对连续线性算子的输入和输出应用线性运算好吗?

信息处理 线性系统
2022-02-07 17:44:46

科学家和工程师数字信号处理指南,Steven W. Smith,p。134-135指出:

[...] 想象一个接收输入信号的线性系统,x[n]. 并产生一个输出信号,y[n]. 现在假设输入信号以某种线性方式改变,产生一个新的输入信号,我们称之为x[n]. 这会产生一个新的输出信号,y[n]. 问题是,输入信号的变化与输出信号的变化有何关系?答案是:输出信号的变化与输入信号变化的线性方式完全相同[...] 输入信号的线性变化会导致输出信号的线性变化。

我假设这可以写成连续情况:

如果g=L(f), 然后M(g)=L(M(f))

在哪里L,M是线性 (LTI) 运算符,f,g是对应的函数x[n],y[n]M(f),M(g)相当于x[n],y[n].

我的问题是:这对于连续情况是正确的吗?

任何参考资料或证明将不胜感激。

这个问题几乎是这个问题(已回答)和这个问题(现已删除)的重复。对此我很抱歉——在网上花了很多时间,但只找到了我引用的参考资料——但确实需要尽快得到答复。

1个回答

有点挑剔,这种说法并不适用于所有线性系统。这是一个反例:

让系统Tr由输入输出关系定义

y[n]=Tr{x[n]}=nx[n].
这个系统显然是线性的,因为

Tr{ax1[n]+bx2[n]}=n(ax1[n]+bx2[n])=aTr{x1[n]}+bTr{x2[n]}

现在,让我们应用以下线性运算H输入信号:y[n]=H{x[n]}=x[n1]. 这个操作也是线性的。让我们看看索赔会发生什么:

Tr{H{x[n]}}=nx[n1]H{Tr{x[n]}=(n1)x[n1].

因此,一般来说,该声明不适用于线性系统。

但是:假设声明是针对线性时不变系统 (LTI) 声明的,那么它是正确的。(该声明缺少时间不变性的约束)。证明很简单:任何 LTI 系统都由其脉冲响应来描述,系统的输出是输入信号与其脉冲响应的卷积。给定一个系统L有脉冲响应l[n], 和一个系统M有脉冲响应m[n],我们得到

g=L{f}=lf
M{g}=mg=L{M{f}}=lmf=mlf=M{L{f}}

之所以如此,是因为卷积运算的交换性(即xy=yx)。由于交换律对离散时间和连续时间都成立,因此该主张对离散时间和连续时间都成立。