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r. b. θ. a. 1. 0. 0. 2π. 1. 1. 1. -1. 2π. 2π. 2π. -1. -1. -1. 0. 0. 信号理論 ( 金田) 1 演 -1. 三角関数演習問題. (答は別紙の解答用紙に記入する). [ 三角関数 ]. 1.右の図の直角三角形において、r,a,b は、 それぞれの辺の長さを表す。 また、 θ は r と a の辺のなす角度を表す。 このとき、 (1) sin θ (2) cos θ (3) tanθ を、r,a,b を用いて表せ。. 2.角度の単位を2つあげよ。. - PowerPoint PPT Presentation
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三角関数演習問題
θ
rb
a
1.右の図の直角三角形において、r,a,b は、 それぞれの辺の長さを表す。 また、 θ は r と a の辺のなす角度を表す。 このとき、 (1) sin θ (2) cos θ (3) tanθ を、r,a,b を用いて表せ。2.角度の単位を2つあげよ。
3. (1) π/3 (2)π/4 (3) π は、何度の角度か?
[ 三角関数 ]
4.次の (1)(2) のグラフを描け。ただし、 (1) は、可能な限りていねいに書くこと。 (2) は、 (1) との違いがわかれば、それほどていねいに書かなくてもでなくても良い。
(2) cos( x ) (1) sin( x )
5.次の (1)(2) のグラフを描け。ただし、 sin( x ) との違いがわかれば、それほどていねいに書かなくてもでなくても良い。
(2) sin( x+ π/2)
(1) sin( x- π/2 )
x 2π
1
-1
0x
2π
1
-1
0
x 2π
1
-1
0x
2π
1
-1
0
b
asin )4()sin( )3(
cos (2)sin (1)
dxxdxax
axdx
dax
dx
d
サインの定積分サインの不定積分
コサインの微分サインの微分
積分6.三角関数の微分・
a,b は定数
信号理論( 金田)1 演 -1
(答は別紙の解答用紙に記入する)
信号理論( 金田)
1 演 -2 解(1)
学年 学科 学 籍 番 号 氏 名
1 2(1) (2) (3)
/br /ar /ba °度、 、deg. など
ラジアン、rad. など
π 3.14は ・・・という量であって、単位ではない
3(1) (2) (3)
°60 °45 °180
5.(2) sin( x+ π/2)
(1) sin( x- π/2 )
x 2π
1
-1
0x
2π
1
-1
0
(2) cos( x ) (1) sin( x )
x 2π
1
-1
0x
2π
1
-1
0
4.
(1) (2) (3)
a cos(ax)・ - a sin(ax)・ - (1/ a) cos(ax) + C・
cos(a) - cos(b)
(4)
三角関数演習 解答用紙
波形は次ページ
学年 学科 学 籍 番 号 氏 名
三角関数演習 解答用紙
x 2π π
1
(2) cos( x )
(1) sin( x )
x 2 π π
1
-1
x 2 π π
1
-1
×
4.
2 π で1周期
半円の繰り返しではダメ
5. (1) sin( x -π/2 )
x 2 π π
1
-1
= -cos( x ) sin( x ) が右に π/2 移動
参考: sin( x )
x 2 π π
1
-1
π/2
0
関数 f ( x -τ) は、 → 元の波形が、 ( ) 内がゼロとなるxに移動する → 左の式では、 sin 波形の開始点が x= π/2 の点に移動する
0
sin( x ) が左に π/2 移動
x 2π π
1
(2) sin( x+ π/2 )
= cos( x )
π/2
0
信号理論( 金田)
1 演 -2 解(2)
信号理論( 金田)1 演 -3
複素数演習
1.以下の計算をして、答を 実数+虚数 (a+jb)の形で表せ。
(1) ( 2 +j 3 )+( 1 +j 2 )
(2) ( j ) × ( j )
(3) ( 4 +j ) × ( 3 -j 3 )
(4) ( j ) 6
(5) ( 1 ) ÷ ( j )
(6) ( j ) -3
2.以下の複素数を、実数+虚数 (a+jb)の形で表せ。 ただし、 sin45° = cos45° = 0.7 として計算せよ。
(1) e j 90°
(2) 2e j 45°
(3) 4e -j 315°
3.次の複素数を、複素指数関数(極座標表示) r e j θ の形 で表せ。 (ただし、 θ は「度」で表せ。また√ 2 = 1.4 とせよ)
(1) ( 1 )
(2) ( j )
(3) ( 1 -j )
(4) ( -1 +j )
(1) 2e j 25°× 4e -j 315°
(2) 2e j 25°÷ 4e -j 315°
4.次の複素数の計算をせよ (答えは複素指数関数)
5.次の複素数 z の絶対値(大きさ) | z | を計算せよ
z= 3 +j 4
答えだけでなく途中式も書くこと
信号理論( 金田)
1 演 -3 解
複素数演習
1.以下の計算をして、答を 実数+虚数 (a+jb)の形で表せ。
(1) ( 2 +j 3 )+( 1 +j 2 )= 3 + j 5
(2) ( j ) × ( j ) = -1
(3) ( 4 +j ) × ( 3 -j 3 ) = 12 - j 12 + j 3 + 3 = 15 - j 9
(4) ( j ) 6 = (( j 2 )3 ) = (( -1 )3 ) = -1
(5) ( 1 ) ÷ ( j ) = 1 / j (分母分子に j をかけると) = j / ( j × j ) = j / (-1) = - j
(6) ( j ) -3 = 1 / ( j ) 3 = 1 / ( - j ) = ( j ) / ( - j × j ) = j
2.以下の複素数を、実数+虚数 (a+jb)の形で表せ。 ただし、 sin45° = cos45° = 0.7 として計算せよ。
(1) e j 90° = cos 90° +j sin 90° = j
(2) 2e j 45° = 2 ( cos 45° +j sin 45°) = 2 ( √2/2 + j √ 2/2 ) = √ 2 + j √ 2 = 1.4 + j 1.4
(3) 4e -j 315°
= 4 ( cos (-315°) +j sin (-315°)) = 4 ( √2/2 + j √ 2/2 ) = 2√2 + j 2√2 = 2.8 + j 2.8
注: - 315 + 360 = 45 なので、 -315° と 45° は同じ角を表す。
3.次の複素数を、複素指数関数(極座標表示) r e j θ の形 で表せ。 (ただし、 θ は「度」で表せ。また√ 2 = 1.4 とせよ)
(1) ( 1 ) = 1+j 0 なので、a= 1 、b= 0 に相当 よって、A= 1 、 θ =tan -1(0) = 0° よって e j 0°
(2) ( j )= 0 +j 1 なので、a= 0 、b= 1 に相当 よって、A= 1 、 θ =tan -1(1/0) = 90° よって e j 90°
(3) ( 1 -j ) = 1 +j (-1) なので、a= 1 、b= -1 に相当 よって、A=√ 2 = 1.4 、 θ =tan -1(-1) = -45° よって 1.4 e - j 45°
(4) ( -1 +j )= (-1) +j (1) なので、a= -1 、b= 1 に相当 よって、A=√ 2 = 1.4 、 θ =tan -1(-1) = -45° ただし、a < 0 であるので、 θ に + 180° する よって 1.4 e j 135°
(1) 2e j 25°× 4e -j 315°
= (2×4) e j (25-315)° = 8 e- j 290° (= 8 e j
70° )
(2) 2e j 25°÷ 4e -j 315°
= (2/4) e j (25-(-315) )° = 0.5 e j 340° (= 0.5 e- j 20° )
4.次の複素数の計算をせよ (答えは複素指数関数)
5.次の複素数 z の絶対値(大きさ) | z | を計算せよ z= 3 +j 4
【参考】 ( a+j b ) と、その複素共役 ( a - j b ) との積は ( a+j b ) × ( a - j b ) = a 2 +b 2 と、簡単に計算できる。 (答は実数となるので、 複素数の分母の実数化に利用される)
【重要 】 な オイラーの公式 ( 必ず覚えておくこと!) e j θ = cos θ + j sin θを利用する。
◇ 複素数 a+ j b から 複素指数関数 A e j θ への変換A = √(a2+b2 ) θ =tan -1( b/a )
☆ただし、電卓などの計算結果では、 θ は -90° < θ< 90° の範囲で得られる ので 、a < 0 のときは、 θ に ±180° する θ の値が複素平面上で妥当なことを確認する
指数関数の積と商
( 積 ) A1 e j θ1 ・A2 e j θ2
= A1・A2・e j ( θ1 + θ2 )
( 商 ) A1 e j θ1 /A2 e j θ2
= ( A1 /A2 ) ・e j ( θ1 - θ2 )
注: 実数の場合と同じ結果です
| z | =√ 3 2+ 4 2=√ 9 + 16 = 5
☆ 複素数の知識が不十分な人は、
「複素数のまとめ」 が、ホームページ http://www.asp.c.dendai.ac.jp/ の [授業]→[信号理論] にあるので、 再度勉強しておいてください
第1回演習解答
複素数の絶対値(大きさ)は、 (実数部の2乗)+(虚数部の2乗)の平方根なので、
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
[ sin 関数の形の理解 ]下記の表の空欄に,適切な文字式と数字を記入せよ。その結果を使って下記のグラフ y= sin( x )
を完成させよ。
信号理論( 金田)1宿 -1
度 0° 30° 60° 90° 120° 150° 180°
ラジアン 0 π / 6 π / 3 π / 2 2π / 3
分数 0 1/ 2 √ 3/ 2 1 √ 3/ 2
小数 0 0.5 0.87 1 0.87
度 210° 240° 270° 300° 330° 360°
ラジアン
分数
小数
sin( )x
変数x
sin( )x
変数x
)cos()sin( xxdx
d
◇ 関数の傾きは微分によって与えられる。 sin (x) の微分は,
であるので, 例えば、 x=0 での sin(x) の傾きは, cos(0) = 1 である。
x
0 2
1
6
1
6
2 6
4
x =π/2 では,傾きは 0 。 x= 3π/2 でも同じ
x = 0 では,傾きは 1 x= π では、傾きは -1x= 2π では ,傾きは 1
yy = x の直線x= π/2 で,y = π/2 =1.6
2
sin(x) = 0 となる点をはさんで,sin(x) = ±0.5 までの範囲で,ほぼ y=x の直線と一致する
学年 学科 学 籍 番 号 氏 名
1.以下の文の ( ) をうめよ。
・ 時間 t を変数とした関数の図は,「波形」と呼ぶ。
・ 上記の sin( 2πf t ) の波形は,時間 T,または,f を使って表すと ①( ) ごと
に同じ波形をくり返す。
この f を ②( ) と呼び, T を ③( ) と呼ぶ。
・ 1秒間に同じ波形が ④( )回繰り返される。
・ ω = 2πf を使って, sin( ω t ) とも表される。 この ω を ⑤( ) と呼ぶ。
・ sin( 2πf t + θ) と表されるとき, θ は t= 0 の時の( )の中の値であるが,この θ を ⑥
( ) と呼ぶ。
時間を変数としたサイン(またはコサイン)関数は,正弦波と呼ばれる。
[ 正弦波 ]
t 0 1/ (4 )f2π f t 0 π / 2 π 3π / 2 2π 5π / 2 3π 7π / 2 4π
sin(2π f t) 0 1
2. sin( 2πf t ) は,t の値が 0 から増加するに伴って ( )の中の値が増加し, 例えば,t の値が 1/(4 f ) となると, 2πf t の値は π/2 となるので, sin( 2πf t ) = 1
となる。 同様の考えで,t がどのような値をとると sin( 2πf t ) がどのような値をとるか,を示している以下の表の 空欄をうめよ。
3.以下の式で表される波形を描け。
t
① sin(2πf t - π/2) ② 2 ・ sin(4πf t)
t
信号理論( 金田)1宿 -2
)2(sin tf
f
1
f
2
t
T
時間
0
f
1
f
10 0
1 1
時間を変数としたサイン(またはコサイン)関数は,正弦波と呼ばれる。
[ 正弦波 ]
2. sin( 2πf t ) は,t の値が 0 から増加するに伴って ( )の中の値が増加し, 例えば,t の値が 1/(4 f ) となると, 2πf t の値は π/2 となるので, sin( 2πf t ) = 1
となる。 同様の考えで,t がどのような値をとると sin( 2πf t ) がどのような値をとるか,を示している以下の表の 空欄をうめよ。
3.以下の式で表される波形を描け。
信号理論( 金田)
1宿 -2 解
)2(sin tf
f
1
f
2
t
T
時間
0
1.以下の文の ( ) をうめよ。
・ 時間 t を変数とした関数の図は,波形と呼ぶ。 T
・ 上記の sin( 2πf t ) の波形は,時間 T,または,f を使って表すと ①( 1 /f )
ごと
に同じ波形をくり返す。 この f を ②( 周波数 ) と呼び, T を ③( 周期 ) と
呼ぶ。
・ 1秒間に同じ波形が ④( f )回繰り返される。
・ ω = 2πf を使って, sin( ω t ) とも表される。 この ω を ⑤( 角周波数 ) と呼
ぶ。
・ sin( 2πf t + θ) と表されるとき, θ は t= 0 の時の( )の中の値であるが,この θ
を
⑥( 位相 ) と呼ぶ。
t 0 1/ (4 )f2/ (4 )f3/ (4 )f4/ (4 )f5/ (4 )f6/ (4 )f7/ (4 )f8/ (4 )f2π f t 0 π / 2 π 3π / 2 2π 5π / 2 3π 7π / 2 4π
sin(2π f t) 0 1 0 - 1 0 1 0 - 1 0
t = 1/ f = T で, 2π f t =2π だから1/ f = T は周期になる
① sin(2πf t - π/2) ② 2 ・ sin(4πf t)= 2 ・ sin(2π(2f) t)
t
1
周期
周波数 2倍 ⇒ 周期は 1/2
振幅は 2倍
1/f
sin(2πf t) が 1/4 周期右に移動 ・ π/2 → 1/4 周期 ・ 2πf t -π/2 = 0 → t= 1/(4 f )
tf
1
f
100
1/(4f)
[ パラメータ ]
0
例1) 直線のパラメータ
直線の式:
パラメータは2つ。 a と b
b: 切片 (x= 0 における y の値 ) a: 直線の傾き。 x が 0 から 1 に増えたときの y の増加量
2つのパラメータ a と b の値がわかれば,直線が描ける。
※ 直線は,2点を定めれば描ける,ということと等価 (x,y) が ( 0 ,b), ( 1 ,a+b) の2点
bxay b
1
bxay
a
y
例2) 2次曲線のパラメータ
2次曲線の式: cxbxay 2
パラメータは3つ。 a と b と c2つのパラメータ a と b の値がわかれば, 2次曲線が描ける。
◇ 別の3つのパラメータもある
)()( xxay
a と α と β の3つ
ただし, α と β は,の解
02 cxbxa
0
b
y
x
信号理論( 金田)2説 -1
[ 関数の平行移動 ( 1/2) ]
t
f(t)
t
f(t- τ )
τ0 0
τf(t- τ ) は、f(t) を
右側に「 τ 」移動したもの
・ 信号 f(t) は、t = 0 の時 、 値 f( 0 ) となる。(図1) ・ 信号 f(t- τ ) は、t = τ の時 (t = τ を代入すると)、 ( )の中は 0 となり,値 f( 0 ) となる。(図2)
・ したがって、f(t- τ ) は、f(t) を 「右側に τ 」 移動したものである。
τ(タウ)
f( 0) f( 0)
図1 図2
信号理論( 金田)2説 -2
f(t + τ ) は、f(t) を左側に「 τ 」移動したもの
・ 同様に,f(t + τ ) は、t =- τ で、 f(t) が t= 0 の時の値をとるので,
f(t) を 「左側に τ 」 移動したものとなる。
t
f(t)
t
f(t + τ )
-τ0 0
τ
f( 0) f( 0)
図3 図4
[ 関数の平行移動 ( 2/2) ]
① sin( x ) と sin( x - π/2)
x
2ππ
x2ππ
π/2
sin( x)
sin( x - π/2)
② sin( ω t ) と sin( ω t - π/2)
t
2π/ω= 1/ f
π/ω
t
2π/ω= 1/ f
π/ω
sin(ωt )
・ 右に π/(2ω) 移動・ t = π/(2ω) で, ( ) の中が 0 になり、 sin (0) の値を取るから
π/(2ω)
・ 横軸の値に注意・ t が, 2π/ω (= 1/ f = T ) になったとき sin の ( ) の中は 2π になる。 → 2π/ω (= 1/ f = T ) が1周期
③ sin( ω t ) と sin( ω( t - τ) )
x t
τ
sin( ω t )
・ 右に τ 移動・ t = τ で, ( ) の中が 0 になり、 sin (0) の値を取るから
信号理論( 金田)2説 -3
・ 右に π/2 移動・ x= π/2 で, ( ) の中が 0 になり、 sin (0) の値を取るから
sin( ω t - π/2)
sin(ω( t - τ) )
信号理論( 金田)2 演 -1
学年 学科 学 籍 番 号 氏 名
2.以下の2つの正弦波形について, 波形 (a)(b) を, A ・ sin( 2π f t + θ) として表すとき,f, A , θ を求めよ。
波形 (a) : f = , A = , θ =
波形 (b) : f = , A = , θ =
波形 (a)
t
1
-1
1 (秒)
1
-1
0.51/6
t
1 (秒)
波形 (b)
1. 正弦波の表現を2種類示せ
( 続きは 裏面 )
[ 正弦波の表現1と表現2 ]
※ 質問事項(本日の授業でわかりにくかったこと)、 および、この授業に対する感想・意見・要望などあれば、記入してください。
3.次の正弦波の表現1: A ・ sin( 2π f t + θ) を、表現2: a ・ cos(2π f t ) + b ・sin(2π f t ) に変更せよ
(1) sin( 2π f t + π/2) →
(2) sin( 2π f t + π/6) →
(3) 2 ・ sin( 2π f t - π/3) →
信号理論( 金田)2 演 -2
信号理論( 金田)2宿 -1
学年 学科 学 籍 番 号 氏 名
問1.次の周波数の正弦波の式を示して、グラフを描け。ただし、すべて、振幅は1、位相は 0 とせよ。 [ この問題は基本的な問題なので、必ず、理解して解けるようにしておくこと]
(1) 周波数が 100Hz の正弦波
1
-1
0 5 10ms
時間 t
横軸は時間軸で、1目盛が 1ms (ミリ秒)
(式)
(2) 周波数が 500Hz の正弦波
1
-1
0 5 10ms
時間 t
(式)
問2.正弦波は、 表現1: 振幅Aと位相 θ を使った表現 表現2: cos と sin の和を使った表現で表すことができる。次の表現2から表現1を求めよ。
(1) cos( 2π f t) + sin( 2π f t)
(2) √3 cos(・ 2π f t) + sin( 2π f t)
0 0.020.040.060.080.10.120.140.160.180.20.220.240.260.280.30.320.340.360.380.40.420.440.460.480.50.520.540.560.580.60.620.640.660.680.70.720.740.760.780.80.820.840.860.880.90.920.940.960.98 1-2
-1.9
-1.8
-1.7
-1.6
-1.5
-1.4
-1.3
-1.2
-1.1
-1
-0.9
-0.8
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
2
信号理論( 金田)2宿 -2
問3.
このことを作図により確かめる。下のグラフは cos ( 2π f t ) と sin (2π f t ) を表している(f= 1 の場合) 。これより、 cos ( 2π f t ) + sin (2π f t ) のグラフを作図せよ。(あまり、ていねい・厳密にやる必要は無い。おおまかな形がわかればよい)
※ 各時間において、縦方向に2つのグラフの値を加算した値の点を記入して、それをつなげばよい。※ 描いたグラフと、問2 (1) の計算結果を比較せよ。同じ結果になっているか?
同じ周波数の、2つの正弦波の和は、1つの正弦波になる
時間t0
sin( 2π f t )
cos ( 2πf t )
問4. 複素数 z =a+ j b (ただし、a、b は実数) と、その共役複素数 z * の和と差、 z+z * と z-z * を、a、b を使って表せ。