Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Sinh cosh tanh.svg

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 ) .

Гиперболические функции встречаются при вычислении углов и расстояний в гиперболической геометрии . Они также встречаются в решениях многих линейных дифференциальных уравнений (таких как уравнение, определяющее цепную связь ), кубических уравнений и уравнения Лапласа в декартовых координатах . Уравнения Лапласа важны во многих областях физики , включая теорию электромагнетизма , теплопередачу , гидродинамику и специальную теорию относительности .

Основные гиперболические функции: [1] [2]

из которых получены: [5]

соответствующие производным тригонометрическим функциям.

В обратных гиперболических функциях являются: [1]

  • 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.

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 ]

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 ]

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 ]

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).

См. Также [ править ]

  • e (математическая константа)
  • Теорема о равенстве вписанных окружностей , основанная на sinh
  • Гиперболический рост
  • Обратные гиперболические функции
  • Список интегралов от гиперболических функций
  • Спирали Пуансо
  • Сигмовидная функция
  • Модифицированный гиперболический тангенс Соболевой
  • Тригонометрические функции

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b «Исчерпывающий список символов алгебры» . Математическое хранилище . 2020-03-25 . Проверено 29 августа 2020 .
  2. ^ a b c d Вайсштейн, Эрик В. «Гиперболические функции» . mathworld.wolfram.com . Проверено 29 августа 2020 .
  3. ^ (1999) Краткий словарь Коллинза , 4-е издание, HarperCollins, Глазго, ISBN 0 00 472257 4 , стр. 1386 
  4. ^ a b Краткий словарь Коллинза , стр. 328
  5. ^ а б «Гиперболические функции» . www.mathsisfun.com . Проверено 29 августа 2020 .
  6. ^ Краткий словарь Коллинза , стр. 1520
  7. ^ Краткий словарь Коллинза , стр. 1340
  8. ^ Краткий словарь Коллинза , стр. 329
  9. ^ тан
  10. ^ Вудхаус, НМС (2003), специальная теория относительности , Лондон: Springer, стр. 71, ISBN 978-1-85233-426-0
  11. ^ Абрамовиц, Милтон ; Стегун, Ирен А. , ред. (1972), Справочник по математическим функциям с формулами, графиками и математическими таблицами , Нью-Йорк: Dover Publications , ISBN 978-0-486-61272-0
  12. ^ Некоторые примеры использования arcsinh, найденные в Google Книгах .
  13. ^ Нивен, Иван (1985). Иррациональные числа . 11 . Математическая ассоциация Америки. ISBN 9780883850381. JSTOR  10.4169 / j.ctt5hh8zn .
  14. ^ Роберт Э. Брэдли, Лоуренс А. Д'Антонио, Чарльз Эдвард Сандифер. 300 лет Эйлеру: признательность. Математическая ассоциация Америки, 2007. Стр. 100.
  15. ^ Георг Ф. Беккер. Гиперболические функции. Прочтите книги, 1931. Страница xlviii.
  16. ^ «Гиперболические функции» (PDF) .
  17. Перейти ↑ NP, Bali (2005). Золотое интегральное исчисление . Брандмауэр Media. п. 472. ISBN. 81-7008-169-6.
  18. ^ Осборн, Г. (июль 1902 г.). «Мнемоника для гиперболических формул» . Математический вестник . 2 (34): 189. DOI : 10,2307 / 3602492 . JSTOR 3602492 . 
  19. ^ Мартин, Джордж Э. (1986). Основы геометрии и неевклидова плоскость (1-е изд.). Нью-Йорк: Springer-Verlag. п. 416. ISBN 3-540-90694-0.
  20. ^ «Докажите личность» . StackExchange (математика) . Проверено 24 января +2016 .
  21. ^ Audibert, Жан-Ив (2009). «Быстрая скорость обучения статистическому выводу посредством агрегирования». Летопись статистики. п. 1627. [1]
  22. ^ Меллен В. Хаскелл , «О введении понятия гиперболических функций», Бюллетень Американского математического общества 1 : 6: 155–9, полный текст

Внешние ссылки [ править ]

  • "Гиперболические функции" , Энциклопедия математики , EMS Press , 2001 [1994]
  • Гиперболические функции в PlanetMath
  • GonioLab : Визуализация единичного круга, тригонометрических и гиперболических функций ( Java Web Start )
  • Веб-калькулятор гиперболических функций