X è propria se m<n (il grado del numeratore è minore di quello del denominatore). Se m≥n si fa la divisione tra polinomi: b(s)=q(s)a(s)+r(s) con degr<n, e quindi
X(s)=polinomioq(s)+a(s)r(s).
Il polinomio q(s)=q0+q1s+⋯ corrisponde a q0δ(t)+q1δ′(t)+… (perché δ(k)↔sk): sono impulsi e doppietti, che compaiono se m≥n. Una funzione impropria con m>n ha h con derivate di δ: non assolutamente integrabile, quindi instabile.
Esempio.X(s)=s+2s−3 (m=n=1): s+2s−3=s+2(s+2)−5=1−s+25, da cui x(t)=δ(t)−5e−2tu(t).
Per m=n il quoziente è la costante anbn e si ottiene un termine anbnδ(t); il resto si calcola con r(s)=b(s)−anbna(s).
Passo 2: scomposizione in fratti semplici
Sia X propria. Si fattorizza il denominatore a(s)=an∏i(s−pi)μi (poli pi con molteplicità μi).
Poli semplici (tutti distinti, μi=1):
X(s)=i∑s−piAi,Ai=s→pilim(s−pi)X(s)=a′(pi)b(pi).Perché il metodo dei limiti: moltiplicando entrambi i membri per (s−pi) e facendo s→pi tutti i termini con j=i contengono ancora il fattore s−pi e svaniscono; resta Ai. In pratica si "cancella" il fattore (s−pi) dal denominatore e si valuta il resto in s=pi ("ricoprire il fattore con il dito"). La trasformata inversa è
x(t)=i∑Aiepitu(t).
Esempio.X(s)=s3+s2−6s1=s(s−2)(s+3)1. Poli 0,2,−3:
A0=(0−2)(0+3)1=−61, A2=2⋅(2+3)1=101, A−3=(−3)(−3−2)1=151. Quindi
x(t)=(−61+101e2t+151e−3t)u(t).
Controllo: poiché X∼s31 per grandi s, il segnale è nullo con le sue prime due derivate in 0+; in particolare x(0+)=−61+101+151=30−5+3+2=0 ✓. (Il termine e2t cresce: il sistema è instabile, polo in s=2 nel semipiano destro.)
Poli multipli. Un polo p di molteplicità μ dà μ termini
s−pA1+(s−p)2A2+⋯+(s−p)μAμ,(s−p)k1↔(k−1)!tk−1eptu(t).
Il coefficiente dell'ordine più alto si trova con il limite: Aμ=lims→p(s−p)μX(s). Gli altri con la formula Aμ−j=j!1dsjdj[(s−p)μX(s)]s=p, oppure (spesso più rapido) con un confronto di valori: si calcolano i coefficienti già noti con i limiti e per i mancanti si valuta l'identità in valori di s scelti, o si usa il comportamento per s→∞.
Esempio con polo doppio.X(s)=2s3−2s24s−1=2s2(s−1)4s−1. Poli: 0 (doppio) e 1. Si scrive X=sA+s2B+s−1C.
B=lims→0s2X=2(0−1)4⋅0−1=−2−1=21.
C=lims→1(s−1)X=2⋅14−1=23.
Per A (il coefficiente del polo doppio non si trova con un limite diretto: limsX non esiste in s=0) si usa il comportamento all'infinito: X(s)∼2s34s=s22 cioè sX(s)→0, mentre sX=A+sB+s−1Cs→A+C. Quindi A=−C=−23.
Si ottiene X=−2s3+2s21+2(s−1)3 e
x(t)=(−23+2t+23et)u(t).
Controllo in t=0: x(0+)=−23+23=0 ✓ (perché X∼s22 e quindi x′(0+)=2: derivata 21+23=2 ✓). Verificato con calcolo simbolico.
Poli complessi coniugati. Se a(s) ha coefficienti reali, i poli complessi vengono in coppia σ±jω. Invece di usare esponenziali complessi, conviene raggruppare i due termini in un fratto con denominatore (s−σ)2+ω2 e numeratore lineare, scritto nella forma della tabella:
(s−σ)2+ω2A(s−σ)+Bω↔eσt[Acosωt+Bsinωt]u(t).
I coefficienti reali A,B si trovano con l'identità dei polinomi dopo aver calcolato con i limiti i coefficienti dei poli reali.
Alternativa con i residui complessi: se c=lims→p(s−p)X(s) con p=σ+jω, la coppia di termini s−pc+s−p∗c∗ dà 2Re[cept]=2∣c∣eσtcos(ωt+argc) (per X con coefficienti reali).
Esempio (tema d'esame giugno 2023). Y(s)=(s+2)(s+3)(s2+9)(s−3)s, con poli −2, −3, ±3j. Si pone
Y(s)=s+2A1+s+3A2+s2+9A3s+3A4(σ=0,ω=3).
Poli reali, metodo dei limiti: A1=(s+3)(s2+9)(s−3)ss=−2=1⋅13(−5)(−2)=1310; A2=(s+2)(s2+9)(s−3)ss=−3=(−1)⋅18(−6)(−3)=−1. Per A3,A4 si impone l'uguaglianza tra la forma originale e quella scomposta in due valori di s che non sono poli: in s=0 il primo membro vale 0 (numeratore nullo): 210/13−31+93A4=0⇒135−31+3A4=0⇒A4=−3(135−31)=−132. In s=3 il primo membro vale 0: 510/13−61+183A3+3A4=0⇒A3=133. Quindi
y(t)=131[10e−2t−13e−3t+3cos3t−2sin3t]u(t).
Con i residui complessi: c=lims→3j(s−3j)Y(s)=263+13j, 2∣c∣=1313≈0,277 e argc≈0,588: la componente è 0,277cos(3t+0,588), che è 133cos3t−2sin3t ✓ (coefficienti e antitrasformata verificati con calcolo simbolico).
Esempio con grado uguale (tema d'esame giugno 2025). H(s)=s2+2s+10s2+5s+4 (m=n=2). Divisione: s2+5s+4=(s2+2s+10)+(3s−6), quindi H=1+s2+2s+103(s−2). Il denominatore ha radici −1±3j, quindi s2+2s+10=(s+1)2+9 (σ=−1, ω=3). Si riscrive il numeratore s−2=(s+1)−3, cioè in forma A(s−σ)+Bω con A(s+1)+3B: A=1, 3B=−3⇒B=−1. Quindi
h(t)=δ(t)+3e−t[cos3t−sin3t]u(t).
L'impulso δ è presente perché m=n. Il sistema è stabile (poli con parte reale −1) e h∈L1.
ROC e segnali non causali
La causalità è stata imposta dalla ROC. In generale la ROC contiene tutte le Re di una striscia tra due poli consecutivi (in ordine di parte reale): i poli a sinistra della ROC corrispondono a termini causali (eptu(t)), quelli a destra a termini anticausali (−eptu(−t)).
Esempio.X(s)=(s+1)(s−2)1=31[s−21−s+11] (poli −1 e 2).
ROC
Segnale
Res>2
31(e2t−e−t)u(t) causale, instabile
−1<Res<2
−31e−tu(t)−31e2tu(−t) bilatero, stabile (la ROC contiene jω)
Res<−1
31(e−t−e2t)u(−t) anticausale
Nella striscia centrale −1<Res<2 il polo −1 è a sinistra della ROC (termine causale: −31⋅s+11↔−31e−tu(t)) e il polo 2 è a destra (termine anticausale: 31⋅s−21↔−31e2tu(−t)). Solo il segnale della striscia che contiene l'asse immaginario ha trasformata di Fourier.
La procedura in sintesi
Controlla il grado: se m≥n, dividi e separa i termini δ(k).
Fattorizza il denominatore e individua poli reali semplici, multipli, complessi coniugati.
Scrivi la forma con i coefficienti incogniti (un termine per ogni polo, μ per un polo di molteplicità μ, la forma (s−σ)2+ω2As+B′ per le coppie).
Calcola i coefficienti con i limiti; i mancanti con l'identità dei polinomi o valori di prova.
Antitrasforma con la tabella e la ROC (causale/anticausale).
Controlla: valore in 0+, forma per t→∞ (poli a parte reale negativa ⇒ decade), e che l'uscita sia reale.
Errori comuni
Non fare la divisione quando m≥n e scrivere solo fratti semplici (si perde la δ).
Per un polo doppio, scrivere solo s−pA senza (s−p)2B.
Usare il metodo dei limiti per il coefficiente di un polo multiplo di ordine non massimo.
Lasciare esponenziali complessi per coppie di poli di un sistema reale.
Antitrasformare come causale con una ROC che non lo è.
Versione ripasso
Passo 1: forma propria. Se m≥n si divide b(s)=q(s)a(s)+r(s) con degr<n.
q(s) corrisponde a impulsi e derivate: sk↔δ(k)(t). Per m>n compaiono derivate di δ e il sistema non è stabile.
Es.: s+2s−3=1−s+25, quindi x(t)=δ(t)−5e−2tu(t).
Per m=n il termine costante anbn dà anbnδ(t).
Passo 2: poli semplici.X=∑is−piAi, con Ai=lims→pi(s−pi)X(s)=a′(pi)b(pi) e x=∑iAiepitu(t).
Es.: X=s(s−2)(s+3)1: A0=−61, A2=101, A−3=151. Quindi x=(−61+101e2t+151e−3t)u(t).
Controllo: x(0+)=−61+101+151=0, come impone X∼s31.
Passo 3: poli multipli. Un polo p di molteplicità μ dà s−pA1+⋯+(s−p)μAμ, e (s−p)k1↔(k−1)!tk−1eptu(t).
Il coefficiente di ordine massimo è Aμ=lims→p(s−p)μX(s). Gli altri si ricavano con le derivate, con l'identità dei polinomi o con il comportamento per s→∞.
Es.: X=2s2(s−1)4s−1: B=21 (polo doppio in 0), C=23 (polo in 1), A=−23 dal comportamento per s→∞. Quindi x=(−23+2t+23et)u(t), con x(0+)=0 e x′(0+)=2.
Passo 4: coppie complesse. Per i poli σ±jω di un sistema reale: (s−σ)2+ω2A(s−σ)+Bω↔eσt[Acosωt+Bsinωt]u(t). I coefficienti A,B si trovano per identità dei polinomi, dopo aver calcolato i poli reali.
Alternativa con il residuo c=lims→p(s−p)X(s), p=σ+jω: la coppia dà 2∣c∣eσtcos(ωt+argc).
Es. (tema giugno 2023): Y=(s+2)(s+3)(s2+9)(s−3)s. A1=1310 e A2=−1 con i limiti; A3=133 e A4=−132 imponendo l'uguaglianza in s=0 e s=3, dove il primo membro vale 0. Quindi y=131[10e−2t−13e−3t+3cos3t−2sin3t]u(t).
Es. con grado uguale (tema giugno 2025): H=s2+2s+10s2+5s+4=1+(s+1)2+93(s−2), quindi h=δ(t)+3e−t(cos3t−sin3t)u(t). Il δ c'è perché m=n; il sistema è stabile.
ROC e termini non causali. I poli a sinistra della ROC danno termini causali eptu(t); quelli a destra danno termini anticausali −eptu(−t).
Es.: X=(s+1)(s−2)1=31[s−21−s+11].
Res>2: 31(e2t−e−t)u(t), causale e instabile.
−1<Res<2: −31e−tu(t)−31e2tu(−t), bilatero e stabile (la ROC contiene jω).