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SC · Fundamentos de señales

Señales elementales

El impulso, el escalón y la exponencial son el alfabeto de las señales. En vez de memorizarlos por separado, átalos con una sola relación, que un escalón es impulsos acumulados, y se te quedarán mucho más firmes.

Barre el límite superior y construye el escalón

El pulso rectangular estrecho del centro, de 0,5 de ancho y 2 de alto, es una aproximación de un impulso de área 1. Mueve con el deslizador el límite de integración t hacia la derecha y el área bajo el pulso se llena de dorado mientras su total acumulado sube siguiendo el escalón objetivo de línea discontinua tenue.

escalón objetivo uimpulso δ
límite superior t-2.00
Área acumulada = valor del escalón
∫ δ = 0.00
El límite sigue a la izquierda del pulso y aún no ha encontrado el impulso. El área acumulada es 0 y el escalón ni siquiera ha empezado.
Área 0

El impulso es un punto de área 1

El impulso δ(t) es el límite en que el ancho se reduce a 0 y la altura crece sin cota mientras el área se mantiene en 1. Por eso se define por su área y no por sus valores. Multiplicado por otra señal e integrado, extrae solo el valor de esa señal en un punto, lo que se llama propiedad de selección.

El escalón es la integral acumulada del impulso

El escalón unitario u(t) vale 0 para t < 0 y 1 para t ≥ 0. Esto es exactamente la integral del impulso desde el extremo izquierdo hasta t. A la inversa, derivar el escalón da un impulso que solo aparece en el instante del salto, así que la integración y la derivación unen a los dos en una pareja.

Observau(t) = ∫ δ(τ) dτ
El escalón es el impulso acumulado desde la izquierda.
Eligeδ(t) = ?
Derivar el escalón da un impulso en el salto.
Completa∫ x(t) δ(t − t₀) dt = ?
El impulso extrae un solo valor.
Por tu cuentad/dt eᵃᵗ = ?
La derivada de la exponencial es ella misma multiplicada por a.

La exponencial: su tasa es ella misma

La derivada de una señal exponencial eᵃᵗ es la propia señal multiplicada por a, así que el signo de a decide su destino. Si a > 0, crece sin límite; si a < 0, se apaga hacia 0; y si a = 0, se queda constante. En la figura pequeña adjunta, el rojo es a = 0,95 y el azul a = −0,95, y la respuesta natural de un sistema lineal e invariante en el tiempo aparece siempre con esta forma exponencial.

a > 0 crecea = 0 constantea < 0 decae

De vuelta a la primera pantalla

El área acumulada que barrió el deslizador era el propio escalón. Mientras el límite cruzaba el impulso, el área se llenó de 0 a 1 y dibujó el salto del escalón, y una vez pasado se quedó en 1. El impulso y el escalón son una pareja unida por una sola integración, y la exponencial es la tercera letra, la que tiene una tasa de cambio proporcional a sí misma. Estas tres serán los ladrillos con los que se construirá toda señal en adelante.

Las tres señales elementales quedan unidas por el cálculo. El impulso δ(t) se define por su área 1 y tiene la propiedad de selección ∫ x(t) δ(t − t₀) dt = x(t₀). El escalón unitario u(t) es la acumulación del impulso, u(t) = ∫ δ(τ) dτ, y a la inversa δ(t) = du/dt. La exponencial eᵃᵗ tiene una derivada igual a ella misma multiplicada por a, así que el signo de a la separa en crecimiento, constante y decaimiento.
Hacia las próximas unidades

El impulso es el protagonista del próximo capítulo. La respuesta al impulso es la salida de un sistema cuando entra un solo impulso, y desde ahí la convolución abre el camino para calcular la salida ante cualquier entrada a partir de la respuesta al impulso. La exponencial se convierte en la señal de prueba para resolver sistemas con Laplace y Fourier. En la próxima unidad, operaciones sobre una señal, aprendemos a desplazar y estirar señales a lo largo del eje del tiempo.