Unit5 (Z Transform)
Unit5 (Z Transform)
                                                                          ∞
                                                                         X   un
                                                          Z(un ) =
                                                                         n=0
                                                                             zn
                                                                          z
                                                          Z(an ) =
                                                                         z−a
Proof:
                     ∞
                    X   an
       Z(an )   =
                    n=0
                        zn
                    ∞  n
                    X  a
                =
                    n=0
                          z
                                               ∞
                                                                                                   !
                        1              a      X                              1
                =             provided   <1 ∵     rn = 1 + r + r2 + · · · =     provided |r| < 1
                    1 − (a/z)          z      n=0
                                                                            1−r
                      z
                =
                    z−a
Corollary:
                                                                          z
                                                           Z(1) =
                                                                         z−1
    Problem: Find
                                                                        1
                                                                            
                                                                Z
                                                                        n!
.
    Solution:
                                                    ∞
                                      1                (1/n!)
                                                 X
                              Z                =
                                      n!           n=0
                                                         zn
                                                    ∞
                                                   X   (1/z)n
                                               =
                                                   n=0
                                                         n!
                                                                  ∞
                                                                                         !
                                                                 X   xn    x  x2
                                               =   e1/z   ∵ ex =        =1+ +    + ···
                                                                 n=0
                                                                     n!    1! 2!
                                                                    1
Linearity
Proof:
                                                       ∞
                                                      X   aun + bvn
                                Z(aun + bvn )     =
                                                      n=0
                                                             zn
                                                           ∞           ∞
                                                          X   un      X   vn
                                                  =   a         n
                                                                  + b
                                                          n=0
                                                              z       n=0
                                                                          zn
= aZ(un ) + bZ(vn )
Corollary:
Putting a = 1 and b = 1,
Putting b = 0,
Z(aun ) = aZ(un )
Is it true that Z(un vn ) = Z(un )Z(vn )? Answer: Resounding “NO”. A counter example will be given later.
Z(2 cos nπ + 3.2n − 4.5n ) = 2Z(cos nπ) + 3Z(2n ) − 4Z(5n ) (by linearity)
Damping rule:
                                                      2
                                       Z(an un ) = [Z(un )]z→z/a
Proof:
                                                      ∞
                                                     X   an un
                                    Z(an un )    =
                                                     n=0
                                                          zn
                                                     ∞
                                                     X     un
                                                 =
                                                     n=0
                                                         (z/a)n
                                                          ∞
                                                     "            #
                                                         X   un
                                                 =
                                                         n=0
                                                             zn
                                                                    z→z/a
= [Z(un )]z→z/a
                                 h           π i                z
                               Z sin (2n + 1)      = Z((−1)n ) =
                                              2                  z+1
∴ By damping rule,
                                    h         π i
                             Z 4n sin (2n + 1)            = Z(4n (−1)n )
                                               2
= [Z((−1)n )]z→z/4
                                                                       
                                                                   z
                                                          =
                                                                  z+1     z→z/4
                                                               z
                                                          =
                                                              z+4
Problem: Find Z(2n 3n ).
Solution: By damping rule,
                                                               
                                                           z
                                                 =
                                                          z−3     z→z/2
                                                       z
                                                 =
                                                      z−6
                                                     3
   Aliter:
= Z(6n )
                                                            z
                                                  =
                                                           z−6
Multiplication by n
                                                            d
                                          Z(nun ) = −z         Z(un )
                                                            dz
Proof: By definition,
                                                      ∞
                                                     X   un
                                            Z(un ) =        .
                                                     n=0
                                                         zn
Differentiating with respect to z,
                                                              ∞
                                          d                  X   (−n)un
                                             Z(un )     =
                                          dz                 n=0
                                                                  z n+1
                                                                  ∞
                                          d                    1 X nun
                                     =⇒      Z(un )     =
                                          dz                  −z n=0 z n
                                          d                    1
                                     =⇒      Z(un )     =        Z(nun )
                                          dz                  −z
   Rewriting this,
                                                            d
                                          Z(nun ) = −z         Z(un )
                                                            dz
   Corollary:
                                                          d
                                          Z(np ) = −z        Z(np−1 )
                                                          dz
                                                      4
                                                   d
                                   Z(n)    =    −z   Z(1)
                                                   dz      
                                                   d    z
                                           =    −z
                                                   dz z − 1
                                                   (z − 1) − z
                                                                      
                                           =    −z
                                                     (z − 1)2
                                                   z
                                           =
                                                (z − 1)2
                                            d
                              Z(n2 )   =   −z Z(n)
                                            dz         
                                            d      z
                                       = −z
                                            dz (z − 1)2
                                                    (z − 1)2 − 2z(z − 1)
                                                                          
                                       = −z
                                                          (z − 1)4
                                                   (z − 1) − 2z)
                                                                          
                                       = −z(z − 1)
                                                      (z − 1)4
                                           z(z + 1)
                                       =
                                           (z − 1)3
                                                     5
                     Z(cos nθ + i sin nθ)   =    Z(einθ ) (∵ eix = cos x + i sin x)
= Z([eiθ ]n )
                                                    z
                                            =
                                                 z − eiθ
                                                          z
                                            =
                                                 z − (cos θ + i sin θ)
                                                          z
                                            =
                                                 (z − cos θ) − i sin θ
Therefore, we have
                                                                z(z − cos θ)
                                      Z(cos nθ)     =
                                                           z2   − 2z cos θ + 1
                                                                 z sin θ
                                      Z(sin nθ)     =
                                                           z 2 − 2z cos θ + 1
                                             h  nπ i     z
                                            Z sin      = 2
                                                  2     z +1
                                                           6
                                                 h     nπ i    z2
                                                Z cos         = 2
                                                         2     z +1
Problem: Find Z(an n).
Solution:
By damping rule,
Z(an n) = [Z(n)]z→z/a
                                                                               
                                                                     z
                                                        =
                                                                  (z − 1)2      z→z/a
                                                                      z
                                                        =             a
                                                                           2
                                                                  z
                                                                  a   −1
                                                                 az
                                                        =
                                                              (z − a)2
(un ) : u0 , u1 , u2 , u3 , · · ·
Result:
                                          h             u1  u2          uk−1 i
                            Z(un+k ) = z k U (z) − u0 −    − 2 − · · · − k−1
                                                        z   z           z
where U (z) = Z(un ).
Corollary:
                                                               7
                               Z(un+1 )   = z [U (z) − u0 ]
                                               h             u1 i
                               Z(un+2 )   = z 2 U (z) − u0 −
                                                             z
                                               h             u1  u2 i
                               Z(un+3 )   = z 3 U (z) − u0 −    − 2
                                                             z   z
Problem: Let
                                                        1
                                   u0 = 0 and un =        for n ≥ 1.
                                                        n
Find Z(un ) and hence Z(un+1 ).
Solution:
                    ∞
                   X   un
      Z(un )   =          .
                   n=0
                       zn
                  ∞
                 X   1 1
               =          .
                 n=1
                     n zn
                            2     3
                   1 1      1     1 1
               =     +          +       + ···
                   z   2    z     3 z
                           1                   1                                     x2   x3
                                                                                                    
               = − log 1 −     provided          <1         ∵   − log(1 − x) = x +      +    + ··· .
                           z                   z                                     2    3
We have
Z(un+1 ) = z [U (z) − u0 ]
= zU (z)
                                                               1
                                                                
                                               =    −z log 1 −
                                                               z
Result:
Z(un−k ) = z −k U (z)
                                                   8
Initial Value Theorem
If U (z) := Z(un ), then
                                                u0 = lim U (z)
                                                       z→∞
                                u1   =     lim z [U (z) − u0 ]
                                           z→∞
                                                   h             u1 i
                                u2   =      lim z 2 U (z) − u0 −
                                           z→∞                   z
                                                   h             u1  u2 i
                                u3   =      lim z 3 U (z) − u0 −    − 2
                                           z→∞                   z   z
                                                      2z 2 + 5z + 14
                                           U (z) =                   ,
                                                          (z − 1)4
evaluate u2 and u3 .
Solution: By initial value theorem, we have
                                      u0    =     lim U (z)
                                                 z→∞
                                                     2z 2 + 5z + 14
                                            =     lim
                                                 z→∞     (z − 1)4
                                                     z 2 (2 + z5 + z142 )
                                            =     lim
                                                 z→∞    z 4 (1 − z1 )4
                                                     1 (2 + z5 + z142 )
                                            =     lim
                                                 z→∞ z 2 (1 − z1 )4
= 0.
                                                        9
 u1   =        lim z [U (z) − u0 ]
           z→∞
                           2z 2 + 5z + 14
                                           
      =        lim z
           z→∞                 (z − 1)4
               z 3 (2 + z5 + z142 )
      =        lim
           z→∞    z 4 (1 − z1 )4
               1 (2 + z5 + z142 )
      =        lim
           z→∞ z   (1 − z1 )4
= 0.
                  h             u1 i
u2    =    lim z 2 U (z) − u0 −
          z→∞                   z
                           2z 2 + 5z + 14
                                           
      =   lim z 2
          z→∞                  (z − 1)4
              z 4 (2 + z5 + z142 )
      =   lim
          z→∞    z 4 (1 − z1 )4
              (2 + z5 + z142 )
      =   lim
          z→∞   (1 − z1 )4
= 2.
                       10
                  h             u1  u2 i
u3    =    lim z 3 U (z) − u0 −    − 2
          z→∞                   z   z
                          2z 2 + 5z + 14   2
                                                      
      =   lim z   3
                                         − 2
          z→∞                 (z − 1)4    z
                          13z 3 + 2z 2 + 8z − 2
                                                       
      =   lim z 3
          z→∞                   z 2 (z − 1)4
                          13 + z2 + z82 −     2
                                                  
      =   lim z   6                           z3
          z→∞                z 6 (1 − z1 )4
                    13 + z2 + z82 −     2
                                             
      =   lim                           z3
          z→∞           (1 − z1 )4
= 13.
                                                                   u0 = lim U (z)
                                                                        z→∞
     LHS = u0 = 3.
     Further, we have
U (z) = Z(un )
= Z(2n + n + 2)
                                                                     z      z           2z
                                                               =        +          +
                                                                   z − 2 (z − 1) 2   (z − 1)
                                                                            11
                           RHS   =   lim U (z)
                                     z→∞
                                              z      z          2z
                                 =   lim         +         +
                                     z→∞    z − 2 (z − 1)2   (z − 1)
                                                z          z          2z
                                 =   lim          2 + 2      1 2 +
                                     z→∞    z(1 − z ) z (1 − z )   z(1 − z1 )
                                               1       1    1           2
                                 =   lim             +             +
                                     z→∞    (1 − z2 ) z (1 − z1 )2   (1 − z1 )
= 3.
                                     LHS      =    lim un
                                                   n→∞
                                                         n
                                                         1
                                              = lim 1 +
                                                n→∞      2
= 1.
                                                    12
Further, we have
U (z) = Z(un )
                                                    n 
                                                    1
                                               
                                            = Z 1+
                                                    2
                                                        n 
                                                         1
                                            = Z(1) + Z
                                                         2
                                                   z       z
                                            =         +
                                                 z − 1 z − (1/2)
                                                   z     2z
                                            =         +
                                                 z − 1 2z − 1)
                                                                     2z
                                                                              
                                                               z
                                     =     lim (z − 1)            +
                                           z→1               z − 1 2z − 1
                                                               2z
                                                                              
                                                         z
                                     =     lim (z − 1)      +
                                           z→1         z − 1 2z − 1
                                                                4z 2 − 3z
                                                                              
                                     =     lim (z − 1)
                                           z→1               (z − 1)(2z − 1)
                                              4z 2 − 3z
                                     =     lim
                                           z→1 2z − 1
= 1.
CONVOLUTION
Problem: Furnish an example to show that
in general.
Solution: Let un = 1 and vn = 1. Then, we have
                                            z                     z
                        Z(un ) = Z(1) =        & Z(vn ) = Z(1) =     .
                                           z−1                   z−1
Therefore, we have
                                                  z  z       z2
                              Z(un )Z(vn ) =            =
                                                 z−1z−1   (z − 1)2
                                                   13
On the other hand, we have
                                                                   z
                                            Z(un vn ) = Z(1) =        .
                                                                  z−1
Hence, it can be concluded that
                                              Z(un vn ) 6= Z(un )Z(vn )
Definition: The convolution of two sequences (un ) and (vn ), denoted by (un ∗ vn ), is defined as
                                  n
                                  X
                      un ∗ vn =         uk vn−k = u0 vn + u1 vn−1 + u3 vn−2 + · · · + un v0 .
                                  k=0
Some Properties:
• un ∗ 1 6= un in general.
Convolution Theorem
                                  Z −1 [U (z)V (z)] = Z −1 [U (z)] ∗ Z −1 [V (z)]
Equivalently,
                                                   z2
                                                           
                                      Z −1
                                             (z − a)(z − b)
Solution:
                                                         14
                                       z2
                                                                                                 
                                                                                       z          z
                    Z   −1
                                                                = Z     −1
                                 (z − a)(z − b)                                       z−a        z−b
                                                                                                  
                                                                                   z              z
                                                                = Z −1                  ∗ Z −1
                                                                                  z−a            z−b
= an ∗ bn
= un ∗ vn where un = an and vn = bn
                                                                    n
                                                                    X
                                                                =            uk vn−k
                                                                    k=0
                                                                    n
                                                                    X
                                                                =            ak bn−k
                                                                    k=0
                                                                            n
                                                                            X
                                                                = bn              ak b−k
                                                                            k=0
                                                                            n  k
                                                                            X  a
                                                                = bn
                                                                                      b
                                                                            k=0
                                                                       a   a 2        a n 
                                                                = b 1+  n
                                                                            +       + ···
                                                                         b     b            b
Case1: a 6= b
In this case,
                                    an+1 − bn+1
                             =
                                       a−b
Case2: a = b
In this case,
                                                                   z2
                                                                        
                                                   Z   −1
                                                                           = (n + 1)an .
                                                                (z − a)2
                                                  z2
                                                           
                                      −1
                                    Z
                                           (2z − 1)(4z + 1)
                                                                            15
Solution:
                                z2
                                                                                       
                                                                       z               z
            Z   −1
                                                = Z     −1
                         (2z − 1)(4z + 1)                           2z − 1          4z + 1
                                                    1 −1
                                                                                              
                                                                        z                 z
                                                =     Z
                                                    8                z − 1/2           z + 1/4
                                                    1
                                                                                    
                                                                 z                 z
                                                =      Z −1
                                                                        ∗Z −1
                                                    8         z − 1/2           z + 1/4
                                                         n     n 
                                                    1     1      1
                                                =            ∗ −
                                                    8     2      4
                                                                                          n              n
                                                    1                                     1              1
                                                                                                      
                                                =     [un ∗ vn ] where un =                   and vn = −
                                                    8                                     2              4
                                                    n
                                                    X
                                                =         uk vn−k
                                                    k=0
                                                         n       k      n−k
                                                    1X           1       1
                                                =                      −
                                                    8            2       4
                                                        k=0
                                                                       n  k 
                                                                    n X            −k
                                                    1           1         1       1
                                                        
                                                =           −                   −
                                                    8           4         2       4
                                                                         k=0
                                                                       n  k 
                                                                    n X           k
                                                    1         1           1      1
                                                        
                                                =           −                / −
                                                    8         4           2      4
                                                                         k=0
                                                                       n 
                                                                    n X                     k
                                                    1           1               1
                                                        
                                                =           −                     × (−4)
                                                    8           4               2
                                                                         k=0
                                                                       n
                                                                    n X
                                                    1         1
                                                        
                                                =           −                  (−2)k
                                                    8         4
                                                                         k=0
                                                                    n
                                                    1           1
                                                        
                                                =                         1 + (−2) + (−2)2 + (−2)3 · · · + (−2)n
                                                                                                                
                                                            −
                                                    8           4
                                                                    n 
                                                    1         1            (−2)n+1 − 1
                                                                                         
                                                =           −
                                                    8         4              (−2) − 1
                                                                         n
                                                    1              1
                                                             
                                                = −              −            [(−2)n+1 − 1]
                                                    24             4
Problem:
            1 n
Let un =          and vn = cos nπ. Use convolution theorem to evaluate the Z−Transform of (un ∗ vn ).
              
            2
Solution:
                                                                     16
                                             n 
                                              1
                              Z(un )    = Z
                                              2
                                                 z
                                        =
                                             z − (1/2)
                                               2z
                                        =
                                             2z − 1
= Z[(−1)n ]
                                                 z
                                        =
                                             z − (−1)
                                              z
                                        =
                                             z+1
By convolution theorem,
                                               2z     z
                                        =
                                             2z − 1 z + 1
                                                   2z 2
                                        =
                                             (2z − 1)(z + 1)
                                            17
INVERSE Z−TRANSFORM
Defition: If U (z) = Z(un ), the inverse Z−Transform of U (z), denoted by Z −1 [U (z)], is defined as
Z −1 [U (z)] = un .
Example:
                                                                                           
                                                z                                        z
                                  Z −1                     =    2n        ∵ Z (2n ) =             .
                                               z−2                                      z−2
                                                                                              
                                              z                                          z
                              Z   −1
                                                           =    n            ∵ Z(n) =                .
                                           (z − 1)2                                   (z − 1)2
                                                              2z 2 + 3z
                                                                          .
                                                           (z + 2)(z − 4)
                                 2z 2 + 3z
                  U (z)   =                               (The right side rational function is improper.)
                              (z + 2)(z − 4)
                  U (z)           2z + 3
              ∴           =                               (The right side rational function is proper)
                    z         (z + 2)(z − 4)
                                           2z + 3                     A   B
                                                               =        +
                                       (z + 2)(z − 4)                z+2 z−4
                                                                     A(z − 4) + B(z + 2)
                                                               =
                                                                        (z + 2)(z − 4)
A(z − 4) + B(z + 2) = 2z + 3.
                                                                                 1
                                                      6A = −6 =⇒ A =               .
                                                                                 6
Letting z = 4, we obtain that
                                                                                11
                                                      6B = 11 =⇒ B =               .
                                                                                6
                                                                    18
Therefore, we have
                                           U (z)         1 1    11 1
                                                    =         +
                                             z           6z+2   6 z−4
                                                         1 z    11 z
                                           U (z)    =         +
                                                         6z+2   6 z−4
                                             1 −1                   11
                                                                                   
                                                          z                      z
                                  un   =       Z                   + Z −1
                                             6           z+2        6           z−4
                                             1        11
                                       =       (−2)n + 4n
                                             6         6
                                                     z(z 2 − z + 2)
                                                                    .
                                                    (z + 1)(z − 1)2
                                z(z 2 − z + 2)
                 U (z)    =                         (The right side rational function is improper.)
                               (z + 1)(z − 1)2
                 U (z)           (z 2 − z + 2
             ∴            =                         (The right side rational function is proper)
                   z           (z + 1)(z − 1)2
                            z2 − z + 2               A     B      C
                                            =           +     +
                         (z + 1)(z − 1)2           z + 1 z − 1 (z − 1)2
2C = 2 =⇒ C = 1.
                                                           19
                                              4A = 4 =⇒ A = 1.
A − B + C = 2 =⇒ B = 0.
Therefore, we have
                                         U (z)           1      1
                                                   =        +
                                           z           z + 1 (z − 1)2
                                                         z      z
                                         U (z)     =        +
                                                       z + 1 (z − 1)2
                                                                                     
                                                       z                        z
                                un   =     Z −1                 + Z −1
                                                      z+1                    (z − 1)2
= (−1)n + n
                                               3z 2 − 18z + 26
                                                                  .
                                            (z − 2)(z − 3)(z − 4)
                                                      3z 2 − 18z + 26)
                                         U (z) =
                                                   (z − 2)(z − 3)(z − 4)
Resolving the right side rational function into partial fractions,
               3z 2 − 18z + 26              A   B   C
                                     =        +   +
            (z − 2)(z − 3)(z − 4)          z−2 z−3 z−4
                                                        20
                 A(z − 3)(z − 4) + B(z − 2)(z − 4) + C(z − 2)(z − 3) = 3z 2 − 18z + 26.
2A = 2 =⇒ A = 1.
−B = −1 =⇒ B = 1.
2C = 2 =⇒ C = 1.
Therefore, we have
                                                         1   1   1
                                              U (z) =      +   +    .
                                                        z−2 z−3 z−4
Applying inverse Z−Transform,
                                           1                        1                      1
                                                                                           
                     un    =   Z −1                   + Z −1                 + Z −1
                                          z−2                      z−3                    z−4
                                                                          1
                                                                                          
                           =   2   n−1
                                         +3   n−1
                                                    +4   n−1
                                                                 ∵Z −1
                                                                               =an−1
                                                                                     (n ≥ 1)
                                                                         z−a
Problem: Find the inverse Z−Transform of
                                                            4z 2 − 2z
                                                                           .
                                                      z3   − 5z 2 + 8z − 4
Solution: The given rational function is
                                               4z 2 − 2z          2z(2z − 1)
                                                              =                 .
                                         z3   − 5z 2 + 8z − 4   (z − 1)(z − 2)2
Let us assume that
                                                                  2z(2z − 1)
                                                U (z)      =
                                                                (z − 1)(z − 2)2
                                                U (z)              2(2z − 1)
                                                           =
                                                  z             (z − 1)(z − 2)2
By partial fractions,
                            2z − 1                      A     B      C
                                                =          +     +
                        (z − 1)(z − 2)2               z − 1 z − 2 (z − 2)2
                                                                21
Therefore, we have
                              A(z − 2)2 + B(z − 1)(z − 2) + C(z − 1) = 2z − 1.
                                  U (z)                   1     1      3
                                                                                        
                                            =   2            −     +
                                    z                   z − 1 z − 2 (z − 2)2
                                                                 3z
                                                                                        
                                                    z     z
                                 ∴ U (z)    =   2      −     +
                                                  z − 1 z − 2 (z − 2)2
                                                              3          2z
                                                                         
                                         z              z
                     un   =    2 Z −1         − Z −1         + Z −1
                                        z−1            z−2    2       (z − 2)2
                                                                                         
                                                                             az
                          =    2−2  n+1
                                           + 3n.2   n
                                                            ∵Z   −1
                                                                                     = na n
                                                                          (z − a)2
Then, we have
Remark:
Let f (z) be a given function.
                                                    1
                                                                           
                                                             d
                                     Resz=a f (z) =    lim     (z − a) f (z) .
                                                                      2
                                                    1! z→a dz
                                                            22
• If z = a is a pole of order 3, then
                                                  1
                                                          2               
                                                          d
                                   Resz=a f (z) =    lim      (z − a) f (z) .
                                                                     3
                                                  2! z→a dz 2
                                                1
                                                           m−1               
                                                           d
                              Resz=a f (z) =          lim        (z − a) f (z) .
                                                                        m
                                             (m − 1)! z→a dz m−1
                                                        3z
                                                                 .
                                                  (z − 1)(z − 2)
Solution:
                                                            3z
                               Let U (z)      =                      .
                                                      (z − 1)(z − 2)
                                                                           3z n
                                Let f (z)     = U (z)z n−1 =                         .
                                                                      (z − 1)(z − 2)
                                                                           3z n
                                                  =     lim (z − 1)
                                                       z→1            (z − 1)(z − 2)
                                                             3z n
                                                  =     lim
                                                       z→1 (z − 2)
= −3.
                                                                           3z n
                                                  =     lim (z − 2)
                                                       z→2            (z − 1)(z − 2)
                                                             3z n
                                                  =     lim
                                                       z→2 (z − 1)
= 3.2n .
                                                          23
By residue method,
= −3 + 3.2n .
                                                       2z
                                                                  .
                                                 (z − 1)(z 2 + 1)
Solution:
                                                         2z
                               Let U (z)     =                      .
                                                   (z − 1)(z 2 + 1)
                                                                           2z n
                               Let f (z)     =     U (z)z n−1 =                       .
                                                                     (z − 1)(z 2 + 1)
                                                                           2z n
                                                                                       
                                             =     lim (z − 1)
                                                   z→1               (z − 1)(z 2 + 1)
                                                          2z n
                                             =     lim
                                                   z→1 (z 2 + 1)
= 1.
                                                         24
Resz=i f (z)   =   lim (z − i)f (z)
                   z→i
                                           2z n
                                                       
               =   lim (z − i)
                   z→i               (z − 1)(z 2 + 1)
                                     2z n
                                                           
               = lim (z − i)
                 z→i         (z − 1)(z − i)(z + i)
                            2z n
               =   lim
                   z→i (z − 1)(z + i)
                      2in
               =
                   (i − 1)2i
                      in
               =
                   (i − 1)i
                     in
               =
                   (−1 − i)
                       in
               = −
                     (1 + i)
                          25
                         Resz=−i f (z)       =       lim (z + i)f (z)
                                                     z→−i
                                                                             2z n
                                                                                         
                                             =       lim (z + i)
                                                     z→−i              (z − 1)(z 2 + 1)
                                                                          2z n
                                                                                             
                                             =        lim (z + i)
                                                     z→−i         (z − 1)(z − i)(z + i)
                                                               2z n
                                             =       lim
                                                     z→−i (z − 1)(z − i)
                                                        2(−i)n
                                             =
                                                     (−i − 1)(−2i)
                                                      (−i)n
                                             =
                                                     (i + 1)i
                                                      (−i)n
                                             =
                                                     (−1 + i)
                                                          (−i)n
                                             =       −
                                                         (1 − i)
By residue method,
                                                                in     (−i)n
                                                 =       1−          −        .
                                                              (1 + i) (1 − i)
                                                      z(z 2 − z + 2)
                                                                     .
                                                     (z + 1)(z − 1)2
Solution:
                                                          z(z 2 − z + 2)
                              Let U (z)          =                       .
                                                         (z + 1)(z − 1)2
                                                                        z n (z 2 − z + 2)
                               Let f (z)         =       U (z)z n−1 =                     .
                                                                        (z + 1)(z − 1)2
f (z) has a simple pole (pole of order 1) at z = −1 and a double pole (pole of order 2) at z = 1.
                                                              26
                           Resz=−1 f (z)            =      lim (z + 1)f (z)
                                                          z→−1
                                                                                z n (z 2 − z + 2)
                                                                                                   
                                                    =      lim (z + 1)
                                                          z→−1                  (z + 1)(z − 1)2
                                                               z n (z 2 − z + 2)
                                                    =      lim
                                                          z→−1      (z − 1)2
= (−1)n .
                                                            
                            d 
       Resz=1 f (z)   = lim    (z − 1)2 f (z)
                        z→1 dz
                                                        z n (z 2 − z + 2)
                                                                          
                                    d
                      =   lim                (z − 1)2
                          z→1       dz                  (z + 1)(z − 1)2
                                             z n (z 2 − z + 2)
                                                               
                            d
                      = lim
                        z→1 dz                    (z + 1)
                                             z n+2 − z n+1 + 2z n )
                                                                    
                                    d
                      =   lim
                          z→1       dz              (z + 1)
= n.
By residue method,
= (−1)n + n.
                                                         z2
                                                                  (a 6= b).
                                                   (z − a)(z − b)
Solution:
                                                                 z2
                                 Let U (z)          =                     .
                                                           (z − a)(z − b)
                                                                                z n+1
                                    Let f (z)       =     U (z)z n−1 =                     .
                                                                            (z − a)(z − b)
                                                                 27
f (z) has simple poles (poles of order 1) at z = a and z = b.
                                                                   z n+1
                                                                                     
                                              =    lim (z − a)
                                                   z→a         (z − a)(z − b)
                                                        z n+1
                                              =       lim
                                                   z→a (z − b)
                                                       an+1
                                              =
                                                      (a − b)
Similarly,
                                                                 bn+1
                                             Resz=b f (z) =           .
                                                                 b−a
By residue method,
                                                   an+1    bn+1
                                             =           +
                                                  (a − b) (b − a)
                                                   an+1    bn+1
                                             =           −
                                                  (a − b) (a − b)
                                                  an+1 − bn+1
                                             =
                                                     a−b
                                                         z2
                                                               .
                                                      (z − a)2
Solution:
                                                           z2
                                  Let U (z)       =              .
                                                        (z − a)2
                                                                           z n+1
                                   Let f (z)      = U (z)z n−1 =                  .
                                                                         (z − a)2
                                                            28
                                                                                   
                                                     d 
                            Resz=a f (z)     =   lim     (z − a)2 f (z)
                                                 z→a dz
                                                                                 z n+1
                                                                                        
                                                           d
                                             =   lim                (z − a)2
                                                 z→a       dz                  (z − a)2
                                                           
                                                     d n+1
                                             =   lim    {z }
                                                 z→a dz
= (n + 1)an .
By residue method,
= (n + 1)an .
                                                        z
                                                             .
                                                     (z − a)
Solution:
                                                          z
                                   Let U (z)     =             .
                                                       (z − a)
                                                                             zn
                                   Let f (z)     =     U (z)z n−1 =               .
                                                                          (z − a)
                                                                 zn
                                                                                  
                                                  = lim (z − a)
                                                    z→a         z−a
                                                  =        lim z n
                                                        z→a
= an
                                                        29
By residue method,
= an .
                                                        1
                                                             .
                                                     (z − a)
Solution:
                                                          1
                                   Let U (z)     =             .
                                                       (z − a)
                                                                        z n−1
                                   Let f (z)     =     U (z)z n−1 =            .
                                                                       (z − a)
f (z) has a simple pole (pole of order 1)at z = a.
                                                                    z n−1
                                                                              
                                                 =     lim (z − a)
                                                       z→a         (z − a)
                                                 =     lim z n−1
                                                       z→a
= an−1
By residue method,
= an−1 .
                          h             u1 i                                            z
                       z 2 U (z) − u0 −      + 4z [U (z) − u0 ] + 3U (z)           =
                                        z                                              z−3
                                                        30
Using the given initial conditions,
                                    1
                                     
                                                                   z
                          z U (z) −
                           2
                                        + 4zU (z) + 3U (z)    =
                                    z                             z−3
                                                                   z
                                    (z 2 + 4z + 3)U (z) − z   =
                                                                  z−3
                                                                        z
                                        (z 2 + 4z + 3)U (z)   =   z+
                                                                       z−3
                                                                          1
                                                                              
                                        (z 2 + 4z + 3)U (z)   =   z 1+
                                                                         z−3
                                                                                   z−2
                                                                                        
                                                                      z
                                                      U (z)   =
                                                                  z + 4z + 3
                                                                   2               z−3
                                                                        z(z − 2)
                                                      U (z)   =
                                                                  (z + 1)(z + 3)(z − 3)
                                                     U (z)               (z − 2)
                                                              =
                                                       z          (z + 1)(z + 3)(z − 3)
                                                       31
   Resolving the right side rational function into partial fractions,
                                            (z − 2)           A   B   C
                                                           =    +   +    .
                                     (z + 1)(z + 3)(z − 3)   z+1 z+3 z−3
   Letting z = −1, A = 83 .
   Letting z = −3, B =       −5
                             12 .
   Letting z = 3, C =    1
                        24 .
   Therefore, we have
                                         U (z)   3 1      5 1      1 1
                                               =        −        +         .
                                           z     8 z + 1 12 z + 3 24 z − 3
                                                 3 z      5 z      1 z
                                         U (z) =        −        +         .
                                                 8 z + 1 12 z + 3 24 z − 3
   Applying inverse Z−Transform, we obtain that
                                                  3         5      1
                                           un =     (−1)n − (−3)n + 3n .
                                                  8        12      24
                     h             u1 i
                  z 2 U (z) − u0 −      − 5z [U (z) − u0 ] + 6U (z)      =   4Z(1)
                                   z
                                                                                  z
                                                   (z 2 − 5z + 6)U (z)   =   4
                                                                                 z−1
                                                                                             z
                                                                U (z)    =   4
                                                                                 (z 2   − 5z + 6)(z − 1)
                                                                U (z)                      1
                                                                         =   4
                                                                  z              (z − 1)(z − 2)(z − 3)
                                               1              A   B   C
                                                           =    +   +    .
                                     (z − 1)(z − 2)(z − 3)   z−1 z−2 z−3
Therefore, we have
                               A(z − 2)(z − 3) + B(z − 1)(z − 3) + C(z − 1)(z − 2) = 1.
Letting z = 1, A = 21 .
                                                           32
   Letting z = 2, B = −1.
   Letting z = 3, C = 12 .
   Therefore, we have
                                      U (z)      1 1   1   1 1
                                                              
                                            =4       −   +
                                        z        2z−1 z−2 2z−3
                                        U (z)      1      1      1
                                              =2      −4     +2     .
                                          z       z−1    z−2    z−3
                                                   z      z      z
                                        U (z) = 2     −4     +2     .
                                                  z−1    z−2    z−3
Applying inverse Z−Transform, we obtain that
un = 2 − 4.2n + 2.3n .
                          h             u1 i
                       z 2 U (z) − u0 −      − 3z [U (z) − u0 ] + 2U (z)   =   0
                                        z
                                                1
                                                 
                                    z 2 U (z) −     − 3zU (z) + 2U (z)     =   0
                                                z
(z 2 − 3z + 2)U (z) − z = 0
(z 2 − 3z + 2)U (z) = z
                                                                  U (z)               1
                                                                           =
                                                                    z          (z 2 − 3z + 2)
                                                                  U (z)              1
                                                                           =
                                                                    z          (z − 1)(z − 2)
                                                         33
                                              ∴ A(z − 2) + B(z − 1) = 1.
Letting z = 1, A = −1.
   Letting z = 2, B = 1.
   Therefore, we have
                                                 U (z)      1   1
                                                       =−     +    .
                                                   z       z−1 z−2
                                                            z   z
                                                 U (z) = −    +    .
                                                           z−1 z−2
Applying inverse Z−Transform, we obtain that
un = −1 + 2n .
un+2 − un+1 − un = 0.
Applying Z−Transform,
                              h             u1 i
                           z 2 U (z) − u0 −      − z [U (z) − u0 ] − U (z)     =   0
                                            z
                                                  1
                                                   
                                        z U (z) −
                                          2
                                                      − zU (z) − U (z)         =   0
                                                  z
(z 2 − z − 1)U (z) − z = 0
                                                                                       z
                                                                       U (z)   =
                                                                                   z2 − z − 1
                                                                       zn
                                          f (z) := U (z)z n−1 =             .
                                                                  z2   −z−1
   The poles of the function f (z) are given by z 2 − z − 1 = 0, that is, z = α, β where
                                                      √         √
                                                   1− 5      1+ 5
                                              α=        & β=      .
                                                     2         2
                                                           34
                             Resz=α f (z)     =   lim (z − α)f (z)
                                                  z→α
                                                                       zn
                                                                            
                                              =   lim (z − α)
                                                  z→α               z −z−1
                                                                     2
                                                                  zn
                                                                                
                                              = lim (z − α)
                                                z→α         (z − α)(z − β)
                                                         zn
                                              =   lim
                                                  z→α (z − β)
                                                    αn
                                              =
                                                  (α − β)
                                                                βn
                                            Resz=α f (z) =            .
                                                              (β − α)
Therefore, we have
                                                αn      βn
                                       =             +
                                              (α − β) (β − α)
                                                αn      βn
                                       =             −
                                              (α − β) (α − β)
                                              αn − β n
                                       =
                                               α−β
yn = A2n + B3n
Solution:
                                                         35
                              yn    = A2n + B3n
                                               yn    1    1
                                              yn+1   2    3 =0
                                              yn+1   4    9
Therefore, we have
                                          yn+2 − 5yn+1 + 6yn = 0.
yn = A + B3n
Solution:
yn = A + B3n
                                               yn    1    1
                                              yn+1   1    3 =0
                                              yn+1   1    9
Therefore, we have
                                          yn+2 − 4yn+1 + 3yn = 0.
36