Математические функции для гипербол, аналогичные тригонометрическим функциям для окружностей
«Гиперболическая кривая» перенаправляется сюда. Для геометрической кривой см. Гипербола .
В математике , гиперболические функции являются аналогами обычных тригонометрических функций , но определяются с помощью гиперболы , а не круг . Точно так же, как точки (cos t , sin t ) образуют круг с единичным радиусом , точки (cosh t , sinh t ) образуют правую половину единичной гиперболы . Кроме того, так же, как производные sin ( t ) и cos ( t ) равны cos ( t )и –sin ( t ) , производные sinh ( t ) и ch ( t ) равны ch ( t ) и + sinh ( t ) .
гиперболический синус области «arsinh» (также обозначаемый «sinh −1 », «asinh» или иногда «arcsinh») [10] [11] [12]
гиперболический косинус площади "arcosh" (также обозначается "ch − 1 ", "acosh" или иногда "arccosh")
и так далее.
Луч, проходящий через единичную гиперболу x 2 - y 2 = 1 в точке (ch a , sh a ) , где a - это удвоенная площадь между лучом, гиперболой и осью x . Для точек на гиперболе ниже оси x площадь считается отрицательной (см. Анимированную версию со сравнением с тригонометрическими (круговыми) функциями).
Гиперболические функции принимают вещественный аргумент, называемый гиперболическим углом . Размер гиперболического угла в два раза больше площади его гиперболического сектора . Гиперболические функции могут быть определены в терминах катетов прямоугольного треугольника, покрывающего этот сектор.
В комплексном анализе гиперболические функции возникают как мнимые части синуса и косинуса. Гиперболический синус и гиперболический косинус - целые функции . В результате другие гиперболические функции мероморфны во всей комплексной плоскости.
По теореме Линдемана – Вейерштрасса гиперболические функции имеют трансцендентное значение для любого ненулевого алгебраического значения аргумента. [13]
Гиперболические функции были введены в 1760-е годы независимо Винченцо Риккати и Иоганн Генрих Ламберт . [14] Риккати использовал Sc. и Cc. ( sinus / cosinus circare ) для обозначения круговых функций и Sh. и гл. ( sinus / cosinus hyperbolico ) для обозначения гиперболических функций. Ламберт принял имена, но изменил аббревиатуры на те, которые используются сегодня. [15] Сокращения sh , ch , th , cth также используются в настоящее время в зависимости от личных предпочтений.
СОДЕРЖАНИЕ
1 Определения
1.1 Экспоненциальные определения
1.2 Определения дифференциальных уравнений
1.3 Сложные тригонометрические определения
2 Домены и диапазоны
3 Характерные свойства
3.1 Гиперболический косинус
3.2 Гиперболический тангенс
4 Полезные отношения
4.1 Сумма аргументов
4.2 Формулы вычитания
4.3 Формулы половинного аргумента
4.4 Квадратные формулы
4.5 Неравенства
5 Обратные функции как логарифмы
6 производных
7 Вторые производные
8 Стандартные интегралы
9 выражений ряда Тейлора
10 Сравнение с круговыми функциями
11 Связь с экспоненциальной функцией
12 гиперболических функций для комплексных чисел
13 См. Также
14 Ссылки
15 Внешние ссылки
Определения [ править ]
Sinh , cosh и tanh
CSCH , сечь и COTH
Существуют различные эквивалентные способы определения гиперболических функций.
Экспоненциальные определения [ править ]
sinh x составляет половину разницы между e x и e - x
сЬ х является среднее по е х и е - х
В терминах экспоненциальной функции : [2] [5]
Гиперболический синус: нечетная часть экспоненциальной функции, то есть
Гиперболический косинус: четная часть экспоненциальной функции, то есть
Гиперболический тангенс:
Гиперболический котангенс: при x ≠ 0 ,
Гиперболический секанс:
Гиперболический косеканс: для й ≠ 0 ,
Определения дифференциальных уравнений [ править ]
Гиперболические функции могут быть определены как решения дифференциальных уравнений : гиперболический синус и косинус являются единственными решениями ( s , c ) системы
такие, что s (0) = 0 и c (0) = 1 .
(Начальные условия необходимы, потому что каждая пара функций формы решает два дифференциальных уравнения.)
Sinh (x) и ch (x) также являются единственным решением уравнения f ″ ( x ) = f ( x ) , таким что f (0) = 1 , f ′ (0) = 0 для гиперболического косинуса и f (0) = 0 , f ′ (0) = 1 для гиперболического синуса.
Сложные тригонометрические определения [ править ]
Гиперболические функции также могут быть выведены из тригонометрических функций со сложными аргументами:
Гиперболический синус: [2]
Гиперболический косинус: [2]
Гиперболический тангенс:
Гиперболический котангенс:
Гиперболический секанс:
Гиперболический косеканс:
где i - мнимая единица с i 2 = −1 .
Приведенные выше определения связаны с экспоненциальными определениями через формулу Эйлера (см. § Гиперболические функции для комплексных чисел ниже).
Домены и диапазоны [ править ]
Функция
Домен
Классифицировать
ℝ
ℝ
ℝ
[1, ∞)
ℝ
(-1, 1)
ℝ - {0}
(-∞, -1) ∪ (1, ∞)
ℝ
(0, 1]
ℝ - {0}
ℝ - {0}
ℝ - это набор всех действительных чисел . [16]
Характеристика свойств [ править ]
Гиперболический косинус [ править ]
Можно показать, что площадь под кривой гиперболического косинуса (на конечном интервале) всегда равна длине дуги, соответствующей этому интервалу: [17]
Гиперболический тангенс [ править ]
Гиперболический тангенс - это (единственное) решение дифференциального уравнения f ′ = 1 - f 2 , где f (0) = 0 .
Полезные отношения [ править ]
Гиперболические функции удовлетворяют многим тождествам, все они по форме похожи на тригонометрические тождества . На самом деле, правила Осборна [18] утверждает , что один может преобразовать любой тригонометрические функции для , , или и в гиперболической идентичности, дополнив его полностью в терминах интегральных степеней синусов и косинусов, изменение синуса в зп и косинуса к дубинкой, и меняя знак каждого члена, содержащего произведение двух знаков.
Нечетные и четные функции:
Следовательно:
Таким образом, ch x и sech x - четные функции ; остальные - нечетные функции .
Гиперболический синус и косинус удовлетворяют:
последний из которых похож на тригонометрическое тождество Пифагора .
У одного также есть
для других функций.
Суммы аргументов [ править ]
особенно
Также:
Формулы вычитания [ править ]
Также: [19]
Формулы половинного аргумента [ править ]
где sgn - знаковая функция .
Если x ≠ 0 , то [20]
Квадратные формулы [ править ]
Неравенства [ править ]
В статистике полезно следующее неравенство: [21]
Это можно доказать, почленно сравнивая ряды Тейлора этих двух функций.
Обратные функции как логарифмы [ править ]
Основная статья: Обратная гиперболическая функция
Производные [ править ]
Вторые производные [ править ]
Каждая из функций sinh и ch равна своей второй производной , то есть:
Все функции с этим свойством являются линейными комбинациями из зпа и дубинки , в частности, экспоненциальные функции и .
Стандартные интегралы [ править ]
Полный список см. В списке интегралов от гиперболических функций .
Следующие интегралы можно доказать с помощью гиперболической замены :
где C - постоянная интегрирования .
Выражения ряда Тейлора [ править ]
Можно явно выразить ряд Тейлора в нуле (или ряд Лорана , если функция не определена в нуле) вышеуказанных функций.
Этот ряд сходится для любого комплексного значения x . Так как функция зп х является нечетным , только нечетными индексы для й происходят в ряде Тейлора.
Этот ряд сходится для любого комплексного значения x . Поскольку функция ch x является четной , в ее ряд Тейлора входят только четные показатели для x .
Сумма рядов sinh и ch является бесконечным рядным выражением экспоненциальной функции .
Следующие серии сопровождаются описанием подмножества их области сходимости , где ряд сходится, а его сумма равна функции.
куда:
является п - го числа Бернулли
- n- е число Эйлера
Сравнение с круговыми функциями [ править ]
Круг и гиперболой касательной в точке (1,1) отображения геометрии круговых функций с точки зрения кругового сектора области ¯u и гиперболических функций в зависимости от гиперболического сектора области ¯u .
Гиперболические функции представляют собой расширение тригонометрии за пределы круговых функций . Оба типа зависят от аргумента : кругового или гиперболического угла .
Поскольку площадь кругового сектора с радиусом r и углом u (в радианах) равна r 2 u / 2, она будет равна u, когда r = √ 2 . На диаграмме такая окружность касается гиперболы xy = 1 в точке (1,1). Желтый сектор обозначает площадь и угловую величину. Точно так же желтый и красный секторы вместе обозначают площадь и величину гиперболического угла .
Катеты двух прямоугольных треугольников с гипотенузой на луче, определяющем углы, имеют длину √ 2 раза больше круговой и гиперболической функций.
Гиперболический угол является инвариантной мерой по отношению к отображению сжатия , так же как круговой угол инвариантен относительно вращения. [22]
Функция Гудермана дает прямую связь между круговыми функциями и гиперболическими функциями, не содержащими комплексных чисел.
График функции a ch ( x / a ) - это цепная линия, кривая, образованная однородной гибкой цепью, свободно свисающей между двумя фиксированными точками под действием равномерного гравитации.
Связь с экспоненциальной функцией [ править ]
Разложение экспоненты на четную и нечетную части дает тождества
и
Первый аналогичен формуле Эйлера
Кроме того,
Гиперболические функции для комплексных чисел [ править ]
Поскольку экспоненциальная функция может быть определена для любого сложного аргумента, мы также можем расширить определения гиперболических функций до сложных аргументов. ФУНКЦИИ SINH г и сп г затем голоморфны .
Связь с обычными тригонометрическими функциями задается формулой Эйлера для комплексных чисел:
так:
Таким образом, гиперболические функции периодичны относительно мнимой составляющей с периодом ( для гиперболического тангенса и котангенса).
Гиперболические функции на комплексной плоскости
См. Также [ править ]
Викискладе есть медиафайлы, связанные с гиперболическими функциями .
e (математическая константа)
Теорема о равенстве вписанных окружностей , основанная на sinh