訊號與系統/複數表示法與運算

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複數表示法

卡氏或直角型式 (𝐂𝐚𝐫𝐭𝐞𝐬𝐢𝐚𝐧𝐨𝐫𝐫𝐞𝐜𝐭𝐚𝐧𝐠𝐮𝐥𝐚𝐫𝐟𝐨𝐫𝐦)


𝐳=𝐚+𝐣𝐛


極座標型式(𝐩𝐨𝐥𝐚𝐫𝐟𝐨𝐫𝐦)


𝐳=𝐀𝐞𝐣θ


卡氏或直角型式

𝐳=𝐚+𝐣𝐛


𝐚=𝐑𝐞(𝐳);𝐛=𝐈𝐦(𝐳)


𝐚𝐛 為實數,且分別表示複數之實部(real part)與虛部(imaginary part)


©余兆棠、李志鵬,信號與系統, 滄海書局,2007。


極座標型式

𝐳=𝐀𝐞𝐣θ


𝐀=|𝐳|;θ=𝐳


𝐀𝐳 的強度或大小(𝐦𝐚𝐠𝐧𝐢𝐭𝐮𝐝𝐞) 、 是𝐳 的相角(𝐚𝐧𝐠𝐥𝐞) 或相位(𝐩𝐡𝐚𝐬𝐞)


©余兆棠、李志鵬,信號與系統, 滄海書局,2007。


直角型式V.S極座標型式

𝐚=𝐀𝐜𝐨𝐬θ𝐛=𝐀𝐬𝐢𝐧θ


𝐀=𝐚𝟐+𝐛𝟐  ; θ=𝐭𝐚𝐧𝟏ba


𝐀=𝟏 ,即 𝐞𝐣θ=𝐜𝐨𝐬θ+𝐣𝐬𝐢𝐧θ(尤拉公式)


©余兆棠、李志鵬,信號與系統, 滄海書局,2007。


範例2.17

請將複數𝐳=𝟐+𝐣𝟐 表示成極座標型式並標示在複數平面圖上 :


【解】

𝐀=𝟐𝟐+(𝟐)𝟐=𝟐𝟐;θ=𝐭𝐚𝐧𝟏(22)=3π4


𝐳=𝟐𝟐𝐞𝐣3π4


©余兆棠、李志鵬,信號與系統, 滄海書局,2007。


範例2.18

請將複數𝐳=𝟒𝐞𝐣11π6=𝐳=𝟒𝐞𝐣π6 表示成直角型式並標示在複數平面圖上 :


【解】


𝐚=𝟒𝐜𝐨𝐬11π6=𝟐𝟑;𝐛=𝟒𝐬𝐢𝐧11π6=𝟐


𝐳=𝟐𝟑𝐣𝟐


©余兆棠、李志鵬,信號與系統, 滄海書局,2007。


範例2.19

請將複數 𝐳=𝐞𝐣θ 表示成直角型式


【解】


𝐳=𝐞𝐣θ=𝐜𝐨𝐬θ+𝐣𝐬𝐢𝐧θ


©余兆棠、李志鵬,信號與系統, 滄海書局,2007。


複數之加、減、乘、除運算

卡氏或直角型式


𝐳𝟏+𝐳𝟐=(𝐚𝟏+𝐚𝟐)+𝐣(𝐛𝟏+𝐛𝟐)


𝐳𝟏𝐳𝟐=(𝐚𝟏𝐚𝟐)+𝐣(𝐛𝟏𝐛𝟐)


𝐳𝟏𝐳𝟐=(𝐚𝟏+𝐣𝐛𝟏)(𝐚𝟐+𝐣𝐛𝟐)=(𝐚𝟏𝐚𝟐𝐛𝟏𝐛𝟐)+𝐣(𝐚𝟏𝐛𝟐+𝐚𝟐𝐛𝟏)


z1z2=a1+jb1a2+jb2=(a1+jb1)(a2jb2)(a2+jb2)(a2jb2)=a1a2+b1b2a22+b22+𝐣a1b2+a2b1a22+b22


極座標型式


𝐳𝟏+𝐳𝟐=(𝐀𝟏𝐜𝐨𝐬θ𝟏+𝐣𝐀𝟏𝐬𝐢𝐧θ𝟏)+(𝐀𝟐𝐜𝐨𝐬θ𝟐+𝐣𝐀𝟐𝐬𝐢𝐧θ𝟐)=(𝐀𝟏𝐜𝐨𝐬θ𝟏+𝐀𝟐𝐜𝐨𝐬θ𝟐)+𝐣(𝐀𝟏𝐬𝐢𝐧θ𝟏+𝐀𝟐𝐬𝐢𝐧θ𝟐)


𝐳𝟏𝐳𝟐=(𝐀𝟏𝐜𝐨𝐬θ𝟏+𝐣𝐀𝟏𝐬𝐢𝐧θ𝟏)(𝐀𝟐𝐜𝐨𝐬θ𝟐+𝐣𝐀𝟐𝐬𝐢𝐧θ𝟐)=(𝐀𝟏𝐜𝐨𝐬θ𝟏𝐀𝟐𝐜𝐨𝐬θ𝟐)+𝐣(𝐀𝟏𝐬𝐢𝐧θ𝟏𝐀𝟐𝐬𝐢𝐧θ𝟐)


𝐳𝟏𝐳𝟐=𝐀𝟏𝐞𝐣θ𝟏𝐀𝟐𝐞𝐣θ𝟐=(𝐀𝟏𝐀𝟐)𝐞𝐣(θ𝟏+θ𝟐)


z1z2=A1ejθ1A2ejθ2=(A1A2)𝐞𝐣(θ𝟏θ𝟐)


範例2.20

給定兩複數: 𝐳𝟏=𝟑+𝐣𝟒𝐳𝟐=𝟓𝐣𝟓 ,試求 𝐳𝟏𝐳𝟐 之加、減、乘、除運算。


【解】


𝐳𝟏+𝐳𝟐=𝟖𝐣


𝐳𝟏𝐳𝟐=𝟐𝐣𝟗


𝐳𝟏𝐳𝟐=(𝟑+𝐣𝟒)(𝟓𝐣𝟓)=(𝟏𝟓+𝟐𝟎)+𝐣(𝟐𝟎𝟏𝟓)=𝟑𝟓+𝐣𝟓


z1z2=3+j45j5=(3+j4)(5+j5)(5j5)(5+j5)=550+𝐣3550


範例2.21

給定兩複數: 𝐳𝟏=𝟐𝐞𝐣π6𝐳𝟐=𝟒𝐞𝐣π3 試求𝐳𝟏𝐳𝟐 之加、減、乘、除運算。


【解】


𝐳𝟏+𝐳𝟐=(𝟑+𝐣)+(𝟐+𝐣𝟐𝟑)=(𝟐+𝟑)+𝐣(𝟏+𝟐𝟑)


𝐳𝟏𝐳𝟐=(𝟑+𝐣)(𝟐+𝐣𝟐𝟑)=(𝟑𝟐)+𝐣(𝟏𝟐𝟑)


𝐳𝟏𝐳𝟐=(𝟐𝐞𝐣π6)(𝟒𝐞π3)=(𝟐×𝟒)𝐞𝐣(π6+π3)=𝟖𝐞𝐣π2


z1z2=2ejπ64eπ3=12𝐞𝐣π6


複數之共軛運算

複數 𝐳=𝐚+𝐣𝐛=𝐀𝐞𝐣θ 之共軛複數定義如下:


𝐳*=𝐚𝐣𝐛=𝐀𝐞𝐣θ


有用的關係式


𝐳𝐳*=(𝐚+𝐣𝐛)(𝐚𝐣𝐛)=𝐚𝟐+𝐛𝟐


𝐳𝐳*=(𝐀𝐞𝐣θ)(𝐀𝐞𝐣θ)=𝐀𝟐


zz*=AejθAejθ=𝐞𝐣𝟐θ


𝐳+𝐳*=(𝐚+𝐣𝐛)+(𝐚𝐣𝐛)=𝟐𝐚=𝟐𝐑𝐞(𝐳)


有用的關係式


𝐳𝐳*=(𝐚+𝐣𝐛)(𝐚𝐣𝐛)=𝐣𝟐𝐛=𝐣𝟐𝐈𝐦(𝐳)


(𝐳𝟏+𝐳𝟐)*=z𝟏*+z𝟐*


(𝐳𝟏𝐳𝟐)*=z𝟏*z𝟐*


(z1z2)*=z1*z2*


複數之次方運算

複數之次方運算以極座標型式來計算較容易。


複數 𝐳=𝐀𝐞𝐣θ𝐧 次方為


𝐳𝐧=(𝐀𝐞𝐣θ)𝐧=𝐀𝐧𝐞𝐣𝐧θ=𝐀𝐧(cos𝐧θ+𝐣sin𝐧θ)


𝐳=𝐀𝐞𝐣θ=𝐀(cosθ+𝐣sinθ)


代入上式並改寫成


𝐳𝐧=[𝐀(cosθ+𝐣sinθ)]𝐧=𝐀𝐧(cosθ+𝐣sinθ)𝐧=𝐀𝐧(cos𝐧θ+𝐣sin𝐧θ)


𝐃𝐞𝐌𝐨𝐢𝐯𝐫𝐞𝐬 關係式


(cosθ+𝐣sinθ)𝐧=cos𝐧θ+𝐣sin𝐧θ


複數之次方根運算

𝐳=𝐀𝐞𝐣θ 複數之𝐧 次方根為𝐰


𝐰𝐧=𝐳=𝐀𝐞𝐣θ


解以下的方程式即可得其次方根


𝐰𝐧𝐀𝐞𝐣θ=𝟎


𝐰𝐧 個解


𝐰𝐤=𝐀1n𝐞𝐣θ+2kπn,    𝐤=𝟎,𝟏,,𝐧𝟏


範例2.22

給定複數 𝐳=𝟖 ,求 𝐳 之立方根


先將複數表示成極座標形式𝐳=𝟖=𝟖𝐞𝐣π=𝟖𝐞𝐣(π+𝟐𝐤π) ( 𝐤為整數)


𝐳𝟑個立方根:


𝐰𝐤=𝟖13𝐞𝐣π+2kπ3𝐤=𝟎,𝟏,𝟐


𝐰𝟎=𝟐𝐞𝐣π3𝐰𝟏=𝟐𝐞𝐣π𝐰𝟐=𝟐𝐞𝐣5π3 。將𝟑個解表示在複數平面上(如圖 𝐁𝟓 )( 𝐳𝐧𝐧次方根之位置在半徑為 𝐀1n 之圓上,相角差為 2πn 或相角 平分此圓) 。


©余兆棠、李志鵬,信號與系統, 滄海書局,2007。


參考資料

B. P. Lathi, Signal Processing and Linear Systems, Berkeley-Cambridge Press, 1998.

G. E. Carlson, Signal and Linear System Analysis, 2nd ed., John Wiley & Sons, 1998.

余兆棠、李志鵬,信號與系統, 滄海書局,2007。

Edward W. Kamen and Bonnie S. Heck, Fundamentals of Signals and System Using the Web and Matlab, 2nd ed., Prentice Hall International, 2000.

Rodger E. Ziemer, William H. Tranter, D. Ronald Fannin, Signals & Systems: Continuous and Discrete, 4th ed., Prentice Hall International, 1998.

Charls L. Phillips, John M. Parr, Eve A. Riskin, Signals, Systems, and Transforms, 3rd ed., Pearson Education, 2003.

Rodger E. Ziemer and William H. Tranter, Principles of Communications, John Wiley & Sons, 2002.

Simon Haykin, Communication Systems, 4th ed., John Wiley & Sons, 2001.

John G. Proakis and M. Salehi, Communication Systems Engineering, 2nd ed., Prentice Hall International, 2002.