Z-TRANSFORMS - Engineering Mathematics fileZ-TRANSFORMS 4.1 Introduction โ Transform plays an...
Transcript of Z-TRANSFORMS - Engineering Mathematics fileZ-TRANSFORMS 4.1 Introduction โ Transform plays an...
Page | 1
Chapter 4
Z-TRANSFORMS 4.1 Introduction
๐โ Transform plays an important role in discrete analysis and may be seen as discrete
analogue of Laplace transform. Role of ๐โ Transforms in discrete analysis is the same as that
of Laplace and Fourier transforms in continuous systems.
Definition: The ๐โTransform of a sequence ๐ข๐ defined for discrete values ๐ = 0,1,2,3, โฆ and (๐ข๐ = 0 for ๐ < 0 ) is defined as ๐ ๐ข๐ = ๐ข๐๐งโ๐โ
๐=0 . ๐โ Transform of the sequence
๐ข๐ i.e. ๐ ๐ข๐ is a function of ๐ง and may be denoted by ๐(๐ง)
Remark:
๐โ Transform exists only when the infinite series ๐ข๐๐งโ๐โ๐=0 is convergent.
๐ ๐ข๐ = ๐ข๐๐งโ๐โ๐=0 is termed as one sided transform and for two sided ๐ โ
transform ๐ ๐ข๐ = ๐ข๐๐งโ๐โ๐=โโ
Results on ๐โ Transforms of standard sequences
1.
๐ ๐๐ = ๐๐๐งโ๐โ๐=0
= 1 +๐
๐ง+
๐2
๐ง2+
๐3
๐ง3+ โฏ +
๐๐
๐ง๐+ โฏ
=1
1โ๐
๐ง
, ๐
๐ง < 1
โด ๐ ๐๐ =๐ง
๐งโ๐ ,
๐
๐ง < 1
2.
๐ 1 =๐ง
๐งโ1 Putting ๐ = 1 in Result 1
3.
๐ (โ1)๐ =๐ง
๐ง+1 Putting ๐ = โ1 in Result 1
4.
๐ ๐ = ๐๐งโ๐โ๐=0 = ๐ ๐งโ๐โ
๐=0
= ๐ 1 +1
๐ง+
1
๐ง2+
1
๐ง3+ โฏ +
1
๐ง๐+ โฏ
โด ๐ ๐ =๐๐ง
๐งโ1
5. Recurrence formula for ๐๐:
๐ ๐๐ =๐
๐ โ ๐
๐ ๐ =๐
๐ โ ๐
๐ (โ๐)๐ =๐
๐ + ๐
๐ ๐ =๐๐
๐ โ ๐
๐ ๐๐ = โ๐๐
๐ ๐๐ ๐๐โ๐
Page | 2
๐ ๐๐ = ๐๐๐งโ๐โ๐=0 , ๐ is a positive integer โฆโ
๐ ๐๐โ1 = ๐๐โ1๐งโ๐โ๐=0 โฆ โก
Differentiating โก w.r.t. ๐ง, we get
๐
๐๐ง๐ ๐๐โ1 = ๐๐โ1(โ๐)๐งโ๐โ1โ
๐=0
= โ๐งโ1 ๐๐๐งโ๐โ๐=0
โ๐
๐๐ง๐ ๐๐โ1 = โ๐งโ1๐ ๐๐ usingโ
โ ๐ ๐๐ = โ๐ง๐
๐๐ง๐ ๐๐โ1
6. Multiplication by ๐:
๐ ๐๐ข๐ = ๐๐ข๐๐งโ๐โ๐=0
= โ๐ง ๐ข๐(โ๐)๐งโ๐โ1โ๐=0
= โ๐ง ๐ข๐๐
๐๐ง๐งโ๐โ
๐=0
= โ๐ง ๐
๐๐ง(๐ข๐๐งโ๐โ
๐=0 )
= โ๐ง๐
๐๐ง ๐ข๐๐งโ๐โ
๐=0
= โ๐ง๐
๐๐ง๐ ๐ข๐
7.
๐ ๐ = โ๐ง๐
๐๐ง๐ ๐0 using Recurrence Result 5 or 6
= โ๐ง๐
๐๐ง๐ 1
= โ๐ง๐
๐๐ง
๐ง
๐งโ1 using result 2
โ ๐ ๐ =๐
๐โ๐ ๐
8.
๐ ๐2 = โ๐ง๐
๐๐ง๐ ๐ using Recurrence Result 5 or 6
= โ๐ง๐
๐๐ง
๐
๐โ๐ ๐ using Result 7
โ ๐ ๐2 =๐ง2+๐ง
๐งโ1 3
9. , ๐ ๐ = ๐, ๐ < 0๐, ๐ โฅ ๐
is Unit step sequence
๐ ๐ข(๐) = ๐ข ๐ ๐งโ๐โ๐=0 = 1๐งโ๐โ
๐=0
= 1 +1
๐ง+
1
๐ง2+
1
๐ง3+ โฏ +
1
๐ง๐+ โฏ
โ ๐ ๐ข(๐) =๐
๐โ๐
๐ ๐ =๐
๐ โ ๐ ๐
๐ ๐๐ =๐๐ + ๐
๐ โ ๐ ๐
๐ ๐ ๐ = ๐, ๐ < 0๐, ๐ โฅ ๐
=๐
๐ โ ๐
๐ ๐๐๐ = โ๐๐
๐ ๐๐ ๐๐
Page | 3
10. ๐น ๐ = ๐, ๐ = ๐๐, ๐ โ ๐
is Unit impulse sequence
๐ ๐ฟ ๐ = ๐ฟ ๐ ๐งโ๐โ๐=0
= 1 + 0 + 0 + โฏ
โ ๐ ๐ฟ ๐ = 1
4.2 Properties of Z-Transforms
1. Linearity: ๐ ๐๐๐ + ๐๐๐ = ๐๐ ๐๐ + ๐๐ ๐๐
Proof: ๐ ๐๐ข๐ + ๐๐ฃ๐ = ๐๐ข๐ + ๐๐ฃ๐ ๐งโ๐โ๐=0
= ๐ ๐ข๐๐งโ๐ + ๐ ๐ฃ๐๐งโ๐โ๐=0
โ๐=0
= ๐๐ ๐ข๐ + ๐๐ ๐ฃ๐
2. Change of scale (or Damping rule):
If ๐ ๐๐ โก ๐ผ(๐), then ๐ ๐โ๐๐๐ โก ๐ผ(๐๐) and ๐ ๐๐๐๐ โก ๐ผ ๐
๐
Proof: ๐ ๐โ๐๐ข๐ = ๐โ๐๐ข๐๐งโ๐โ๐=0
= ๐ข๐(๐๐ง)โ๐ โก ๐(๐๐ง) โ๐=0
Similarly ๐ ๐๐๐ข๐ โก ๐ ๐ง
๐
Results from application of Damping rule
i.
Proof: ๐ ๐ =๐ง
๐งโ1 2โก ๐(๐ง) say
โด ๐ ๐๐๐ โก ๐ ๐ง
๐ =
๐ง
๐
๐ง
๐โ1
2 =๐๐ง
๐งโ๐ 2
ii.
Proof: ๐ ๐2 =๐ง2+๐ง
๐งโ1 3โก ๐(๐ง) say
โด ๐ ๐๐๐2 โก ๐ ๐ง
๐ =
๐ง
๐
2+
๐ง
๐
๐ง
๐ โ1
3 =๐(๐ง2+๐๐ง)
๐งโ๐ 3
iii.
Proof: We have ๐ ๐โ๐๐๐ = ๐ ๐๐๐ โ๐
= ๐ ๐๐๐ โ๐
. 1
Now ๐ 1 =๐ง
๐งโ1
โด ๐ ๐๐๐ โ๐
. 1 =๐ง๐ ๐๐
๐ง๐ ๐๐ โ1 โต ๐ ๐โ๐๐ข๐ โก ๐(๐๐ง)
=๐ง
๐งโ๐โ๐๐
=๐ง(๐งโ๐ ๐๐ )
๐งโ๐โ๐๐ ๐งโ๐ ๐๐
๐ ๐น ๐ = ๐, ๐ = ๐๐, ๐ โ ๐
= ๐
๐ ๐๐๐ =๐๐
๐ โ ๐ ๐
๐ ๐๐๐๐ =๐๐๐ + ๐๐๐
๐ โ ๐ ๐
๐ ๐๐จ๐ฌ๐๐ฝ =๐ ๐โ๐๐จ๐ฌ ๐ฝ
๐๐โ๐๐๐๐จ๐ฌ ๐ฝ+๐ , ๐ ๐ฌ๐ข๐ง ๐๐ฝ =
๐ ๐ฌ๐ข๐ง ๐ฝ
๐๐โ๐๐๐๐จ๐ฌ ๐ฝ+๐
Page | 4
=๐ง (๐งโ๐๐๐ ๐ โ๐๐ ๐๐๐ )
๐ง2โ๐ง ๐ ๐๐ +๐โ๐๐ +1 โต ๐๐๐ = ๐๐๐ ๐ + ๐๐ ๐๐๐
=๐ง (๐งโ๐๐๐ ๐ โ๐๐ ๐๐๐
๐ง2โ2๐ง๐๐๐ ๐ +1 โต ๐๐๐ ๐ =
๐ ๐๐ +๐โ๐๐
2
โด ๐ ๐โ๐๐๐ =๐ง(๐งโ๐๐๐ ๐ )
๐ง2โ2๐ง cos ๐+1โ ๐
๐ง sin ๐
๐ง2โ2๐ง cos ๐+1
โ ๐ cos ๐๐ โ ๐ sin ๐๐ =๐ง(๐งโ๐๐๐ ๐ )
๐ง2โ2๐ง cos ๐+1โ ๐
๐ง sin ๐
๐ง2โ2๐ง cos ๐+1
โด ๐ cos ๐๐ =๐ง ๐งโcos ๐
๐ง2โ2๐ง cos ๐+1 โฆโข
and ๐ sin ๐๐ =๐ง sin ๐
๐ง2โ2๐ง cos ๐+1 โฆโฃ
iv.
By Damping rule, replacing ๐ง by ๐ง
๐ in โขand โฃ, we get
๐ ๐๐ cos ๐๐ =๐ง ๐งโ๐cos ฮธ
๐ง2โ2๐๐ง cos ๐+๐2 and ๐ ๐๐ sin ๐๐ =
๐๐ง sin ๐
๐ง2โ2๐ง cos ๐+๐2
3. Right Shifting Property
For ๐ โฅ ๐, ๐ ๐๐โ๐ = ๐โ๐๐ ๐๐ , ๐ is positive integer
Proof: ๐ ๐ข๐โ๐ = ๐ข๐โ๐๐งโ๐โ๐=0
= ๐ขโ๐๐ง0 + ๐ข1โ๐๐งโ1 + โฏ +๐ขโ1๐งโ๐+1 + ๐ข0๐งโ๐ + ๐ข1๐งโ(๐+1) + ๐ข2๐งโ(๐+2) + โฏ
= 0 + ๐ข0๐งโ๐ + ๐ข1๐งโ(๐+1) + ๐ข2๐งโ(๐+2) + โฏ โต ๐ข๐ = 0 for ๐ < 0
= ๐ข๐โ๐๐งโ๐โ๐โ๐=0
= ๐ข๐๐งโ๐โ๐โ๐=0
= ๐งโ๐ ๐ข๐๐งโ๐โ๐=0
= ๐งโ๐ ๐ข๐๐งโ๐โ๐=0
= ๐งโ๐๐ ๐ข๐
4. Left Shifting Property
If ๐ is a positive integer ๐ ๐๐+๐ = ๐๐ ๐ ๐๐ โ ๐๐ โ๐๐
๐โ
๐๐
๐๐โ โฏ โ
๐๐โ๐
๐๐โ๐
Proof: ๐ ๐ข๐+๐ = ๐ข๐+๐๐งโ๐โ๐=0
= ๐ง๐ ๐ข๐+๐๐งโ(๐+๐)โ๐=0
= ๐ง๐ ๐ข๐๐งโ๐ + ๐ข1+๐๐งโ(1+๐) + ๐ข2+๐๐งโ(2+๐) + โฏ
= ๐ง๐ ๐ข0 + ๐ข1๐งโ1 + ๐ข2๐งโ2 + โฏ + ๐ข๐โ1๐งโ(๐โ1) + ๐ข๐๐งโ๐ + โฏ
โ๐ง๐ ๐ข0 + ๐ข1๐งโ1 + ๐ข2๐งโ2 + โฏ + ๐ข๐โ1๐งโ(๐โ1)
= ๐ง๐ ๐ข๐๐งโ๐โ๐=0 โ ๐ข๐๐งโ๐๐โ1
๐=0
= ๐ง๐ ๐ข๐๐งโ๐โ๐=0 โ ๐ข๐๐งโ๐๐โ1
๐=0
= ๐ง๐ ๐ ๐ข๐ โ ๐ข0 โ๐ข1
๐งโ
๐ข2
๐ง2โ โฏ โ
๐ข๐โ1
๐ง๐โ1
In particular for ๐ = 1,2,3
๐ ๐ข๐+1 = ๐ง ๐ ๐ข๐ โ ๐ข0
๐ ๐ข๐+2 = ๐ง2 ๐ ๐ข๐ โ ๐ข0 โ๐ข1
๐ง
๐ ๐๐๐๐จ๐ฌ๐๐ฝ =๐ ๐โ๐๐๐จ๐ฌ ๐
๐๐โ๐๐๐๐๐จ๐ฌ ๐ฝ+๐๐ , ๐ ๐๐ ๐ฌ๐ข๐ง ๐๐ฝ =
๐๐ ๐ฌ๐ข๐ง๐ฝ
๐๐โ๐๐๐๐จ๐ฌ ๐ฝ+๐๐
Page | 5
๐ ๐ข๐+3 = ๐ง3 ๐ ๐ข๐ โ ๐ข0 โ๐ข1
๐งโ
๐ข2
๐ง2
5. Initial Value theorem:
If ๐ ๐๐ = ๐ผ(๐), then ๐๐ = ๐ฅ๐ข๐ฆ ๐โโ
๐ผ(๐)
๐๐ = ๐ฅ๐ข๐ฆ ๐โโ
๐ ๐ผ ๐ โ๐๐
๐๐ = ๐ฅ๐ข๐ฆ ๐โโ
๐๐ ๐ผ ๐ โ๐๐ โ๐๐
๐
โฎ
Proof: By definition ๐ ๐ง = ๐ ๐ข๐ = ๐ข๐๐งโ๐โ๐=0
โ ๐ ๐ง = ๐ข0 +๐ข1
๐ง+
๐ข2
๐ง2+
๐ข3
๐ง3+ โฏ โฆโค
โด ๐ข0 = lim ๐งโโ
๐ ๐ง = lim๐งโโ
๐ข0 +๐ข1
๐ง+
๐ข2
๐ง2+
๐ข3
๐ง3+ โฏ
= ๐ข0 + 0 + 0 + 0 + โฏ = ๐ข0
Again fromโค, we get
๐ ๐ง โ๐ข0 =๐ข1
๐ง+
๐ข2
๐ง2+
๐ข3
๐ง3+ โฏ
โ ๐ง ๐ ๐ง โ๐ข0 = ๐ข1 +๐ข2
๐ง+
๐ข3
๐ง2+ โฏ
โ lim๐งโโ
๐ง ๐ ๐ง โ๐ข0 = lim๐งโโ
๐ข1 +๐ข2
๐ง+
๐ข3
๐ง2+ โฏ = ๐ข1
Similarly ๐ข2 = lim ๐งโโ
๐ง2 ๐ ๐ง โ๐ข0 โ๐ข1
๐ง
Note: Initial value theorem may be used to determine the sequence ๐ข๐ from the given
function ๐ ๐ง
6. Final Value theorem:
If ๐ ๐๐ = ๐ผ(๐), then ๐ฅ๐ข๐ฆ ๐โโ
๐๐ = ๐ฅ๐ข๐ฆ ๐โ๐
(๐ โ ๐)๐ผ(๐)
Proof: ๐ ๐ข๐+1 โ ๐ข๐ = ๐ข๐+1 โ ๐ข๐ ๐งโ๐โ๐=0
โ ๐ ๐ข๐+1 โ ๐ ๐ข๐ = ๐ข๐+1 โ ๐ข๐ ๐งโ๐โ๐=0
โ ๐ง ๐ ๐ข๐ โ ๐ข0 โ ๐ ๐ข๐ = ๐ข๐+1 โ ๐ข๐ ๐งโ๐โ๐=0
By using left shifting property for ๐ = 1
โ ๐ง โ 1 ๐ ๐ข๐ โ ๐ข0 = ๐ข๐+1 โ ๐ข๐ ๐งโ๐โ๐=0
or ๐ง โ 1 ๐(๐ง) โ ๐ข0 = ๐ข๐+1 โ ๐ข๐ ๐งโ๐โ๐=0 โต ๐ ๐ข๐ = ๐(๐ง)
Taking limits ๐ง โ 1 on both sides
lim ๐งโ1
๐ง โ 1 ๐ ๐ง โ ๐ข0 = ๐ข๐+1 โ ๐ข๐ โ๐=0
or lim ๐งโ1
๐ง โ 1 ๐ ๐ง โ ๐ข0 = lim ๐โโ
๐ข1 โ ๐ข0 + ๐ข2 โ ๐ข1 + โฏ + ๐ข๐+1 โ ๐ข๐
= lim ๐โโ
๐ข๐+1 โ ๐ข0
โ lim ๐งโ1
๐ง โ 1 ๐ ๐ง = ๐ขโ
or lim ๐งโ1
๐ง โ 1 ๐ ๐ง = lim ๐โโ
๐ข๐
Note: Initial value and final value theorems determine the value of ๐ข๐ for ๐ = 0 and
for ๐ โถ โ from the given function ๐ ๐ง .
7. Convolution theorem
Convolution of two sequences ๐ข๐ and ๐ฃ๐ is defined as ๐ข๐ โ ๐ฃ๐ = ๐ข๐๐ฃ๐โ๐๐๐=0
Convolution theorem for ๐-transforms states that
If ๐ผ ๐ = ๐ ๐๐ and ๐ฝ ๐ = ๐ ๐๐ , then ๐ ๐๐ โ ๐๐ = ๐ผ ๐ . ๐ฝ ๐
Proof: ๐ ๐ง . ๐ ๐ง = ๐ ๐ข๐ . ๐ ๐ฃ๐ = ๐ข๐๐งโ๐โ
๐=0 . ๐ฃ๐๐งโ๐โ๐=0
Page | 6
= ๐ข0 +๐ข1
๐ง+
๐ข2
๐ง2+ โฏ +
๐ข๐
๐ง๐+ โฏ . ๐ฃ0 +
๐ฃ1
๐ง+
๐ฃ2
๐ง2+ โฏ +
๐ฃ๐
๐ง๐+ โฏ
= ๐ข0๐ฃ0 + ๐ข0๐ฃ1 + ๐ข1๐ฃ0 ๐งโ1 + ๐ข0๐ฃ2 + ๐ข1๐ฃ1 + ๐ข2๐ฃ0 ๐งโ2 + โฏ
= ๐ข0๐ฃ๐ + ๐ข1๐ฃ๐โ1 + ๐ข2๐ฃ๐โ2 + โฏ + ๐ข๐๐ฃ0 ๐งโ๐โ๐=0
= ๐ข๐๐ฃ๐โ๐๐๐=0 ๐งโ๐โ
๐=0
โ ๐ ๐ง . ๐ ๐ง = ๐ ๐ข๐๐ฃ๐โ๐๐๐=0 โต ๐ข๐๐งโ๐ = ๐ ๐ข๐ โ
๐=0
โ ๐ ๐ง . ๐ ๐ง = ๐ ๐ข๐ โ ๐ฃ๐ โต ๐ข๐ โ ๐ฃ๐ = ๐ข๐๐ฃ๐โ๐๐๐=0
Example1 Find the ๐โtransform of 2๐ + 3 sin๐๐
4โ 5๐4
Solution: By linearity property
๐ 2๐ + 3 sin๐๐
4โ 5๐4 = 2๐ ๐ + 3๐ sin
๐๐
4 โ 5๐ ๐4
= 2๐ ๐ + 3๐ sin๐๐
4 โ 5๐4๐ 1
=2๐ง
๐งโ1 2+
3๐ง ๐๐๐๐
4
๐ง2โ2๐ง๐๐๐ ๐
4+1
โ5๐4๐ง
๐งโ1
โต ๐ ๐ =๐ง
๐งโ1 2 , ๐ sin ๐๐ =
๐ง sin ๐
๐ง2โ2๐ง cos ๐+1 , ๐ 1 =
๐ง
๐งโ1
โด ๐ 2๐ + 3 sin๐๐
4โ 5๐4 =
2๐ง
๐งโ1 2+
3๐ง
2
๐ง2โ 2 ๐ง+1โ
5๐4๐ง
๐งโ1
Example2 Find the ๐โtransform of the sequence 4, 8, 16, 32, โฆ
Solution: ๐ข๐ = 2๐+2 , ๐ = 0,1,2,3 โฆ.
๐ 2๐+2 = ๐ 222๐
= 4 ๐ 2๐ =4๐ง
๐งโ2 ,
2
๐ง < 1 โต ๐ ๐๐ =
๐ง
๐งโ๐ ,
๐
๐ง < 1
Example3 Find the ๐โtransform of (๐ + 1)2
Solution: ๐ (๐ + 1)2 = ๐ ๐2 + 2๐ + 1 = ๐ ๐2 + 2๐ ๐ + ๐ 1
=๐ง2+ ๐ง
(๐งโ1)3+
2๐ง
(๐งโ1)2+
๐ง
๐งโ1
โต ๐ ๐2 =๐ง2+ ๐ง
(๐งโ1)3, ๐ ๐ =
๐ง
๐งโ1 2, ๐ 1 =
๐ง
๐งโ1
Example4 Find the ๐โtransform of
i. ๐ cos ๐๐ ii. sin ๐๐
2+
๐
4 iii. ๐โ2๐ iv. ๐ ๐
Solution: i. ๐ cos ๐๐ =๐ง (๐งโ๐๐๐ ๐ )
๐ง2โ2๐ง๐๐๐ ๐ +1
โด ๐ ๐cos ๐๐ = โ๐ง๐
๐๐ง
๐ง ๐งโ๐๐๐ ๐
๐ง2โ2๐ง๐๐๐ ๐ +1
โต ๐ ๐๐ข๐ = โ๐ง๐
๐๐ง๐ ๐ข๐
= โ๐ง โ๐ง2๐๐๐ ๐ +2๐งโ๐๐๐ ๐
๐ง2โ2๐ง๐๐๐ ๐ +1 2
=๐ง3๐๐๐ ๐ โ2๐ง2+ ๐ง๐๐๐ ๐
๐ง2โ2๐ง๐๐๐ ๐ +1 2
ii. ๐ sin ๐๐
2+
๐
4 = ๐ sin
๐๐
2cos
๐
4+ cos
๐๐
2sin
๐
4
= cos๐
4๐ sin
๐๐
2 + sin
๐
4๐ cos
๐๐
2
Page | 7
=1
2
๐ง sin๐
2
๐ง2โ2๐ง cos๐
2+1
+๐ง ๐งโ๐๐๐
๐
2
๐ง2โ2๐ง ๐๐๐ ๐
2+1
โต ๐ sin ๐๐ =๐ง sin ๐
๐ง2โ2๐ง cos ๐+1 , ๐ cos ๐๐ =
๐ง ๐งโcos ๐
๐ง2โ2๐ง cos ๐+1
=1
2
๐ง
๐ง2+1+
๐ง2
๐ง2+1 =
1
2 ๐ง+๐ง2
๐ง2+1
iii. ๐ ๐โ2๐ = ๐ ๐โ2 ๐
=๐ง
๐งโ๐โ2 โต ๐ ๐๐ = ๐ง
๐งโ๐
=๐ง๐2
๐ง๐2โ1
iv. ๐ ๐ = ๐โ๐ , ๐ < 0๐๐ , ๐ โฅ 0
Taking two sided ๐โ transform: ๐ ๐ ๐ = ๐ ๐ ๐งโ๐โ๐=โโ
โด ๐ ๐ ๐ = ๐โ๐๐งโ๐ + ๐๐๐งโ๐โ0
โ1โโ
= โฆ +๐3๐ง3 + ๐2๐ง2 + ๐๐ง + 1 +๐
๐ง+
๐2
๐ง2+
๐3
๐ง3+ โฏ
=๐๐ง
1โ๐๐ง+
1
1โ๐๐ง
, ๐๐ง < 1 and ๐
๐ง < 1
=๐๐ง
1โ๐๐ง+ ๐ง
๐งโ๐ , ๐ง <
1
๐ and ๐ < ๐ง
=๐ง 1โ๐๐ง
1โ๐๐ง ๐งโ๐ , ๐ < ๐ง <
1
๐
โ ๐ ๐ ๐ =๐ง
๐งโ๐ , ๐ < ๐ง <
1
๐
Example5 Find the ๐โtransform of ๐ข๐ = 2๐ , ๐ < 03๐ , ๐ โฅ 0
Taking two sided ๐โ transform: ๐ ๐ข๐ = ๐ข๐๐งโ๐โ๐=โโ
โด ๐ ๐ข๐ = 2๐๐งโ๐ + 3๐๐งโ๐โ0
โ1โโ
= โฆ +๐ง3
23+
๐ง2
22+
๐ง
2 + 1 +
3
๐ง+
32
๐ง2+
33
๐ง3+ โฏ
=๐ง2
1โ๐ง2
+1
1โ3๐ง
, ๐ง
2 < 1 and
3
๐ง < 1
=๐ง
2โ๐ง+
๐ง
๐งโ3 , ๐ง < 2 and 3 < ๐ง
=๐ง ๐งโ3 +๐ง 2โ๐ง
2โ๐ง ๐งโ3 , 3 < ๐ง < 2
โ ๐ ๐ข๐ =๐ง
๐ง2โ5๐ง+6 , 3 < ๐ง < 2
โด ๐โtransform does not exist for ๐ข๐ = 2๐ , ๐ < 03๐ , ๐ โฅ 0
as the set 3 < ๐ง < 2 is infeasible.
Example6 Find the ๐โtransform of
i. ๐๐ถ๐ 0 โค ๐ โค ๐ ii. ๐+๐๐ถ๐ iii. 1
๐+๐ ! iv.
1
๐โ๐ !
Solution: i. ๐ ๐๐ถ๐ = ๐๐ถ๐ ๐งโ๐๐๐=0
= 1 + ๐๐ถ1 ๐งโ1 + ๐๐ถ2 ๐งโ2 + โฏ + ๐๐ถ๐ ๐งโ๐
= 1 + ๐งโ1 ๐
ii. ๐ ๐+๐๐ถ๐ = ๐+๐๐ถ๐ ๐งโ๐โ๐=0
= 1 + ๐+1๐ถ1 ๐งโ1 + ๐+2๐ถ2 ๐งโ2 + ๐+3๐ถ3 ๐งโ3 + โฏ
= 1 + (๐ + 1) ๐งโ1 +(๐+2)(๐+1)
2! ๐งโ2 +
(๐+3)(๐+2)(๐+1)
3! ๐งโ3 + โฏ
Page | 8
= 1 + โ๐ โ 1 (โ ๐งโ1) + โ๐โ1 โ๐โ2
2! โ๐งโ1 โ2
+(โ๐โ1)(โ๐โ2)(โ๐โ3)
3! โ๐งโ1 โ3 + โฏ
= 1 โ ๐งโ1 โ๐โ1
Example 7 Find the ๐โtransform of
i. 1
๐ ! ii.
1
๐+๐ ! iii.
1
๐โ๐ !
i. ๐ 1
๐ ! =
1
๐ ! ๐งโ๐โ
๐=0 = 1 +1
1! ๐งโ1 +
1
2! ๐งโ2 +
1
3! ๐งโ3 + โฏ
= 1 +1
1!
1
๐ง+
1
2!
1
๐ง2+
1
3!
1
๐ง3+ โฏ = ๐
1
๐ง
โ ๐ 1
๐ ! = ๐
1
๐ง
ii. ๐ 1
๐+๐ ! =
1
๐+๐ ! ๐งโ๐โ
๐=0
Now ๐ 1
๐ ! = ๐
1
๐ง
Also from left shifting property ๐ ๐ข๐+๐ = ๐ง๐ ๐ ๐ข๐ โ ๐ข0 โ๐ข1
๐งโ
๐ข2
๐ง2โ โฏ โ
๐ข๐โ1
๐ง๐โ1
โด ๐ 1
๐+๐ ! = ๐ง๐ ๐
1
๐ง โ 1 โ1
๐งโ
1
2! ๐ง2โ โฏ โ
1
๐โ1 !๐ง๐โ1
In particular 1
๐+1 ! = ๐ง1 ๐
1
๐ง โ 1
1
๐+2 ! = ๐ง2 ๐
1
๐ง โ 1 โ1
๐ง
โฎ
iii. ๐ 1
๐โ๐ ! =
1
๐โ๐ ! ๐งโ๐โ
๐=0
Now ๐ 1
๐ ! = ๐
1
๐ง
Also from right shifting property, ๐ ๐ข๐โ๐ = ๐งโ๐๐ ๐ข๐ , ๐ is positive integer
โด ๐ 1
๐โ๐ ! = ๐งโ๐๐
1
๐ง
In particular 1
๐โ1 ! = ๐งโ1๐
1
๐ง
1
๐+2 ! = ๐งโ2๐
1
๐ง
โฎ
Example8 Find ๐ ๐ข๐+2 if ๐ ๐ข๐ =๐ง
๐งโ1+
๐ง
๐ง2+1
Solution: Given ๐ ๐ข๐ = ๐ ๐ง =๐ง
๐งโ1+
๐ง
๐ง2+1
From left shifting property ๐ ๐ข๐+2 = ๐ง2 ๐ ๐ข๐ โ ๐ข0 โ๐ข1
๐ง โฆโ
Now from initial value theorem ๐ข0 = lim ๐งโโ
๐ ๐ง
= lim ๐งโโ
๐ง
๐งโ1+
๐ง
๐ง2+1
Page | 9
= lim ๐งโโ
1
1โ1
๐ง
+ 1
๐ง
1+1
๐ง2
= 1 + 0
โด ๐ข0 = 1 โฆโก
Also from initial value theorem ๐ข1 = lim ๐งโโ
๐ง ๐ ๐ง โ๐ข0
= lim ๐งโโ
๐ง ๐ง
๐งโ1+
๐ง
๐ง2+1โ 1
= lim ๐งโโ
๐ง 2๐ง2โ๐ง+1
(๐ง2+1)(๐งโ1) = 2
โด ๐ข1 = 2 โฆ โข
Using โกand โข in โ , we get ๐ ๐ข๐+2 = ๐ง2 ๐ง
๐งโ1+
๐ง
๐ง2+1โ 1 โ
2
๐ง
โ ๐ ๐ข๐+2 =๐ง ๐ง2โ๐ง+2
๐งโ1 ๐ง2+1
Example9 Verify convolution theorem for ๐ข๐ = ๐ and ๐ฃ๐ = 1
Solution: Convolution theorem states that ๐ ๐ข๐ โ ๐ฃ๐ = ๐ ๐ง . ๐ ๐ง
We know that ๐ข๐ โ ๐ฃ๐ = ๐ข๐๐ฃ๐โ๐๐๐=0
= ๐๐๐=0 . 1
= 0 + 1 + 2 + 3 + โฏ + ๐ =๐ ๐+1
2
โ ๐ ๐ข๐ โ ๐ฃ๐ = ๐ ๐+1
2
โ๐=0 ๐งโ๐ =
1
2 ๐2โ
๐=0 ๐งโ๐ + ๐โ๐=0 ๐งโ๐
=1
2 ๐ ๐2 + ๐ ๐
=1
2 ๐ง ๐ง+1
๐งโ1 3+
๐ง
๐งโ1 2 =
1
2 ๐ง ๐ง+1 +๐ง(๐งโ1)
๐งโ1 3 =
1
2
2๐ง2
๐งโ1 3
โด ๐ ๐ข๐ โ ๐ฃ๐ =๐ง2
๐งโ1 3 โฆโ
Also ๐ ๐ง = ๐ ๐ =๐
๐โ๐ ๐ and ๐ ๐ง = ๐ 1 =
๐ง
๐งโ1
โ ๐ ๐ง . ๐ ๐ง =๐ง2
๐งโ1 3 โฆ โก
From โ and โก ๐ ๐ข๐ โ ๐ฃ๐ = ๐ ๐ง . ๐ ๐ง
Example10 If ๐ข๐ = ๐ฟ ๐ โ ๐ฟ ๐ โ 1 , ๐ฃ๐ = 2๐ฟ ๐ + ๐ฟ ๐ โ 1 , Find the ๐ -transform of
their convolution.
Solution: ๐ ๐ง = ๐ ๐ฟ ๐ โ ๐ฟ ๐ โ 1 , ๐ ๐ง = ๐ 2๐ฟ ๐ + ๐ฟ ๐ โ 1
Now ๐ ๐ฟ ๐ = 1 and ๐ ๐ฟ ๐ โ 1 = ๐งโ1 โต ๐ ๐ข๐โ๐ = ๐งโ๐๐ ๐ข๐
โด ๐ ๐ง = 1 โ ๐งโ1 and ๐ ๐ง = 2 + ๐งโ1
Also ๐ ๐ข๐ โ ๐ฃ๐ = ๐ ๐ง . ๐ ๐ง
โ ๐ ๐ข๐ โ ๐ฃ๐ = 1 โ ๐งโ1 2 + ๐งโ1 = 2 โ ๐งโ1 โ ๐งโ2
4.3 Inverse Z-Transform
Given a function ๐ ๐ง , we can find the sequence ๐ข๐ by one of the following methods
Inspection (Direct inversion)
Direct division
Partial fractions
Page | 10
Residues (Inverse integral)
Power-Series
Convolution theorem
4.3.1 Inspection (Direct inversion) method
Sometimes by observing the coefficients in the given series ๐ ๐ง , it is possible to find
the sequence ๐ข๐ as illustrated in the given examples.
Example 11 Find ๐ข๐ if ๐ ๐ง = 1 +1
2๐งโ1 +
1
4๐งโ2 +
1
8๐งโ3 + โฏ
Solution: Given that ๐ ๐ง = 1
2
๐
๐งโ๐โ๐=0 โฆ โ
Also by the definition of Z-transform ๐(๐ง) = ๐ข๐๐งโ๐ โ๐=0 โฆโก
.Comparing โ and โก, we get ๐ข๐ = 1
2
๐
Example12 Find ๐ข๐ if ๐ ๐ง =๐ง3
๐งโ1 3
Solution: ๐ ๐ง =๐ง3
๐งโ1 3=
๐งโ1
๐ง
โ3
= 1 โ1
๐ง
โ3
โด ๐ ๐ง = 1 + 3
๐ง+
6
๐ง2+
10
๐ง3+ โฏ
โต 1 โ ๐ฅ โ๐ = 1 + ๐๐ฅ +๐ ๐+1
2!๐ฅ2 +
๐(๐+1)(๐+2)
3!๐ฅ3 + โฏ
โ ๐ ๐ง = ๐+1 (๐+2)
2๐งโ๐โ
๐=0
Comparing with ๐(๐ง) = ๐ข๐๐งโ๐โ๐=0 , we get ๐ข๐ =
๐+1 (๐+2)
2
Example13 Find inverse ๐-transform of 3 +2๐ง
๐งโ1โ
๐ง
2๐งโ1
Solution: Given that ๐ ๐ง = 3 +2๐ง
๐งโ1โ
๐ง
2๐งโ1
โด ๐ข๐ = 3๐โ1 1 + 2๐โ1 ๐ง
๐งโ1 โ
1
2๐โ1
๐ง
๐งโ1
2
โ ๐ข๐ = 3๐ฟ ๐ + 2๐ข ๐ โ1
2
1
2
๐
= 3๐ฟ ๐ + 2๐ข ๐ โ 1
2
๐+1
โต ๐โ1 1 = ๐ฟ ๐ , ๐โ1 ๐ง
๐งโ1 = ๐ข(๐) , ๐โ1
๐ง
๐งโ๐ = ๐๐ where ๐ฟ ๐ and
๐ข(๐) are unit impulse and unit step sequences respectively.
Example14 Find inverse ๐-transform of 2๐งโ2 โ๐งโ3
๐งโ1+
2๐งโ5
2๐งโ1
Solution: Given that ๐ ๐ง = 2๐งโ2 โ๐งโ3
๐งโ1+
2๐งโ5
2๐งโ1
โด ๐ข๐ = 2๐โ1 ๐งโ2. 1 โ ๐โ1 ๐งโ4.๐ง
๐งโ1 + ๐โ1 ๐งโ6 ๐ง
๐งโ1
2
โ ๐ข๐ = 2๐ฟ ๐ โ 2 โ ๐ข ๐ โ 4 + 1
2
๐โ6
๐ข ๐ โ 6
โต From Right shifting property ๐โ1 ๐งโ๐๐(๐) = ๐ข๐โ๐
4.3.2 Direct division method
Direct division is one of the simplest methods for finding inverse ๐ -transform and can
be used for almost every type of expression given in fractional form.
Example15 Find the inverse ๐-transform of ๐ง
๐ง2โ3๐ง+2
Page | 11
Solution: Given that ๐ ๐ง =๐ง
๐ง2โ3๐ง+2
By actual division, we get
๐งโ1 + 3๐งโ2 + 7๐งโ3
๐ง2 โ 3๐ง + 2 ๐ง
๐ง โ 3 + 2๐งโ1
3 โ 2๐งโ1 3 โ 9๐งโ1 + 6๐งโ2
7๐งโ1 โ 6๐งโ2
7๐งโ1 โ 21๐งโ2 + 14๐งโ3
15๐งโ2 โ 14๐งโ3
โฎ โ ๐ ๐ง = ๐งโ1 + 3๐งโ2 + 7๐งโ3 + โฏ
= 2๐โ 1 ๐งโ๐โ๐=0
โด ๐ข๐ = 2๐ โ 1
Example16 Find the inverse ๐ -transform of 4๐ง2+2๐ง
2๐ง2โ3๐ง+1
Solution: Given that ๐ ๐ง =4๐ง2+2๐ง
2๐ง2โ3๐ง+1 , by actual division, we get
2 + 4๐งโ1 + 5๐งโ2
2๐ง2 โ 3๐ง + 1 4๐ง2 + 2๐ง
4๐ง2 โ 6๐ง + 2
8๐ง โ 2 8๐ง โ 12 + 4๐งโ1
10 โ 4๐งโ1
10 โ 15๐งโ1 + 5๐งโ2
11๐งโ1 โ 5๐งโ2
โฎ โ ๐ ๐ง = 2 + 4๐งโ1 + 5๐งโ2 + โฏ
= 6 โ 22โ๐ ๐งโ๐โ๐=0
โด ๐ข๐ = 6 โ 22โ๐
โด ๐ข๐ = 6โ4 1
2
๐
4.3.3 Partial fractions method
Partial fractions method can be used only if order of expression in the numerator is less
than or equal to that in the denominator. If order of expression in the numerator is
greater, then the fraction may be brought to desired form by direct division. Partial
fractions are formed of the expression ๐(๐ง)
๐ง as demonstrated in the examples below.
Example17 Find the inverse ๐ -transform of ๐ง
6๐ง2โ5๐ง+1
Solution: Given that ๐ ๐ง =๐ง
6๐ง2โ5๐ง+1
โด ๐(๐ง)
๐ง=
1
6๐ง2โ5๐ง+1=
1
2๐งโ1 (3๐งโ1)
โ๐(๐ง)
๐ง=
2
2๐งโ1โ
3
3๐งโ1
โ ๐ ๐ง =๐ง
๐งโ 1
2
โ๐ง
๐งโ 1
3
โด ๐ข๐ = 1
2
๐
โ 1
3
๐
โต ๐ ๐๐ =๐ง
๐งโ๐ or ๐โ1
๐ง
๐งโ๐ = ๐๐
Page | 12
i.e. ๐ข๐= 2โ๐โ 3โ๐
Example18 Find the inverse ๐ -transform of 4๐ง2+2๐ง
2๐ง2โ3๐ง+1
Solution: Given that ๐ ๐ง =4๐ง2โ2๐ง
2๐ง2โ3๐ง+1=
2๐ง(2๐งโ1)
2๐งโ1 (๐งโ1)
โด ๐(๐ง)
๐ง=
2(2๐ง+1)
2๐งโ1 (๐งโ1)
By partial fractions, we get
๐(๐ง)
๐ง=
โ8
2๐งโ1+
6
๐งโ1
โ ๐ ๐ง =โ8๐ง
2๐งโ1+
6๐ง
๐งโ1
โด ๐ข๐ = โ4๐โ1 ๐ง
๐งโ1
2
+ 6๐โ1 ๐ง
๐งโ1
โ ๐ข๐ = โ4 1
2
๐
+ 6 1 ๐ โต ๐โ1 ๐ง
๐งโ๐ = ๐๐
i.e. ๐ข๐= โ4 1
2
๐
+ 6
Example19 Find the inverse ๐ -transform of 1
1โ๐งโ1 (2โ๐งโ1)
Solution: Given that ๐ ๐ง = 1
1โ๐งโ1 (2โ๐งโ1)
Multiplying and dividing by ๐ง2, we get
๐ ๐ง =๐ง2
๐ง 1โ๐งโ1 ๐ง(2โ๐งโ1)=
๐ง2
๐งโ1 (2๐งโ1)
โด ๐(๐ง)
๐ง=
๐ง
๐งโ1 (2๐งโ1)
By partial fractions, we get
๐(๐ง)
๐ง=
1
๐งโ1 โ
1
(2๐งโ1)
โ ๐ ๐ง =๐ง
๐งโ1 โ
๐ง
(2๐งโ1)
โด ๐ข๐ = ๐โ1 ๐ง
๐งโ1 โ
1
2๐โ1
๐ง
๐งโ1
2
โ ๐ข๐ = 1 ๐ โ1
2
1
2
๐
โต ๐โ1 ๐ง
๐งโ๐ = ๐๐
i.e. ๐ข๐= 1 โ 1
2
๐+1
Example20 Find the inverse ๐ -transform of 4๐ง2โ2๐ง
๐ง3โ5๐ง2+8๐งโ4
Solution: Given that ๐ ๐ง =4๐ง2โ2๐ง
๐ง3โ5๐ง2+8๐งโ4=
2๐ง(2๐งโ1)
๐งโ1 (๐งโ2)2
โด ๐(๐ง)
๐ง=
2(2๐งโ1)
๐งโ1 (๐งโ2)2
By partial fractions, we get
๐(๐ง)
๐ง=
2
๐งโ1โ
2
๐งโ2+
6
๐งโ2 2
โ ๐ ๐ง =2๐ง
๐งโ1โ
2๐ง
๐งโ2+
6๐ง
๐งโ2 2
Page | 13
โด ๐ข๐ = 2๐โ1 ๐ง
๐งโ1 โ 2๐โ1
๐ง
๐งโ2 + 3๐โ1
2๐ง
๐งโ2 2
โ ๐ข๐ = 2 1 ๐โ 2 2 ๐ + 3๐ 2 ๐ โต ๐โ1 ๐ง
๐งโ๐ = ๐๐ and ๐โ1
๐๐ง
๐งโ๐ 2 = ๐๐๐
i.e. ๐ข๐= 2โ 2๐+1 + 3๐. 2๐
4.3.4 Method of residues (Inverse integral)
By using the theory of complex variables, it can be shown that the inverse ๐-transform
is given by ๐ข๐ =1
2๐๐ ๐ ๐ง ๐ง๐โ1๐๐ง =๐
sum of residues of ๐ ๐ง
where c is the closed contour which contains all the insolated singularities of ๐ ๐ง in
the region of convergence.
Method of residues is one of the most efficient methods and can be used to find the
inverse ๐- transform where partial fractions are tedious to find.
Example21 Find the inverse z-transform of ๐ง
๐ง2+7๐ง+10
Solution: ๐ ๐ง =๐ง
๐ง2+7๐ง+10
Now ๐ข๐ =1
2๐๐ ๐ ๐ง ๐ง๐โ1๐๐ง๐
โ ๐ข๐ =1
2๐๐
๐ง
๐ง2+7๐ง+10๐ง๐โ1๐๐ง
๐
=1
2๐๐
๐ง๐
๐ง2+7๐ง+10๐๐ง
๐
=1
2๐๐
๐ง๐
๐ง+2 (๐ง+5)๐๐ง
๐
There are two simple poles at ๐ง = โ2 and ๐ง = โ5
Residue at ๐ง = โ2 is given by lim๐งโโ2
๐ง + 2 ๐ง๐
๐ง+2 (๐ง+5)=
โ2 ๐
3
Residue at ๐ง = โ5 is given by lim๐งโโ5
๐ง + 5 ๐ง๐
๐ง+2 (๐ง+5)=
โ5 ๐
โ3
โด ๐ข๐= sum of residues = โ2
๐
3+
โ5 ๐
โ3=
1
3 โ 2
๐โ โ 5
๐
Example22 Find the inverse z-transform of ๐ง2+๐ง
๐งโ1 (๐ง2+1)
Solution: ๐ ๐ง =๐ง2+๐ง
๐งโ1 (๐ง2+1)
Now ๐ข๐ =1
2๐๐ ๐ ๐ง ๐ง๐โ1๐๐ง๐
โ ๐ข๐ =1
2๐๐
๐ง2+๐ง
๐งโ1 (๐ง2+1)๐ง๐โ1๐๐ง
๐
=1
2๐๐
๐ง๐ (๐ง+1)
๐งโ1 (๐ง+๐)(๐งโ๐)๐๐ง
๐
There are three simple poles at ๐ง = 1, ๐ง = โ๐ and ๐ง = ๐
Residue at ๐ง = 1 is given by lim๐งโ1
๐ง โ 1 ๐ง๐ (๐ง+1)
๐งโ1 (๐ง+๐)(๐งโ๐)= 1
Residue at ๐ง = โ๐ is given by lim๐งโโ๐
๐ง + ๐ ๐ง๐ (๐ง+1)
๐งโ1 (๐ง+๐)(๐งโ๐)= โ
1
2 โ๐ ๐
Residue at ๐ง = ๐ is given by lim๐งโ๐
๐ง โ ๐ ๐ง๐ (๐ง+1)
๐งโ1 (๐ง+๐)(๐งโ๐)= โ
1
2๐๐
โด ๐ข๐= sum of residues = 1 โ1
2 โ๐ ๐ โ
1
2๐๐ = 1 โ
1
2 โ๐ ๐ + ๐๐
Page | 14
Example23 Find the inverse z-transform of ๐ง(๐ง+1)
(๐งโ1)3
Solution: ๐ ๐ง =๐ง(๐ง+1)
(๐งโ1)3
Now ๐ข๐ =1
2๐๐ ๐ ๐ง ๐ง๐โ1๐๐ง๐
โ ๐ข๐ =1
2๐๐
๐ง๐ (๐ง+1)
(๐งโ1)3๐๐ง
๐
Here ๐ง = 1 is a pole of order 3
Residue at ๐ง = 1 is given by 1
2!lim๐งโ1
๐2
๐๐ง 2
(๐งโ1)3๐ง๐ (๐ง+1)
(๐งโ1)3
=1
2!lim๐งโ1
๐2
๐๐ง 2 ๐ง๐ (๐ง + 1)
=1
2!lim๐งโ1
๐
๐๐ง (๐ + 1)๐ง๐ + ๐๐ง๐โ1
=1
2!lim๐งโ1
(๐ + 1)๐๐ง๐โ1 + ๐(๐ โ 1)๐ง๐โ2
= ๐2 + ๐ + ๐2 โ ๐ = ๐2
โด ๐ข๐ = Sum of residues = ๐2
4.3.5 Power series method
In this method, we find the inverse ๐ - transform by expanding ๐ ๐ง in power series.
Example 24 Find ๐ข๐ if ๐ ๐ง = log๐ง
๐ง+1
Solution: Given ๐ ๐ง = log๐ง
๐ง+1= log
๐ง+1
๐ง
โ1
= โ log๐ง+1
๐ง= โ log 1 +
1
๐ง
โด ๐ ๐ง = โ log 1 + ๐ฆ Putting 1
๐ง= ๐ฆ
= โ๐ฆ +๐ฆ2
2โ
๐ฆ3
3+
๐ฆ4
4โ โฏ
โต log 1 + ๐ฅ = ๐ฅ โ๐ฅ2
2+
๐ฅ3
3โ
๐ฅ4
4+ โฏ
โ ๐ ๐ง = โ1
๐ง+
1
2๐ง2โ
1
3๐ง3+
1
4๐ง4โ โฏ โต ๐ฆ =
1
๐ง
โ ๐ ๐ง = 0 + (โ1)๐
๐๐งโ๐โ
๐=1
Comparing with ๐(๐ง) = ๐ข๐๐งโ๐โ๐=0 , we get
๐ข๐ = 0 for ๐ = 0
(โ1)๐
๐, ๐๐กโ๐๐๐ค๐๐ ๐
4.3.6 Convolution theorem method
Convolution theorem for ๐-transforms states that:
If ๐ ๐ง = ๐ ๐ข๐ and ๐ ๐ง = ๐ ๐ฃ๐ , then ๐ ๐ข๐ โ ๐ฃ๐ = ๐ ๐ง . ๐ ๐ง
โ ๐โ1 ๐ ๐ง . ๐ ๐ง = ๐ข๐ โ ๐ฃ๐
Example25 Find the inverse z-transform of ๐ง2
๐งโ1 (2๐งโ1) using convolution theorem.
Solution: Let ๐ ๐ง = ๐ ๐ข๐ =๐ง
๐งโ1 and ๐ ๐ง = ๐ ๐ฃ๐ =
๐ง
2๐งโ1 =
1
2
๐ง
๐งโ1
2
Clearly ๐ข๐ = 1 ๐ and ๐ข๐ =1
2
1
2
๐
โต ๐โ1 ๐ง
๐งโ๐ = ๐๐
Now by convolution theorem ๐โ1 ๐ ๐ง . ๐ ๐ง = ๐ข๐ โ ๐ฃ๐
Page | 15
โ ๐โ1 ๐ง2
๐งโ1 (2๐งโ1) = 1 ๐ โ
1
2
๐+1
We know that ๐ข๐ โ ๐ฃ๐ = ๐ข๐๐ฃ๐โ๐๐๐=0
= 1 ๐ 1
2
๐+1โ๐๐๐=0
= 1
2
๐+1
+ 1
2
๐
+ 1
2
๐โ1
+ โฏ +1
2
=1
2 1 +
1
2+
1
2
2
+ โฏ + 1
2
๐
=1
2
1
1โ1
2
1 โ 1
2
๐+1
โต ๐๐ =๐
1โ๐ 1 โ ๐๐
=1
2 2 1 โ
1
2
๐+1
= 1 โ 1
2
๐+1
Exercise 4A
1. Find the ๐โtransform of ๐ข๐ = 2๐ , ๐ < 03๐ , ๐ โฅ 0
2. Find the ๐โtransform of ๐ข๐ =1
๐โ๐ !
3. Find the inverse ๐โtransform of ๐ข๐ =2๐ง
๐งโ1 (๐ง2+1)
4. Solve the difference equation ๐ฆ๐ฅ+2 + 4๐ฆ๐ฅ+1 + 3๐ฆ๐ฅ = 3๐ฅ , ๐ฆ0 = 0, ๐ฆ1 = 1
using ๐โtransforms
Answers
1. 2๐ง
๐ง2โ8๐ง+15 , 3 < ๐ง < 5
2. ๐งโ๐๐1
๐ง
3. 1 โ ๐๐๐ ๐๐
2โ ๐๐ ๐๐
๐๐
2
4. ๐ฆ๐ฅ =1
243๐ฅ โ
5
12(โ3)๐ฅ +
3
8(โ1)๐ฅ