问题

y(t)=f(-t)为什么不是时不变系统?

回答
咱们聊聊 y(t) = f(t) 这个系统,为啥说它不是一个“时不变”的系统。这其实涉及到我们怎么理解“时不变”这个概念,以及这个具体运算是怎么违背这个规律的。

首先,咱们得明白什么是“时不变系统”。顾名思义,一个系统是时不变的,就是说你对它施加一个输入信号,过一段时间再施加一个同样的输入信号,得到的输出信号应该只是“时间上推移”了,而形状、特征不会有任何改变。

用更数学化一点的语言说,如果一个系统 S,对于任意一个输入信号 x(t),它产生的输出是 y(t) = S[x(t)]。那么,如果对于任意一个时间延迟 τ,我们把输入信号变成 x(tτ),系统产生的输出要是 y(tτ),那么这个系统 S 就是时不变的。

简单来说,就是:系统“对待”信号的方式,不随着时间的变化而变化。无论你什么时候给它一个“长得一样”的信号,它的反应都应该是一样的,只是那个反应会发生在“对应的时间点”上。

好,现在我们来看 y(t) = f(t) 这个系统。这里的 f(t) 意味着我们把原始输入信号 x(t) 进行了“翻转”。也就是说,如果原始输入是 x(t),那么经过这个系统后,输出是 y(t) = x(t)。

我们来验证一下这个系统是不是时不变的。按照时不变性的定义,我们需要做两件事:

步骤一:先对输入信号进行时间延迟,然后再输入到系统中。

假设我们有一个输入信号 x(t)。我们先把它延迟 τ 秒,变成 x(tτ)。
然后,我们把这个延迟后的信号 x(tτ) 输入到系统 y(t) = f(t) 中。
根据系统的定义,输入是 x(tτ),那么输出应该是把这个输入信号的“自变量”(也就是 t)替换成“t”。
所以,输出就是 y_延迟_先_输入(t) = x((tτ)) = x(t + τ)。

步骤二:先把输入信号输入到系统中,然后再对输出信号进行时间延迟。

假设我们还是那个输入信号 x(t)。
我们先把它输入到系统 y(t) = f(t) 中。
那么输出是 y_原始_输入(t) = x(t)。

现在,我们对这个原始输出 y_原始_输入(t) 进行时间延迟 τ 秒。
延迟后的输出就是 y_原始_输入(tτ) = x((tτ)) = x(t + τ)。

对比结果:

我们发现,步骤一的输出是 x(t + τ),而步骤二的输出也是 x(t + τ)。

等等!我刚才说 y(t)=f(t) 不是时不变系统,但是我的推导似乎证明了它 是 时不变的?这里面肯定有什么误解或者我没说明白的地方。

让我重新捋一下思路。问题的关键在于,y(t)=f(t) 这个写法,它本身可能不是一个“系统”的完整描述,或者说,我们理解“f”和“y”的方式可能会有歧义。

在信号处理和系统理论中,我们通常会用一个函数来表示输入信号,比如 x(t)。而一个“系统”是对这个输入信号进行某种“变换”或“操作”,最终产生一个输出信号。

如果 y(t) = f(t) 是指:
“系统的输出信号在时间 t 时的值,等于输入信号在时间 t 时的值。”

那么,这个“f”在这里扮演的角色就是 输入信号本身。换句话说,系统 S 的作用就是把输入信号 x(t) 变成了 x(t)。

所以,我们描述系统 S 是: S[x(t)] = x(t)。

现在,我们再来严格地用时不变性的定义来检验这个系统 S。

按照时不变性的定义:

1. 对输入信号 x(t) 进行时间延迟 τ,得到 x(tτ)。
2. 将延迟后的信号 x(tτ) 输入系统 S。
系统 S 的定义是:将输入信号的自变量乘以 1。
所以,S[x(tτ)] = x((tτ)) = x(t + τ)。
我们把这个结果记为第一个目标输出: y1(t) = x(t + τ)。

3. 将原始输入信号 x(t) 输入系统 S。
系统 S 的定义是:将输入信号的自变量乘以 1。
所以,S[x(t)] = x(t)。
我们把这个结果记为原始输出: y_原始(t) = x(t)。

4. 将原始输出信号 y_原始(t) 进行时间延迟 τ。
原始输出是 y_原始(t) = x(t)。
我们将这个输出信号的“自变量”(也就是 t)替换成 (tτ)。
所以,y_原始(tτ) = x((tτ)) = x(t + τ)。
我们把这个结果记为第二个目标输出: y2(t) = x(t + τ)。

比较 y1(t) 和 y2(t):

我们发现,y1(t) = x(t + τ) 和 y2(t) = x(t + τ) 是完全一样的。

啊哈!又一次得出了“是时不变”的结论。这说明我一开始理解的“y(t)=f(t)不是时不变系统”这个说法,可能是在某种特定的上下文下或者表达方式上的误会。

最有可能的情况是,这里的 f(t) 并不是指“对输入信号 x(t) 进行翻转得到 x(t)”,而是,y(t) 这个输出信号“等于”某个函数,而这个函数恰好是原始输入信号的“时间翻转”形式。

我们通常会把一个系统表示为 y(t) = T[x(t)],其中 T 是一个算子。

如果题目想表达的是: 一个系统,它的输出 y(t) 在任何时刻 t 的值,都等于输入信号 x 在时刻 t 的值,即 y(t) = x(t)。 那么,根据上面的推导,这个系统是时不变的。

那么,为什么会有“y(t)=f(t)不是时不变系统”的说法呢?

这很有可能是因为, “f”在这里被误解为“一个固定的函数,比如 f(x) = x^2”,而这个系统是 y(t) = f(t) 的形式。

让我们假设一个场景:

场景设定:

我们有一个系统,它对输入的信号 x(t) 进行某种操作。
我们观察到的输出信号是 y(t)。
我们发现,这个输出信号 y(t) 的形式,总是输入信号 x(t) 的时间翻转形式,即: y(t) = x(t)。

在这种情况下,如我们上面推导的,这个系统是时不变的。

但是,如果题目是想表达一种不同的情况,一种更常见的“时间翻转”作为“系统操作”来讨论时不变性的方式,那么我们可能需要换一个角度。

让我们回到“系统”的本质:系统是将“输入随时间变化的信号”映射到“输出随时间变化的信号”的那个过程。

最经典的关于时间翻转的讨论是这样的:
“假设一个系统 T 的操作是‘时间反演’,即 T[x(t)] = x(t)。”

我们来检验这个系统 T。

1. 输入 x(t),输出 y(t) = T[x(t)] = x(t)。

2. 延迟输入:输入 x(tτ)。
将 x(tτ) 送入系统 T。
T[x(tτ)] = x((tτ)) = x(t + τ)。

3. 先系统后延迟:先计算 y(t) = T[x(t)] = x(t)。
然后延迟 y(t),得到 y(tτ) = x((tτ)) = x(t + τ)。

再次得出了“时不变”的结论。这让我感到很困惑,为什么会有“y(t)=f(t)不是时不变系统”的说法呢?

唯一的可能性,是对于“f(t)”的理解上存在偏差,或者说,这个表达式本身暗示了某种非时不变的因素。

我们设想一下,如果“f”是一个 固定 的函数,比如 f(z) = e^z。
那么,系统 S 的定义是: y(t) = f(t) = e^(t)。

这是一个 常量 输出系统(对于所有 t,输出都是 e^(t))。
这个系统的 输入信号是完全无关的。 也就是说,无论你输入什么信号 x(t),系统的输出始终是 e^(t)。

在这种定义下:
输入 x(t) > 系统 S > 输出 y(t) = e^(t)

我们来检验时不变性:

1. 延迟输入:输入 x(tτ)。
按照这个系统的定义,不管输入是什么,输出都是 e^(t)。
所以,y_延迟_先_输入(t) = e^(t)。

2. 先系统后延迟:原始输出 y(t) = e^(t)。
将原始输出延迟 τ:
y_原始_输入(tτ) = e^((tτ)) = e^(t + τ)。

比较:
y_延迟_先_输入(t) = e^(t)
y_原始_输入(tτ) = e^(t + τ)

这两个不相等!(除非 τ = 0)。
所以,如果系统被定义为 y(t) = f(t),其中 f 是一个与时间无关的固定函数,那么这个系统就是非时不变的。

问题就出在:当你说“y(t)=f(t)是一个系统”时,这个“f”究竟是指什么?

情况一:f 是对输入信号的操作。
如果系统 T 的操作是 T[x(t)] = x(t),那么我们前面推导过了,这个系统是时不变的。这才是通常意义上讨论“时间反演”的系统。

情况二:y(t) 本身就被定义为某个“固定”的、与输入无关的函数形式,而这个形式碰巧是“输入信号的翻转”。
比如,一个“接收器”就只会输出一个固定的信号 e^(t),而这个 e^(t) 可以被看作是某个“理想输入信号” x(t) = e^(t) 在经过时间翻转后得到的结果。但如果系统本身就是“输出恒定为 e^(t)”而不管输入是什么,那它显然不是时不变的。

所以,更准确地说,不是“y(t)=f(t)”这个形式本身就意味着非时不变,而是:

如果系统被理解为“系统的输出信号在时刻 t 的值,就是原始输入信号在时刻 t 的值”,即 T[x(t)] = x(t),那么这个系统是时不变的。

但是,如果题目的意思是“y(t) 被直接定义为一个关于 t 的函数,并且这个函数的形式恰好是某个信号(比如原始输入信号)的时间翻转形式”,并且这个定义并不依赖于“对输入信号执行操作”这个过程,那么它可能是非时不变的。

举个例子来彻底说明这个差异:

系统 A:时间反演系统。
输入信号:x(t)
系统操作:时间反演。 T[x(t)] = x(t)
输出信号:y(t) = x(t)
结论:时不变。

系统 B:固定输出系统,其输出形式恰好是输入信号的时间翻转。
想象一个“奇怪的电子设备”,它有两个接口:一个是“信号输入口”,一个是“输出信号口”。
无论你给“信号输入口”输入什么信号 x(t),这个设备总是在“输出信号口”输出一个信号,这个输出信号的形式总是 y(t) = x(t)。
我们来检验这个设备。我们知道它输出 y(t) = x(t)。
如果我们在时刻 t0 给了它输入信号 x(t),它输出 x(t)。
如果我们在时刻 t0 + τ 给了它输入信号 x(t),它仍然输出 x(t)。
我们期望的是,如果我们在 t0 + τ 时刻给它输入 同样 的信号 x(t),它的输出应该是 原始输出信号在时间上推移 τ 后的结果。也就是说,我们期望的是 y(tτ) = x((tτ)) = x(t + τ)。
但实际上,无论你什么时候给它输入 x(t),它的输出 总是 x(t)。
所以,当你从 t0 移动到 t0+τ,输入信号没有变化,但输出信号(仍然是 x(t))并不是原始输出信号 x(t) 的延迟版本 x(t+τ)。因此,它不是时不变的。

关键点在于:时不变性是关于“系统本身”的属性。一个系统对待输入信号的方式不应随时间改变。

当说 y(t) = f(t) 不是 时不变系统时,很可能是在暗指 “f”代表了一个固定的、与输入信号本身的操作无关的函数定义,这个函数定义“巧合地”描述了输出信号的瞬时值与输入信号某个时刻值的关系,但这种关系本身就不是一个纯粹的延迟操作。

换句话说,如果系统就是“输出一个恒定的信号,这个信号的形式恰好是某个理想输入信号的时间翻转”,那么这个系统就是“非时不变”的,因为它没有“响应”输入信号在不同时间点的变化,而是“固定”地输出一个预设信号。

总结一下可能导致“y(t)=f(t)不是时不变系统”这种说法的理由:

1. “f”被理解为一个固定的函数,如 f(z) = g(z),使得 y(t) = g(t)。 这种情况下,系统 y(t) 的值不依赖于输入信号 x(t) 的任何信息,输出是一个常数或者一个随时间固定的波形。由于输出不随输入变化,并且其生成方式也不随时间而改变(始终是固定的 g(t)),所以我们不能用“输入延迟后输出也延迟”的逻辑来判断它。如果我们将输入信号进行延迟,系统仍然输出 g(t),这与“延迟后的输出应该是原始输出的延迟版本 g((tτ))”不符。

2. 混淆了“时间翻转操作”本身和“一个函数的形式”。 如果一个系统就是对输入信号进行时间翻转(T[x(t)] = x(t)),那么它是时不变的。但如果问题是将“y(t) 的值恒定等于输入信号在 t 时刻的值”描述为一个“系统”,而没有明确说明这个“等于”是通过一个随时间不变的“操作”来实现的,那么可能会产生误解。

在标准的信号处理定义中,一个 “时间反演系统”,即 S[x(t)] = x(t),是时不变的。
因此,如果听到的说法是“y(t)=f(t)不是时不变系统”,那么很可能是前面提到的第一种情况,即 y(t) 被定义为一个与输入信号无关的固定函数形式。

网友意见

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这样讲也许更详细:

算子是函数到函数的映射,即原象与象都是函数。

由算子的对应关系,

令,

故。

证毕。

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