判断下面的序列是否是周期的;若是周期的,确定其周期。(1) x(n) = A cos ( (3)/(7) pi n - (pi)/(8) ) A 是常数(2) x(n) = e^( (1)/(8) n - pi )
判断下面的序列是否是周期的;若是周期的,确定其周期。 (1) $x(n) = A \cos \left( \frac{3}{7} \pi n - \frac{\pi}{8} \right)$ A 是常数 (2) $x(n) = e^{\left( \frac{1}{8} n - \pi \right)}$
题目解答
答案
我们来逐题分析这两个离散时间序列是否是周期的,并在是周期的情况下确定其周期。
(1) $ x(n) = A \cos \left( \frac{3}{7} \pi n - \frac{\pi}{8} \right) $,其中 $ A $ 是常数。
解题思路:
对于离散时间余弦序列:
$x(n) = A \cos(\omega_0 n + \phi)$
它是周期序列的充要条件是:角频率 $ \omega_0 $ 与 $ 2\pi $ 的比值是有理数,即:
$\frac{\omega_0}{2\pi} = \frac{m}{N} \quad \text{(其中 $ m, N $ 为整数)}$
此时序列的周期为最小的正整数 $ N $,使得:
$x(n + N) = x(n) \quad \text{对所有 } n \text{ 成立}$
步骤 1:确定角频率 $ \omega_0 $
原式:
$x(n) = A \cos \left( \frac{3}{7} \pi n - \frac{\pi}{8} \right)$
所以角频率为:
$\omega_0 = \frac{3\pi}{7}$
步骤 2:判断 $ \frac{\omega_0}{2\pi} $ 是否为有理数
计算:
$\frac{\omega_0}{2\pi} = \frac{\frac{3\pi}{7}}{2\pi} = \frac{3}{14}$
这是一个有理数(3 和 14 都是整数),所以该序列是周期序列。
步骤 3:求最小正周期 $ N $
周期 $ N $ 是使得:
$\omega_0 N = 2\pi k \quad \text{($ k $ 为整数)}$
即:
$\frac{3\pi}{7} \cdot N = 2\pi k \Rightarrow \frac{3N}{7} = 2k \Rightarrow 3N = 14k$
我们要求最小的正整数 $ N $ 满足这个等式。
即 $ 3N $ 是 14 的倍数,或者说 $ N $ 是 $ \frac{14k}{3} $ 的整数。
为了 $ N $ 为整数,$ k $ 必须是 3 的倍数。令 $ k = 3 $,则:
$3N = 14 \times 3 = 42 \Rightarrow N = 14$
验证一下 $ N = 14 $ 是否满足周期性:
$x(n + 14) = A \cos\left( \frac{3\pi}{7}(n + 14) - \frac{\pi}{8} \right) = A \cos\left( \frac{3\pi}{7}n + \frac{3\pi}{7} \cdot 14 - \frac{\pi}{8} \right) = A \cos\left( \frac{3\pi}{7}n + 6\pi - \frac{\pi}{8} \right)$
由于 $ \cos(\theta + 6\pi) = \cos(\theta) $(因为余弦函数周期为 $ 2\pi $,$ 6\pi = 3 \times 2\pi $),所以:
$x(n + 14) = A \cos\left( \frac{3\pi}{7}n - \frac{\pi}{8} \right) = x(n)$
所以周期为 14。
再确认是否是最小正周期:
我们从前面知道 $ \frac{\omega_0}{2\pi} = \frac{3}{14} $,所以基本周期是:
$N = \frac{2\pi}{\omega_0} \text{ 的有理数化分母(约分后)} = \frac{14}{\gcd(3,14)} = 14$
因为 3 和 14 互质,所以最小周期就是 14。
✅ 结论(1):是周期序列,最小正周期为 $ \boxed{14} $
(2) $ x(n) = e^{\left( \frac{1}{8} n - \pi \right)} $
我们先整理表达式:
$x(n) = e^{\frac{1}{8}n - \pi} = e^{-\pi} \cdot e^{\frac{1}{8}n}$
注意:这是一个指数增长序列,因为底数是 $ e^{1/8} > 1 $,所以随着 $ n $ 增大,$ x(n) $ 单调递增。
判断是否为周期序列
周期序列的定义是:存在正整数 $ N $,使得对所有整数 $ n $,都有:
$x(n + N) = x(n)$
我们来计算 $ x(n + N) $:
$x(n + N) = e^{-\pi} \cdot e^{\frac{1}{8}(n + N)} = e^{-\pi} \cdot e^{\frac{1}{8}n} \cdot e^{\frac{1}{8}N} = x(n) \cdot e^{\frac{1}{8}N}$
要使 $ x(n + N) = x(n) $,必须有:
$e^{\frac{1}{8}N} = 1
\Rightarrow \frac{1}{8}N = 0 \Rightarrow N = 0$
但周期 $ N $ 必须是正整数,所以不存在这样的 $ N $。
此外,从函数行为来看,$ x(n) $ 是单调递增的指数函数,不可能重复取值,因此不可能是周期序列。
✅ 结论(2):不是周期序列。
最终答案总结:
(1) 是周期序列,最小正周期为 $ \boxed{14} $。
(2) 不是周期序列。
解析
考查要点:判断离散时间序列是否为周期序列,并确定其周期(若存在)。
核心思路:
- 余弦序列:判断角频率 $\omega_0$ 与 $2\pi$ 的比值是否为有理数。若有理,则为周期序列,周期为分母的最小公倍数。
- 指数序列:通过分析指数函数的单调性直接判断是否可能周期重复。
破题关键:
- 余弦序列周期性:角频率 $\omega_0 = \frac{2\pi m}{N}$($m, N$ 为整数)时,周期为 $N$。
- 指数序列非周期性:若底数绝对值不等于1,则序列单调增长/衰减,无法周期重复。
第(1)题
确定角频率
序列形式为 $x(n) = A \cos(\omega_0 n + \phi)$,其中 $\omega_0 = \frac{3}{7}\pi$。
判断有理性
计算 $\frac{\omega_0}{2\pi} = \frac{3}{14}$,是有理数,说明序列是周期的。
求最小周期
需满足 $\omega_0 N = 2\pi k$($k$ 为整数),解得 $N = \frac{14k}{3}$。最小正整数 $N$ 为 $14$(当 $k=3$)。
结论:周期为 $\boxed{14}$。
第(2)题
分析指数形式
$x(n) = e^{\frac{1}{8}n - \pi} = e^{-\pi} \cdot \left(e^{\frac{1}{8}}\right)^n$,底数 $e^{\frac{1}{8}} > 1$,序列单调递增。
判断周期性
若存在周期 $N$,则需 $e^{\frac{1}{8}N} = 1$,但 $e^{\frac{1}{8}N} > 1$ 对任意正整数 $N$ 成立,矛盾。
结论:非周期序列。