)y(k)=0,y(k+2)+x(k)=0;x(0)=y(0)=1, x(1)=2, y(1)=0
.


▼ Решение

1. Перейдем от оригиналов к изображениям, используя формулы (5.64), (5.65):


Z[x(k)]=X(z);Z[y(k)]=Y(z);Z[x(k+1)]=zX(z)zx(0)=zX(z)z;Z[y(k+1)]=zY(z)zy(0)=zY(z)z;Z[x(k+2)]=z2X(z)z2x(0)zx(1)=z2X(z)z22z;Z[y(k+2)]=z2Y(z)z2y(0)zy(1)=z2Y(z)z2;z[0]=0.

Запишем систему уравнений для изображений:


{z2X(z)z22zY(z)=0,z2Y(z)z2+X(z)=0.

2. Решим систему уравнений для изображений. Выражая

Y(z)
из первого уравнения и подставляя во второе, получаем


z4X(z)z42z3z2+X(z)=0.

Отсюда, учитывая, что

z4+1=(z2+1)22z2=(z22z+1)(z2+2z+1)
, имеем


X(z)=z4+2z3+z2z4+1=z2(z2+2z+1)z4+1=z2z22z+1.Y(z)=z4z22z+1z22z=z22zz22z+1.

3. Найдем оригиналы для

X(z)
и
Y(z)
. Как в примере 5.62, пункт "д" дискриминант знаменателя отрицателен, поэтому преобразуем дроби к виду, удобному для применения формул 14-17 из табл. 5.2:


X(z)=z2z22z+1=2zzsinπ4z22zcosπ4+1,Y(z)=z22zz22z+1=z(z22)z22z22zcosπ4+1=z(zcosπ4)z22zcosπ4+1sinπ4z22zcosπ4+1.

По формулам 14, 15 из табл. 5.2 и (5.64) получаем


x(k)=2sinπ(k+1)4,y(k)=cosπk4sinπk4.

Здесь было учтено, что


Z1[zsinπ4z22zcosπ4+1]=sinπk4=f(k),k=1,2,;f(0)=0.

Пример 5.71. Найти решение задачи:

{x(k+1)x(k)+y(k)=3k,y(k+1)+2x(k)=3k;x(0)=3, y(0)=0
.


▼ Решение

1. Перейдем от оригиналов к изображениям, используя формулу 7 из табл. 5.2, (5.64):


Z[x(k)]=X(z);Z[y(k)]=Y(z);Z[x(k+1)]=zX(z)zx(0)=zX(z)3z;Z[y(k+1)]=zY(z)zy(0)=zY(z);Z[3k]=zz3.

Запишем систему уравнений для изображений:


{zX(z)3zX(z)+Y(z)=zz3;zY(z)+2X(z)=zz3.

2. Решим систему уравнений для изображений. Умножая первое уравнение на

z
и вычитая второе, получаем


z2X(z)3z2zX(z)2X(z)=z2z3+zz3.

Отсюда

{X(z)=3z38z2+z(z3)(z2z2)=3z38z2+z(z3)(z2)(z+1)Y(z)=1z36z216z+2(z3)(z2)(z+1).

3. Найдем оригиналы для

X(z),Y(z)
. Используем представления


X(z)z=3z28z+1(z3)(z2)(z+1)=1z3+1z2+1z+1,6z216z+2(z3)(z2)(z+1)=2z2+2z+1+2z3.

Тогда

X(z)=zz3+zz2+zz+1,Y(z)=2z22z+12z3=z1(2zz22zz+12zz3).

По формулам (5.62) и 7 из табл. 5.2 получаем


x(k)=3k+2k+(1)k,y(k)=(2)2k12(1)k133k1, k1,y(0)=0y(k)=2k+2(1)k3k,k=0,1,2,

Часовой пояс: UTC + 4 часа [ Летнее время ]


Яндекс.Метрика

Copyright © 2010-2016 MathHelpPlanet.com. All rights reserved