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文檔簡介
信號與系統(tǒng)
第一章習題
1-1畫出下列各信號的波形:(1)f&)=(2-gUH);(2)
-t
f2(t)=ecosl0ntX[U(t-l)-U(t-2)]o
答案
(1)/⑺的波形如圖1.1(a)所示.
(2)因coslO加的周期T=蓋=。2s
故力(力的波形如圖題1.1(b)所示.
圖題1.1
圖題1-2
答案
力a)=t[u(t)-u(t-1)]+u(t—i)
/;(/)=(/-2)[〃(一2)-〃(1-3)]
1-3寫出圖題1-3所示各信號的函數(shù)表達式。
3-
fl(t)
0
(a)
鼠t)
(C)
圖題1-3
答案
1(r+2)=1r+l_2<f<o
/i(0=
1/—nl-i04/42
122
f式I)=〃(/)+2)
71
f3(t)=-sin—t[u(t+2)-M(/-2)]
f4(t)=u(t+2)-2〃Q+1)+3w(r-l)-4?(r-2)+2w(r-3)
2
1-4畫出下列各信號的波形:(1)f,(t)=U(t2-l);(2)f2(t)=(t-l)U(t-l);
2
(3)f3(t)=U(t-5t+6):(4)f.i(t)=U(sinnt)°
答案
⑴/,(/)=?(/-1)+,其波形如圖題L4(a)所示.
(2)&(,)=(I--1)+〃(一,-1)]=(,-1)〃(,-1)+(/-1)U(-Z-1)其波形如圖
題1.4(b)所示.'
(3)力⑺=〃(T+2)+4(.3),其波形如圖I.、)所示.
(4)力⑺=〃($山])的波形如圖題1.4(d)所示.
f3(t)f,(t)
T----------::------:-----:1-----!:-----:
??■0.???■????
I■■J■?,,,J
"123tF40i2?t
(c)(d)
圖題1.4
1-5判斷下列各信號是否為周期信號,若是同期信號,求其周期T。
(1)工⑴=2cos0-f)⑴.a)=[sin(Y)f
4;6;⑶
f(t)=3cos2jrtU(t)
3o
答案
周期信號必須滿足兩個條件:定義域,有周期性,兩個條件缺少任何一
個,則就不是周期信號了.
T2萬
T=——s
(1)是,3.
f(t)=3x—[1-cos(2r--)]T=—=7is
(2)23,故為周期信號,周期2.
(a)AS=2〃(-f)+〃("2),廣⑺的波形如圖題1。8(d)
所示。
(b)^(0=u(t+1)-2u(t-1)+3u(t-2)—u(t—3),⑺的波形如圖
題1。8(e)所示。
=-sin-u(t-5)]+甌)
(c)方⑺的波形如圖題1.8(f)
所示.
圖題1.8
1-9已知信號”5)
的波形如圖題1-9所示,試畫出丫仕)形如+1)1)(-1)的波
形。
圖1-9
答案
y(t)=J"+1)〃(T)的波形如圖題1.9(b)所示。
圖題1.9
1-10已知信號f(l)的波形如圖題1T0所示,試畫出信號。八2一”力"與信
口="(6-2力].計上
號出的波形。
圖題1-10
答案
(1)/(2一。的波形與L〃2—D八的波形分別如圖題i.io(b),(0)
所示。
w—[—2f)]
⑵/(6-2/)的波形與力.的波形分別如圖題1.10(d),(e)
—[/(6-21)]=河-2)+3(t-2.5)-2b]-3)
所示。且
1/(2-/)
,f/(6-2z)
圖題1.10
1-11已知f(t)是已錄制的聲音磁帶,則下列敘述中錯誤的是(_)。
A.f(-t)是表示將磁帶倒轉(zhuǎn)播放產(chǎn)生的信號
B.f(2t)表示磁帶以二倍的速度加快播放
C.f(2t)表示磁帶放音速度降低一半播放
D.2f(t)表示將磁帶音量放大一倍播放
c
1-12求解并畫出圖題1-12所示信號fl(t),fz(t)的偶分量fe(t)與奇分量
fu(t)0
圖題1-12
答案
因f⑴=<a)+70⑺=3[/?+/(-0]+;[f(t)-/(-/)]式中
Z,(0=g"⑺+/(T)]/⑺=3"⑺—/(T)]。故可畫出各待求偶分量
與奇分量的波形,相應如圖題L12中所示。
fl(-t)
(g)
0.5
-0.5
(h)
圖題1.12
1-13已知信號f(t)的偶分量fc(t)的波形如圖題173(a)所示,信號
f(t+l)XU(-t-1)的波形如圖題173(b)所示。求f(t)的奇
圖題1-13
答案
因/(O=X(O+/o(O
故有/(f)〃(T)=,⑺〃(T)+/oQ)〃(T)
將信號f(t+1)〃(T-1)右曲-1+ix-r-l+1)=的
波形如圖題1。13(c)所示。又有
KQ)〃(T)=/(,)〃(一)一,(z)〃(T)
£)0)〃(-,)的波形如圖題1.13(d)所示。
因為/。⑺是奇函數(shù),關于坐標原點對稱,故人⑺〃Q)的波形如圖題1.13(e)
所示。最后得
?/;)(,)=£)(,)〃(-,)+■)(/)〃(,)=〃(T-1)-1)
人⑺的波形如圖題1.13(f)所示。
1■
-1011-2-10
(b)
ffo(t)U(-t)
1-
-1
(d)
ffo(t)
1-
fo(t)U①
:
o-r?t-1(1
I
a
1-------------------1
(f)
(e)
圖題1.13
1-14設連續(xù)信號f(t)無間斷點。試證明:若f(t)為偶函數(shù),則其一階導數(shù)
ff(t)為奇函數(shù);若f(t)為奇函數(shù),則其一階導數(shù)
f'(t)為偶函數(shù)。
答案
(1)若/⑺為偶函數(shù),則有了(—,)=/“).故((T)=-TQ).故/⑺為
奇函數(shù)。
(2)若/⑺為奇函數(shù),則有八_。=一/⑺.故/(_。=—/⑺,即
fxn==r(t).故r⑺為偶函數(shù)。
1-15試判斷下列各方程所描述的系統(tǒng)是否為線性的、時不變的、因果的系
統(tǒng)。式中f(t)為激勵,y(t)為響應。
⑴(2)y(t)=f(t)U(t)
(3)y(t)=sin[f(t)]U(t)(4)y(t)=f(l-t)
(5)y(t)=f(2t)(6)y(t)=[f(t)]2
(8)刈=£>?"
⑺=
答案
(1)線性,時不變,因果系統(tǒng)
(2)線性,時變,因果系統(tǒng)。因為當激勵為了“)時,其響應)'e);當激勵為
“一。)時,其響應為,⑴=/(”幻"⑺,但是
所以系統(tǒng)為時變系統(tǒng)。
(3)非線性,時變,因果系統(tǒng)。
(4)線性,時變,非因果系統(tǒng)。因為當「=0時有/⑴,即系統(tǒng)當前時
刻的響應決定于未來時刻的激勵,故為非因果系
統(tǒng)。
(5)線性,時變,非因果系統(tǒng)。
(6)非線性,時不變,因果系統(tǒng)。因為當激勵為了⑺時,響應為)'(‘);當激
勵為好⑺時,響應為“(/)=伙/")『,但
必⑺工公《),故該系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)。
(7)線性,時不變,因果系統(tǒng)。
(8)線性,時變,非因果系統(tǒng)。
1-16已知系統(tǒng)的激勵f(t)與響應y(t)的關系為則該
系統(tǒng)為(_)。
A線性時不變系統(tǒng)B線性時變系統(tǒng)
C非線性時不變系統(tǒng)D非線性時變系統(tǒng)
答案
A
1-17圖題1T7(a)所示系統(tǒng)為線性時不變系統(tǒng),已知當激勵3(t)=U(t)時,
其響應為ylt)=U(t)-2U(tT)+U(t-2)°
若激勵為f2(t)=U(t)-U(t-2),求圖題117(b)所示系統(tǒng)的響應y2(t)0
工(?)—>s—>y1(0力(?)—?s—?s―>>2(0
(a)(b)
圖題1-17
答案
y2(t)=u(t)-2?(r-l)+w(r-2)-2[w(/-i)-2w(/-2)+u(t-3)]+
2[w(r-3)-2〃Q-4)+u(t-5)1-[M(/-4)-2w(r-5)4-u(t-6)=
u(t)-4〃(f-1)+5〃Q-2)-5u(t-4)+-5)-u(t-6)
乃⑺的波形如圖題L17(c)所示.
fl(t)>yi(t)f2(t)-)[>Y2(t)
(b)
iy/t)
2
1aatai
,?t?■
a■?■■
■■■■A
01:2:34:5:6t
?
-1■■tt
-2-::::
圖題1.17
1-18圖題1-18⑸所示為線性時不變系統(tǒng),已知h|(t)=3(t)-6(t-1),
h2(t)=6(t-2)-6(t-3)o(1)求響應h(t);
(2)求當f(t)=U(t)時的響應y(t)(見圖題178(b))。
(1)h(l)=%(/)-h2s=b?)一加—1)—b"-2)+3Q-3)
(2)因/")=〃")=。3?)八,故根據(jù)現(xiàn)行系統(tǒng)的積分性有
xo
(b)
圖題1.18
1-19已知系統(tǒng)激勵f(t)的波形如圖題「193)所示,所產(chǎn)生的響應系t)的
波形如圖題179(b)所示。試求激勵。(t)
(波形如圖題1-19(C)所示)所產(chǎn)生的響應yi(t)的波形。
單)
(b)
圖題1-19
答案
用/⑺表示,⑺即
/(/)=/(/+1)-/(/-1)
故f,⑺在同一系統(tǒng)中所產(chǎn)生的響應為
必⑺=)C+l)-y(/-l)
故y(f+l),W-l),MQ的波形分別如圖題1.19(d),(e),(f)所示。
1-20已知線性時大變系統(tǒng)在信號8(t)激勵下的零狀態(tài)響應為
h(t)=U(t)-U(t-2)0試求在信號U(t-1)激勵下的零狀態(tài)
響應y(t),并畫出y(t)的波形。
答案
因有〃Q)=L陽丁財丁,故激勵〃⑺產(chǎn)生的響應為
)\(0=/?(7)dr=[J〃(r)一〃(r-l)]dr=
L
0
I<r<3
2r>3
故激勵-1)產(chǎn)生的響應為
)C)=y(z-l)=(r-iw-l)-(r-2)w(r-2)
y(t)的波形如圖題io20所示。
1-21線性非時變系統(tǒng)具有非零的初始狀態(tài),已知激勵為f(t)時的全響應為
yi(t)=2e'U(t);在相同的初始狀態(tài)下,當激勵為
2f(t)時的全響應為y2(t)=(e'+cosnt)U(t)。求在相同的初始狀態(tài)下,當激
勵為4f⑴時的全響應先⑴。
設系統(tǒng)的冬輸入響應為》”),激勵為了⑺時的冬狀態(tài)響應為力⑺,
故有
V?)=(,)+〃0)=2e'w(r)
y2(,)=乂(,)+2、/(r)=(G'+cosTzr)w(r)
故聯(lián)解得
(r)=(3e~l—cosTZT)W(Z)
l
yf(r)=(—e~—cosM〃(T)
故得
zl
y3(/)=yx(t)+4yf(r)=3e~'-cos加+4(-e-+cos加)=(-e~+3cos加)”(f)
第二章習題
2-1.圖題2-1所示電路,求響應mH)對激勵f(t)的轉(zhuǎn)移算子II(p)及微分方程。
1H①
?(丫丫\
八八
IF::1C限/⑴G3c
圖題2.1
答案
解其對應的算子電路模型如圖題2.1(b)所示,故對節(jié)點①,②可列出算子
形式的KCL方程為
:+為")」〃4)=")
3pp
P
;〃+1,⑺一生(1)=”0)
-(/)++〃+l)u2(/)=0
聯(lián)解得
3
電")=B薯/⑺="(〃)"')
故得轉(zhuǎn)移算子為
〃?)3
H(〃)=
7(0p2+4〃+4
S⑴對f(t)的微分方程為
(〃2+4〃+41%(/)=3/(/)
即
2■
—u->(t)+4—w,(r)4-4w?,(z)=3f(f)
atdt-
2-2圖題2-2所示電路,求響應i(t)對激勵f(t)的轉(zhuǎn)移算子H(p)及微分方理。
i(t)1Q0力
-X-i——i_^vn
+
O
CO0.5F:2Q21Pp2Q
㈤
圖超2.2
答案
解其對應的算子電路模型如圖2.2(b)所示。故得
/(/)10p+10
/(2"+11〃+30/⑺
1+0.1〃+^—
一十2
故得轉(zhuǎn)移算子為
i(t)_10〃+10
”(〃)=
/⑺/+ii〃+3o
i(t)對f(t)的微分方程為
(〃2+11〃+30)i(r)=(10p+10)/(/)
即
齊⑺+吟?)+303=102⑴+KW
2-3圖題2-3所示電路,已知w(0)=lV,i(0)=2A。求t>0時的零輸入響應
i(t)和u((t)o
N
皈)
+/
■為A
0.5F:P
----------------1
圖題2.3
答案
解其對應的算子電路模型如圖題2.3(b)所示。故對節(jié)點N可列寫出算子形
式的KCL方程為
/
13),、八
p_+一+不?(r)=0
12c
P
又有uc(t)=pi(t),代入上式化簡,即得電路的微分方程為
(p2+3p4-2)/(0=0
;(0+)=/(0~)=2
〃,(()+)=%(0一)=1
電路的特征方程為
/+3〃+2=0
故得特征根(即電路的自然頻率)為p尸-1,pk-2。故得零輸入響應的通解式為
2t
/(/)=曲卬+=A"'+A2e~
i,(t)=-Ae-,-2Ae-
又[2
故
+
有Z(O)=A,+4=2
⑴
r(o+)=-A-2A
又因有
u<(D=LEQ)
故%((T)=L"(O+)
L(-A-2A)=1
即2
-A,-2A=1
即2
⑵
式⑴與式(2)聯(lián)解得A尸5$2=-3。故得零輸入響應為
i(t)=5e~l-3e~21At>0
又得
l2t
w(.(r)=L幽=\-\5e-3e-]=一5/+Vr>0
dtdt」
解其對應的算子電路模型如圖題2.3(b)所示。故對節(jié)點N可列寫出算子形
式的KCL方程為
又有uc(l)=pi(t),代入上式化簡,即得電路的微分方程為
(p?+3p+2)i?)=0
<z(0+)=z(0")=2
應(()+)=q.(0-)=1
電路的特征方程為
p2+3〃+2=0
故得特征根(即電路的自然頻率)為p產(chǎn)T,P2=-2。故得零輸入響應的通解式為
p,rP2tl2t
z(r)=Ate+A2e=Axe+A2e~
又r(/)=-A^-W2f
故
有Z(O*)=A1+A2=2
(1)
W)=-A-2A2
2-4圖題2-4所示電路,t<0時S打開,已知uc(0-)=6V,i(0)=0。(1)今于t=0
時刻閉合S,求t>0時的零輸入響應W⑴和i(t;;(2)為使電路在臨界阻尼
狀態(tài)下放電,并保持L和C的值不變,求R的值。
>0
V他)
4-
Uc
圖題2.4
解(1)t>0時S閉合,故有
/((r)=Lr((r)=6v
/(0+)=!(0")=0
t>0時的算子電路模型如圖題2.4(b)所示。故得t>0電路的微分方程為
2.5,、1,/、
-
-41O
(\2.51/、
W2+二+]卜&=
\164)
(p2+10/7+16)wr(/)=0
<%(0+)=/(0一)二6
z(0")=z(0)=0
其特征方程為S+10p+:6=0,故得特征根(即電路的自然頻率)為p尸-2,p2>8。
故得零輸入響應u..(t)的通解形式為
_2/_8/
wr(r)=AIe+A2e
u[(t)=-2Ae-2,-SAe-s,
又有}2
故Cu\t)=C(-2A,e-2t-)
-/(/)=1(-2-8Ae-8r)=
即4-v
--A.e~2t-2^1
2■
i(t)=-A,e-2t+2A.e-iil
即2
+
uc(0)=+A2=6
:(0+)」A+24=0
故有2-
聯(lián)解得A「二8,42=-2。故得
2,
uc(t)=^e~-le^'V/>0
i(t)=-C^-=4e-21-4e-s,At>0
又得力
2-5圖題2-5所示電路,(1)求激勵f(t)=3(t)A時的單位沖激響應u,(t)和
i(t);(2)求激勵f(t)=U(t)A時對應于i(t)的單位階躍響應g(t)。
圖題2.5
答案
解(1)該電路的微分方程為
Lc/i⑴4*ms
代入數(shù)據(jù)并寫成算子形式為
(〃2+5〃+4)/(/)=4/(/)=43(。
故得
4
/(/)=
/+5〃+4
44、
2+34141
P+1〃+4
)
(4
*)=/3』U。)A
故得3
進一步又可求得U(t)為
di(t),4,
《(j丁=0.25^--e-+—e-
(33
UQ)V
33
(2)因有"')二」/"”故根據(jù)線性電路的積分性有
g(z)=£/(r)f/r=-ge4,V(r)6/r
+-e-4l\U(t)A
I33)
2-6圖題2-6所示電路,以w(t)為響應,求電路的單位沖激響應h(t)和單位階
躍響應g(t)O
__________"丫、______________
+興1.
()九)|QIF二心
圖題2.6
答案
解電路的微分方程為
+3—uc+2u.=2fit)
drdtcJ
寫成算子形式為
(/尸+3p+2)/.Q)=2/(,)
⑴當/⑺=5(,)V時,有《6)=竹)。故得單位沖擊響應為
人。)=---------§Q)=7---V----;6Q)=
P2+3"+2(P+IXP+2)
2-2
---7^(0=--^>(0=
p+1p+2
2eT-2e~2t=2(1_e~2t)U(t)V
⑵當f(t)=U⑴V時,有uc(t)=g(t)。故得
2r
=fyh(t)dr=2(?T-e-)U(r)dr=
2M(e~r-e~2rWr=(-2er+e~2r+\)+U(t)V
2-7求下列卷積積分
⑴t[U(t)-U(t-2)]*6(1-t);(2)[(l-3t)6^(t)]*e-3tU(t)
答案一
解⑴原式J。")-U(/-2)]*5(I)=
(/-1)[^(/-1)-{/(/-3)]
(2)原式二打,)*e-3,U(t)-36(,)*e-3,U(t)=
卜也⑺1_3卜(3'一必)}*"3伙。=
_3e-3lU(t)+5(,)+3e~3tU(t)=)
2-8已知信號f[(t)和fz(t)的波形如圖題2-8(a),(b)所示。求y(t)=七(t)*f,(t),
并畫出y(t)的波形。
加)力味上1岬)
2..________
1:
----------------------------------->
012t-1ot
3)
八爾)=sin伏)
八網(wǎng))
八八「
開[2乃]3E[4幻]a1--------------
4uva1
-----------:----------->
01-t
3)
AK⑴
加)
八
2___________':A:AA
_尸----
0t01%+1
⑹⑻
圖題2,?8
答案
解(a)f⑺=1+U(-1)
AQ)=iUQ+l)
故,?)=工?)*力(。=
[1+wG-l)]*e-(/+,)C/(/+1)=
J%-(r+,>t/(r+l)t/r+£^(r-r-lk-<f+l)C/(r+l)Jr=
1,r<0,
1+(1—"')(/(1)=〈,
\2-e-\z>0
yKt)的波形如圖.2.8⑹所示
(b)
fi⑺=sinfU?),力")=-1),故
%⑺=/i⑺*力⑺=sintU(t)*U(-1)=
|sinTU(T)U(t-r-i)dr=
[.sin次7t/(r-l)=[1-cos(r-l)]f/(r-l)
y2(t)的波形如圖.2.8(d)所示
2-9圖題2-9(a),(b)所示信號,求y(t)=fi(t)*fz(t),并畫出y(t)的波形。
A力⑴
八"。
1-----
012
⑸
圖題2.9
答案
解利用卷積積分的微分積分性質(zhì)求解最為簡便。'⑺和的波形分
別如圖2.9(c),(d)所示。故
y")=/)(0*/。)=/⑺*[j2(T)dr
y(t)的波形如圖題2.9(e)所示.
2-10.已知信號6⑴與f2⑴的波形如圖題2-10(a),(b)所示,試求y(t)=fi(t)*f2(t),
并畫出y⑴的波形。
個加)個加)A效)
1/、-1「-1
91
10
X-'1:-2-1\/01
(1)
3)
3)
八川)
「帥)
?41
?■,
.\!
?2-、/12t-102:
V1
-2/
⑹
答案
解(a).
X⑺=f\Q)*/")=/⑴*[一+D+-1)]二
一/?+1)+工?+1)
yKt)的波形如圖題2.10(c)所示
為(,)=/(。*/《,)=
(b).
/;⑺*[3(1-1)-3”-2)+3([-3)]=
£(,一1)一工(,-2)+/(/-3)
y2(t)的波形如圖題2.10(d)所示
2-11.試證明線性時不變系統(tǒng)的微分性質(zhì)與積分性質(zhì),即若激勵f(t)產(chǎn)生的響
應為y(t),則激勵石’⑺產(chǎn)生的響應為了*”(微分性質(zhì)),激勵L"。)"產(chǎn)
生的響應為(積分性質(zhì))。
答案
解(1)設系統(tǒng)的單位沖激響應為h(t),則有
對上式等號兩端求一階導數(shù),并應用卷積積分的微分性質(zhì),故有
力⑺=〃⑺*/⑺
(證畢
(2)y?)=/(,)*>=)
對上式等號兩端求一次積分,并應用卷積積分的積分性質(zhì),故有
y(r)dr=/?(/)*f(T)dr
(證畢)
2-12.已知系統(tǒng)的單位沖激響應h(t)=e-HJ(t),激勵f(t)=U(t)。
(1).求系統(tǒng)的零狀態(tài)響應y(t)。
(2).如圖題2T2(a),(b)所示系統(tǒng),
4⑺=3區(qū)⑺+〃(一川,用⑺=g[力⑺一〃(一川
求響應山⑴和y2(t)
(3).說明圖題2T2(a),(b)哪個是因果系統(tǒng),哪個是非因果系統(tǒng)。
>歷G)
(z)—阿四)
)如(?)
3)
圖題2.12
答案
解(1)y(t)=h(t)*/(/)=*U(t)
y(—T)UQ)
⑵必⑺=/(,)*[%?)-似川二
U⑺+*.,“(,)+人(-川[/?W-/7(-r)l=
U⑺*h(T)=U(i)*elU(T)=,e,/<。
1,r>()
y2a)=/⑺*[%?)+似f)]=
u⑴*,g[〃(/)+/7(T)]+g[/?Q)_〃(T)]-=
U(r)*/2a)=(l—e-')U⑺
(3)因f(t)=U(t)為因果激勵,但yKt)為非因果信號,y?(t)為因果信號,故
圖題2.12(a)為非因果系統(tǒng),圖題2.12(b)為因果系統(tǒng)。
2-13.已知激勵⑺產(chǎn)生的響應為y")=sin3UQ),試求該系統(tǒng)的單
位沖激響應h(t)。
雀毅
解因有y(t)=f(t)*h(t),即
sin創(chuàng)U⑺=e』ua)*g)
對上式等號兩端同時求一階導數(shù),并應用卷積積分的微分性質(zhì)有
0cosm。⑺=[-5e③U⑺+8⑺卜力⑺二
—5e3U(f)*〃(,)+/?(,)=
-5sincotU(t)+h(t)
故得系統(tǒng)的單位沖激響應為
/?(/)=(5sincot+(vcos(oi)U(t)
2-14.已知系統(tǒng)的微分方程為)'〃⑺+3'⑺+2),")=/⑺。
(1).求系統(tǒng)的些位沖激響應h(t);
(2).若激勵/")=/",),求系統(tǒng)的零狀態(tài)響應y(t)。
答案
解(1)其算子形式的微分方程為
(p2+3〃+2&")=/?)
]
f⑴
故得+3〃+2
當⑺時,則有)0=〃⑺。故上式變?yōu)?/p>
MD=-------------5(。=(----??)=
(p+lXp+2)p+1P+2
1
力⑺一
(2)零狀態(tài)響應為
l
y(t)=//(/)*/(f)=-I,)UQ)*e-u(t)=
(~e-x,+e-21+te-l)U(t)
2-15.圖題2T5所示系統(tǒng),其中hi(t)=U(t)(積分器),h2(t)=5(t-1)(單位延
時器),h3(t)=-8(t)(倒相器),激勵f(t)二屋U(t)。
(1).求系統(tǒng)的單位沖激響應h(t):
(2).求系統(tǒng)的零狀態(tài)響應y(t)。
答案
解⑴當/⑺=演。時,
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