Математические функции для гипербол, аналогичные тригонометрическим функциям для окружностей
«Гиперболическая кривая» перенаправляется сюда. Для геометрической кривой см.
Гипербола .
В математика , гиперболические функции являются аналогами обычных тригонометрические функции определены для гипербола а не на круг : так же, как точки (потому что т грех т ) сформировать круг с единичным радиусом , точки (ш т , зп т ) образуют правую половину равностороннего гипербола .
Гиперболические функции встречаются при вычислении углов и расстояний в гиперболическая геометрия . Они также встречаются в решениях многих линейных дифференциальные уравнения (например, уравнение, определяющее цепная связь ), кубические уравнения , и Уравнение Лапласа в Декартовы координаты . Уравнения Лапласа важны во многих областях физика , в том числе электромагнитная теория , теплопередача , динамика жидкостей , и специальная теория относительности .
Основные гиперболические функции:[1] [2]
гиперболический синус "зин" (),[3] гиперболический косинус "ш" (),[4] из которых получены:[5]
гиперболический тангенс "танх" (),[6] гиперболический косеканс «цщ» или «когеч» ([4] )гиперболический секанс «сечь» (),[7] гиперболический котангенс "кот" (),[8] [9] соответствующие производным тригонометрическим функциям.
В обратные гиперболические функции находятся:[1]
площадь гиперболического синуса "арсинх" (также обозначаемый "синх−1 "," asinh "или иногда" arcsinh ")[10] [11] [12] гиперболический косинус площади «аркош» (также обозначается как «сш»−1 "," acosh "или иногда" arccosh "и так далее. Луч сквозь
гипербола единиц Икс 2 − у 2 = 1 в точке
(ш а , зп а ) , где
а вдвое больше площади между лучом, гиперболой и
Икс -ось. Для точек на гиперболе ниже
Икс -оси площадь считается отрицательной (см.
анимированная версия со сравнением с тригонометрическими (круговыми) функциями).
Гиперболические функции принимают реальный аргумент называется гиперболический угол . Размер гиперболического угла в два раза больше площади его гиперболический сектор . Гиперболические функции могут быть определены в терминах стороны прямоугольного треугольника охватывающий этот сектор.
В комплексный анализ , гиперболические функции возникают как мнимые части синуса и косинуса. Гиперболический синус и гиперболический косинус равны целые функции . В результате другие гиперболические функции мероморфный во всей комплексной плоскости.
От Теорема Линдемана – Вейерштрасса , гиперболические функции имеют трансцендентная ценность для каждого ненулевого алгебраическое значение аргумента.[13]
Гиперболические функции были введены в 1760-х годах независимо Винченцо Риккати и Иоганн Генрих Ламберт .[14] Риккати использовал Sc. и Копия (синус / косинус циркулярный ) для обозначения круговых функций и Ш. и Гл. (синус / гиперболический косинус ) для обозначения гиперболических функций. Ламберт принял эти имена, но изменил сокращения на те, которые используются сегодня.[15] Сокращения ш , ch , th , cth также используются в настоящее время, в зависимости от личных предпочтений.
Определения
грех , шиш и танх
csch , сечь и кот
Существуют различные эквивалентные способы определения гиперболических функций.
Экспоненциальные определения грех Икс половина
разница из
еИкс и
е −Икс шиш Икс это
средний из
еИкс и
е −Икс Что касается экспоненциальная функция :[2] [5]
Гиперболический синус: странная часть экспоненциальной функции, то есть грех Икс = е Икс − е − Икс 2 = е 2 Икс − 1 2 е Икс = 1 − е − 2 Икс 2 е − Икс . { displaystyle sinh x = { frac {e ^ {x} -e ^ {- x}} {2}} = { frac {e ^ {2x} -1} {2e ^ {x}}} = { frac {1-e ^ {- 2x}} {2e ^ {- x}}}.} Гиперболический косинус: даже часть экспоненциальной функции, то есть шиш Икс = е Икс + е − Икс 2 = е 2 Икс + 1 2 е Икс = 1 + е − 2 Икс 2 е − Икс . { displaystyle cosh = { frac {e ^ {x} + e ^ {- x}} {2}} = { frac {e ^ {2x} +1} {2e ^ {x}}} = { frac {1 + e ^ {- 2x}} {2e ^ {- x}}}.}. Гиперболический тангенс: танх Икс = грех Икс шиш Икс = е Икс − е − Икс е Икс + е − Икс = е 2 Икс − 1 е 2 Икс + 1 { displaystyle tanh x = { frac { sinh x} { cosh x}} = { frac {e ^ {x} -e ^ {- x}} {e ^ {x} + e ^ {- x}}} = { frac {e ^ {2x} -1} {e ^ {2x} +1}}} Гиперболический котангенс: для Икс ≠ 0 , кот Икс = шиш Икс грех Икс = е Икс + е − Икс е Икс − е − Икс = е 2 Икс + 1 е 2 Икс − 1 { displaystyle coth x = { frac { cosh x} { sinh x}} = { frac {e ^ {x} + e ^ {- x}} {e ^ {x} -e ^ {- x}}} = { frac {e ^ {2x} +1} {e ^ {2x} -1}}} Гиперболический секанс: сечь Икс = 1 шиш Икс = 2 е Икс + е − Икс = 2 е Икс е 2 Икс + 1 { displaystyle operatorname {sech} x = { frac {1} { cosh x}} = { frac {2} {e ^ {x} + e ^ {- x}}} = { frac {2e ^ {x}} {e ^ {2x} +1}}} Гиперболический косеканс: для Икс ≠ 0 , csch Икс = 1 грех Икс = 2 е Икс − е − Икс = 2 е Икс е 2 Икс − 1 { displaystyle operatorname {csch} x = { frac {1} { sinh x}} = { frac {2} {e ^ {x} -e ^ {- x}}} = { frac {2e ^ {x}} {e ^ {2x} -1}}} Определения дифференциальных уравнений Гиперболические функции можно определить как решения дифференциальные уравнения : Гиперболический синус и косинус - уникальное решение. (s , c ) системы
c ′ ( Икс ) = s ( Икс ) s ′ ( Икс ) = c ( Икс ) { Displaystyle { begin {align} c '(x) & = s (x) s' (x) & = c (x) end {выравнивается}}} такой, что s (0) = 0 и c (0) = 1 .
Они также являются единственным решением уравнения ж ″(Икс ) = ж (Икс ) , так что ж (0) = 1 , ж ′(0) = 0 для гиперболического косинуса и ж (0) = 0 , ж ′(0) = 1 для гиперболического синуса.
Сложные тригонометрические определения Гиперболические функции также могут быть выведены из тригонометрические функции с участием сложный аргументы:
Гиперболический синус:[2] грех Икс = − я грех ( я Икс ) { Displaystyle зп Икс = -i грех (ix)} Гиперболический косинус:[2] шиш Икс = потому что ( я Икс ) { Displaystyle соз х = соз (ix)} Гиперболический тангенс: танх Икс = − я загар ( я Икс ) { Displaystyle tanh х = -i tan (ix)} Гиперболический котангенс: кот Икс = я детская кроватка ( я Икс ) { Displaystyle coth х = я кроватка (ix)} Гиперболический секанс: сечь Икс = сек ( я Икс ) { displaystyle operatorname {sech} x = sec (ix)} Гиперболический косеканс: csch Икс = я csc ( я Икс ) { Displaystyle OperatorName {csch} х = я csc (ix)} где я это мнимая единица с участием я 2 = −1 .
Приведенные выше определения связаны с экспоненциальными определениями через Формула Эйлера (Увидеть § Гиперболические функции для комплексных чисел ниже).
Характеристика свойств
Гиперболический косинус Можно показать, что площадь под кривой гиперболического косинуса (на конечном интервале) всегда равна длине дуги, соответствующей этому интервалу:[16]
площадь = ∫ а б шиш Икс d Икс = ∫ а б 1 + ( d d Икс шиш Икс ) 2 d Икс = длина дуги. { displaystyle { text {area}} = int _ {a} ^ {b} cosh x , dx = int _ {a} ^ {b} { sqrt {1+ left ({ frac {d} {dx}} ch x right) ^ {2}}} , dx = { text {длина дуги.}}}
Гиперболический тангенс Гиперболический тангенс - это решение дифференциальное уравнение ж ′ = 1 − ж 2 , с участием ж (0) = 0 и нелинейный краевая задача :[17] [18]
1 2 ж ″ = ж 3 − ж ; ж ( 0 ) = ж ′ ( ∞ ) = 0. { displaystyle { tfrac {1} {2}} f '' = f ^ {3} -f; quad f (0) = f '( infty) = 0.} Полезные отношения
Гиперболические функции удовлетворяют многим тождествам, все они по форме похожи на тригонометрические тождества . По факту, Правило Осборна [19] утверждает, что можно преобразовать любое тригонометрическое тождество для θ { displaystyle theta} , 2 θ { displaystyle 2 theta} , 3 θ { displaystyle 3 theta} или θ { displaystyle theta} и φ { displaystyle varphi} в гиперболическую идентичность, полностью расширив ее с точки зрения интегральных степеней синусов и косинусов, изменив синус на sinh и косинус на cosh, и изменив знак каждого члена, содержащего произведение двух sinh.
Нечетные и четные функции:
грех ( − Икс ) = − грех Икс шиш ( − Икс ) = шиш Икс { displaystyle { begin {align} sinh (-x) & = - sinh x cosh (-x) & = cosh x end {align}}} Отсюда:
танх ( − Икс ) = − танх Икс кот ( − Икс ) = − кот Икс сечь ( − Икс ) = сечь Икс csch ( − Икс ) = − csch Икс { displaystyle { begin {align} tanh (-x) & = - tanh x coth (-x) & = - coth x имя оператора {sech} (-x) & = имя оператора {sech} x operatorname {csch} (-x) & = - operatorname {csch} x end {выровнено}}} Таким образом, шиш Икс и сечь Икс находятся четные функции ; другие нечетные функции .
Арсех Икс = аркош ( 1 Икс ) дуга Икс = арсин ( 1 Икс ) аркот Икс = Artanh ( 1 Икс ) { displaystyle { begin {align} operatorname {arsech} x & = operatorname {arcosh} left ({ frac {1} {x}} right) operatorname {arcsch} x & = operatorname {arsinh } left ({ frac {1} {x}} right) operatorname {arcoth} x & = operatorname {artanh} left ({ frac {1} {x}} right) end { выровнено}}} Гиперболический синус и косинус удовлетворяют:
шиш Икс + грех Икс = е Икс шиш Икс − грех Икс = е − Икс шиш 2 Икс − грех 2 Икс = 1 { displaystyle { begin {align} cosh x + sinh x & = e ^ {x} cosh x- sinh x & = e ^ {- x} cosh ^ {2} x- sinh ^ {2} x & = 1 end {выровнено}}} последний из которых похож на Пифагорейская тригонометрическая идентичность .
Также есть
сечь 2 Икс = 1 − танх 2 Икс csch 2 Икс = кот 2 Икс − 1 { displaystyle { begin {align} operatorname {sech} ^ {2} x & = 1- tanh ^ {2} x operatorname {csch} ^ {2} x & = coth ^ {2} x- 1 конец {выровнено}}} для других функций.
Суммы аргументов грех ( Икс + у ) = грех Икс шиш у + шиш Икс грех у шиш ( Икс + у ) = шиш Икс шиш у + грех Икс грех у танх ( Икс + у ) = танх Икс + танх у 1 + танх Икс танх у { Displaystyle { begin {align} sinh (x + y) & = sinh x cosh y + cosh x sinh y cosh (x + y) & = cosh x cosh y + sinh x sinh y [6px] tanh (x + y) & = { frac { tanh x + tanh y} {1+ tanh x tanh y}} конец {выровнено}}} особенно
шиш ( 2 Икс ) = грех 2 Икс + шиш 2 Икс = 2 грех 2 Икс + 1 = 2 шиш 2 Икс − 1 грех ( 2 Икс ) = 2 грех Икс шиш Икс танх ( 2 Икс ) = 2 танх Икс 1 + танх 2 Икс { Displaystyle { begin {выровнен} cosh (2x) & = sinh ^ {2} {x} + cosh ^ {2} {x} = 2 sinh ^ {2} x + 1 = 2 cosh ^ {2} x-1 sinh (2x) & = 2 sinh x cosh x tanh (2x) & = { frac {2 tanh x} {1+ tanh ^ {2} x}} конец {выровнено}}} Также:
грех Икс + грех у = 2 грех ( Икс + у 2 ) шиш ( Икс − у 2 ) шиш Икс + шиш у = 2 шиш ( Икс + у 2 ) шиш ( Икс − у 2 ) { displaystyle { begin {align} sinh x + sinh y & = 2 sinh left ({ frac {x + y} {2}} right) cosh left ({ frac {xy} {2 }} right) cosh x + cosh y & = 2 cosh left ({ frac {x + y} {2}} right) cosh left ({ frac {xy} {2}} right) конец {выровнено}}} Формулы вычитания грех ( Икс − у ) = грех Икс шиш у − шиш Икс грех у шиш ( Икс − у ) = шиш Икс шиш у − грех Икс грех у танх ( Икс − у ) = танх Икс − танх у 1 − танх Икс танх у { Displaystyle { begin {align} sinh (xy) & = sinh x cosh y- cosh x sinh y cosh (xy) & = cosh x cosh y- sinh x sinh y tanh (xy) & = { frac { tanh x- tanh y} {1- tanh x tanh y}} конец {выровнено}}} Также:[20]
грех Икс − грех у = 2 шиш ( Икс + у 2 ) грех ( Икс − у 2 ) шиш Икс − шиш у = 2 грех ( Икс + у 2 ) грех ( Икс − у 2 ) { displaystyle { begin {align} sinh x- sinh y & = 2 cosh left ({ frac {x + y} {2}} right) sinh left ({ frac {xy} { 2}} right) cosh x- cosh y & = 2 sinh left ({ frac {x + y} {2}} right) sinh left ({ frac {xy} {2 }} right) конец {выровнено}}} Формулы половинного аргумента грех ( Икс 2 ) = грех Икс 2 ( шиш Икс + 1 ) = sgn Икс шиш Икс − 1 2 шиш ( Икс 2 ) = шиш Икс + 1 2 танх ( Икс 2 ) = грех Икс шиш Икс + 1 = sgn Икс шиш Икс − 1 шиш Икс + 1 = е Икс − 1 е Икс + 1 { displaystyle { begin {align} sinh left ({ frac {x} {2}} right) & = { frac { sinh x} { sqrt {2 ( cosh x + 1)} }} && = operatorname {sgn} x , { sqrt { frac { cosh x-1} {2}}} [6px] cosh left ({ frac {x} {2}} right) & = { sqrt { frac { cosh x + 1} {2}}} [6px] tanh left ({ frac {x} {2}} right) & = { frac { sinh x} { cosh x + 1}} && = operatorname {sgn} x , { sqrt { frac { ch x-1} { cosh x + 1}}} = { frac {e ^ {x} -1} {e ^ {x} +1}} end {выровнено}}} где sgn это функция знака .
Если Икс ≠ 0 , тогда[21]
танх ( Икс 2 ) = шиш Икс − 1 грех Икс = кот Икс − csch Икс { displaystyle tanh left ({ frac {x} {2}} right) = { frac { cosh x-1} { sinh x}} = coth x- operatorname {csch} x} Квадратные формулы грех 2 Икс = 1 2 ( шиш 2 Икс − 1 ) шиш 2 Икс = 1 2 ( шиш 2 Икс + 1 ) { displaystyle { begin {align} sinh ^ {2} x & = { frac {1} {2}} ( cosh 2x-1) cosh ^ {2} x & = { frac {1} {2}} ( cosh 2x + 1) конец {выровнено}}} Неравенства В статистике полезно следующее неравенство: шиш ( т ) ≤ е т 2 / 2 { displaystyle operatorname {cosh} (t) leq e ^ {t ^ {2} / 2}} [22]
Это можно доказать, послеменно сравнивая ряды Тейлора этих двух функций.
Обратные функции как логарифмы
арсин ( Икс ) = пер ( Икс + Икс 2 + 1 ) аркош ( Икс ) = пер ( Икс + Икс 2 − 1 ) Икс ⩾ 1 Artanh ( Икс ) = 1 2 пер ( 1 + Икс 1 − Икс ) | Икс | < 1 аркот ( Икс ) = 1 2 пер ( Икс + 1 Икс − 1 ) | Икс | > 1 Арсех ( Икс ) = пер ( 1 Икс + 1 Икс 2 − 1 ) = пер ( 1 + 1 − Икс 2 Икс ) 0 < Икс ⩽ 1 дуга ( Икс ) = пер ( 1 Икс + 1 Икс 2 + 1 ) Икс ≠ 0 { displaystyle { begin {align} operatorname {arsinh} (x) & = ln left (x + { sqrt {x ^ {2} +1}} right) operatorname {arcosh} (x ) & = ln left (x + { sqrt {x ^ {2} -1}} right) && x geqslant 1 имя оператора {artanh} (x) & = { frac {1} {2} } ln left ({ frac {1 + x} {1-x}} right) && | x | <1 имя оператора {arcoth} (x) & = { frac {1} {2} } ln left ({ frac {x + 1} {x-1}} right) && | x |> 1 operatorname {arsech} (x) & = ln left ({ frac { 1} {x}} + { sqrt {{ frac {1} {x ^ {2}}} - 1}} right) = ln left ({ frac {1 + { sqrt {1- x ^ {2}}}} {x}} right) && 0 Производные
d d Икс грех Икс = шиш Икс d d Икс шиш Икс = грех Икс d d Икс танх Икс = 1 − танх 2 Икс = сечь 2 Икс = 1 шиш 2 Икс d d Икс кот Икс = 1 − кот 2 Икс = − csch 2 Икс = − 1 грех 2 Икс Икс ≠ 0 d d Икс сечь Икс = − танх Икс сечь Икс d d Икс csch Икс = − кот Икс csch Икс Икс ≠ 0 d d Икс арсин Икс = 1 Икс 2 + 1 d d Икс аркош Икс = 1 Икс 2 − 1 1 < Икс d d Икс Artanh Икс = 1 1 − Икс 2 | Икс | < 1 d d Икс аркот Икс = 1 1 − Икс 2 1 < | Икс | d d Икс Арсех Икс = − 1 Икс 1 − Икс 2 0 < Икс < 1 d d Икс дуга Икс = − 1 | Икс | 1 + Икс 2 Икс ≠ 0 { displaystyle { begin {align} { frac {d} {dx}} sinh x & = cosh x { frac {d} {dx}} cosh x & = sinh x { frac {d} {dx}} tanh x & = 1- tanh ^ {2} x = operatorname {sech} ^ {2} x = { frac {1} { cosh ^ {2} x}} { frac {d} {dx}} coth x & = 1- coth ^ {2} x = - operatorname {csch} ^ {2} x = - { frac {1} { sinh ^ {2} x}} && x neq 0 { frac {d} {dx}} operatorname {sech} x & = - tanh x operatorname {sech} x { frac {d} {dx}} operatorname {csch} x & = - coth x operatorname {csch} x && x neq 0 { frac {d} {dx}} operatorname {arsinh} x & = { frac {1} { sqrt {x ^ { 2} +1}}} { frac {d} {dx}} operatorname {arcosh} x & = { frac {1} { sqrt {x ^ {2} -1}}} && 1
Вторые производные
Sinh и cosh равны своим вторая производная , это:
d 2 d Икс 2 грех Икс = грех Икс { displaystyle { frac {d ^ {2}} {dx ^ {2}}} sinh x = sinh x ,} d 2 d Икс 2 шиш Икс = шиш Икс . { displaystyle { frac {d ^ {2}} {dx ^ {2}}} cosh x = cosh x ,.} Все функции с этим свойством линейные комбинации греха и кош, в частности экспоненциальные функции е Икс { displaystyle e ^ {x}} и е − Икс { displaystyle e ^ {- x}} .
Стандартные интегралы
∫ грех ( а Икс ) d Икс = а − 1 шиш ( а Икс ) + C ∫ шиш ( а Икс ) d Икс = а − 1 грех ( а Икс ) + C ∫ танх ( а Икс ) d Икс = а − 1 пер ( шиш ( а Икс ) ) + C ∫ кот ( а Икс ) d Икс = а − 1 пер ( грех ( а Икс ) ) + C ∫ сечь ( а Икс ) d Икс = а − 1 арктан ( грех ( а Икс ) ) + C ∫ csch ( а Икс ) d Икс = а − 1 пер ( танх ( а Икс 2 ) ) + C = а − 1 пер | csch ( а Икс ) − кот ( а Икс ) | + C { Displaystyle { begin {align} int sinh (ax) , dx & = a ^ {- 1} cosh (ax) + C int cosh (ax) , dx & = a ^ {- 1} sinh (ax) + C int tanh (ax) , dx & = a ^ {- 1} ln ( ch (ax)) + C int coth (ax) , dx & = a ^ {- 1} ln ( sinh (ax)) + C int operatorname {sech} (ax) , dx & = a ^ {- 1} arctan ( sinh (ax)) + C int operatorname {csch} (ax) , dx & = a ^ {- 1} ln left ( tanh left ({ frac {ax} {2}} right) right) + C = a ^ {- 1} ln left | operatorname {csch} (ax) - coth (ax) right | + C end {align}}} Следующие интегралы можно доказать с помощью гиперболическая замена :
∫ 1 а 2 + ты 2 d ты = арсин ( ты а ) + C ∫ 1 ты 2 − а 2 d ты = аркош ( ты а ) + C ∫ 1 а 2 − ты 2 d ты = а − 1 Artanh ( ты а ) + C ты 2 < а 2 ∫ 1 а 2 − ты 2 d ты = а − 1 аркот ( ты а ) + C ты 2 > а 2 ∫ 1 ты а 2 − ты 2 d ты = − а − 1 Арсех ( ты а ) + C ∫ 1 ты а 2 + ты 2 d ты = − а − 1 дуга | ты а | + C { displaystyle { begin {align} int {{ frac {1} { sqrt {a ^ {2} + u ^ {2}}}} , du} & = operatorname {arsinh} left ( { frac {u} {a}} right) + C int {{ frac {1} { sqrt {u ^ {2} -a ^ {2}}}} , du} & = operatorname {arcosh} left ({ frac {u} {a}} right) + C int { frac {1} {a ^ {2} -u ^ {2}}} , du & = a ^ {- 1} operatorname {artanh} left ({ frac {u} {a}} right) + C && u ^ {2} a ^ {2} int {{ frac {1} {u { sqrt {a ^ {2} -u ^ {2}}}}} , du} & = - a ^ {- 1} operatorname {arsech} left ({ frac {u} {a}} right) + C int {{ frac {1} {u { sqrt {a ^ {2} + u ^ {2}}}}} , du} & = - a ^ {- 1} operatorname {arcsch} left | { frac {u} {a}} right | + C end {align}}} где C это постоянная интеграции .
Выражения ряда Тейлора
Можно явно выразить Серия Тейлор на нуле (или Серия Laurent , если функция не определена в нуле) указанных выше функций.
грех Икс = Икс + Икс 3 3 ! + Икс 5 5 ! + Икс 7 7 ! + ⋯ = ∑ п = 0 ∞ Икс 2 п + 1 ( 2 п + 1 ) ! { displaystyle sinh x = x + { frac {x ^ {3}} {3!}} + { frac {x ^ {5}} {5!}} + { frac {x ^ {7}} {7!}} + Cdots = sum _ {n = 0} ^ { infty} { frac {x ^ {2n + 1}} {(2n + 1)!}}} Эта серия сходящийся для каждого сложный ценность Икс . Поскольку функция грех Икс является странный , только нечетные показатели для Икс происходят в его серии Тейлора.
шиш Икс = 1 + Икс 2 2 ! + Икс 4 4 ! + Икс 6 6 ! + ⋯ = ∑ п = 0 ∞ Икс 2 п ( 2 п ) ! { displaystyle cosh x = 1 + { frac {x ^ {2}} {2!}} + { frac {x ^ {4}} {4!}} + { frac {x ^ {6} } {6!}} + Cdots = sum _ {n = 0} ^ { infty} { frac {x ^ {2n}} {(2n)!}}} Эта серия сходящийся для каждого сложный ценность Икс . Поскольку функция шиш Икс является даже , только четные показатели для Икс происходят в его серии Тейлора.
Сумма рядов sinh и cosh равна бесконечная серия выражение экспоненциальная функция .
Следующие серии сопровождаются описанием подмножества их область конвергенции , где ряд сходится, а его сумма равна функции.
танх Икс = Икс − Икс 3 3 + 2 Икс 5 15 − 17 Икс 7 315 + ⋯ = ∑ п = 1 ∞ 2 2 п ( 2 2 п − 1 ) B 2 п Икс 2 п − 1 ( 2 п ) ! , | Икс | < π 2 кот Икс = Икс − 1 + Икс 3 − Икс 3 45 + 2 Икс 5 945 + ⋯ = ∑ п = 0 ∞ 2 2 п B 2 п Икс 2 п − 1 ( 2 п ) ! , 0 < | Икс | < π сечь Икс = 1 − Икс 2 2 + 5 Икс 4 24 − 61 Икс 6 720 + ⋯ = ∑ п = 0 ∞ E 2 п Икс 2 п ( 2 п ) ! , | Икс | < π 2 csch Икс = Икс − 1 − Икс 6 + 7 Икс 3 360 − 31 Икс 5 15120 + ⋯ = ∑ п = 0 ∞ 2 ( 1 − 2 2 п − 1 ) B 2 п Икс 2 п − 1 ( 2 п ) ! , 0 < | Икс | < π { displaystyle { begin {align} tanh x & = x - { frac {x ^ {3}} {3}} + { frac {2x ^ {5}} {15}} - { frac {17x ^ {7}} {315}} + cdots = sum _ {n = 1} ^ { infty} { frac {2 ^ {2n} (2 ^ {2n} -1) B_ {2n} x ^ {2n-1}} {(2n)!}}, Qquad left | x right | <{ frac { pi} {2}} coth x & = x ^ {- 1} + { frac {x} {3}} - { frac {x ^ {3}} {45}} + { frac {2x ^ {5}} {945}} + cdots = sum _ {n = 0} ^ { infty} { frac {2 ^ {2n} B_ {2n} x ^ {2n-1}} {(2n)!}}, qquad 0 < left | x right | < pi operatorname {sech} , x & = 1 - { frac {x ^ {2}} {2}} + { frac {5x ^ {4}} {24}} - { frac {61x ^ {6} } {720}} + cdots = sum _ {n = 0} ^ { infty} { frac {E_ {2n} x ^ {2n}} {(2n)!}}, Qquad left | x right | <{ frac { pi} {2}} operatorname {csch} , x & = x ^ {- 1} - { frac {x} {6}} + { frac {7x ^ {3}} {360}} - { frac {31x ^ {5}} {15120}} + cdots = sum _ {n = 0} ^ { infty} { frac {2 (1-2 ^ {2n-1}) B_ {2n} x ^ {2n-1}} {(2n)!}}, Qquad 0 < left | x right | < pi end {align}}} где:
B п { displaystyle B_ {n} ,} это п th Число Бернулли E п { Displaystyle E_ {п} ,} это п th Число Эйлера Сравнение с круговыми функциями
Касательная к окружности и гиперболе в точке (1,1) отображает геометрию круговых функций в терминах
круговой сектор площадь
ты и гиперболические функции в зависимости от
гиперболический сектор площадь
ты .
Гиперболические функции представляют собой разложение тригонометрия за пределами круговые функции . Оба типа зависят от аргумент , либо круговой угол или гиперболический угол .
Поскольку площадь кругового сектора с радиусом р и угол ты (в радианах) равно р 2 ты / 2, она будет равна ты когда р = √2 . На схеме такая окружность касается гиперболы ху = 1 в (1,1). Желтый сектор обозначает площадь и угловую величину. Точно так же желтый и красный секторы вместе обозначают область и величина гиперболического угла .
Ноги двоих прямоугольные треугольники с гипотенузой на луче, определяющем углы, имеют длину √2 умножить на круговые и гиперболические функции.
Гиперболический угол - это инвариантная мера с уважением к сжатие , так же, как круговой угол инвариантен относительно вращения.[23]
В Функция Гудермана дает прямую связь между круговыми функциями и гиперболическими функциями, не использующими комплексные числа.
График функции а сш (Икс /а ) это цепная связь , кривая, образованная однородной гибкой цепью, свободно свисающей между двумя фиксированными точками под действием равномерного силы тяжести.
Связь с экспоненциальной функцией
Разложение экспоненты по ее четные и нечетные части дает личности
е Икс = шиш Икс + грех Икс , { Displaystyle е ^ {х} = сш х + зп х,} и
е − Икс = шиш Икс − грех Икс . { displaystyle e ^ {- x} = cosh x- sinh x.} Первый аналогичен Формула Эйлера
е я Икс = потому что Икс + я грех Икс . { Displaystyle е ^ {ix} = соз х + я грех х.} Дополнительно,
е Икс = 1 + танх Икс 1 − танх Икс = 1 + танх Икс 2 1 − танх Икс 2 { displaystyle e ^ {x} = { sqrt { frac {1+ tanh x} {1- tanh x}}} = { frac {1+ tanh { frac {x} {2}} } {1- tanh { frac {x} {2}}}}} Гиперболические функции для комплексных чисел
Поскольку экспоненциальная функция можно определить для любого сложный аргумент, мы также можем расширить определения гиперболических функций до сложных аргументов. Функции sinhz и шишz тогда голоморфный .
Отношения к обычным тригонометрическим функциям задаются формулой Формула Эйлера для комплексных чисел:
е я Икс = потому что Икс + я грех Икс е − я Икс = потому что Икс − я грех Икс { displaystyle { begin {align} e ^ {ix} & = cos x + i sin x e ^ {- ix} & = cos x-i sin x end {выравнивается}}} так:
шиш ( я Икс ) = 1 2 ( е я Икс + е − я Икс ) = потому что Икс грех ( я Икс ) = 1 2 ( е я Икс − е − я Икс ) = я грех Икс шиш ( Икс + я у ) = шиш ( Икс ) потому что ( у ) + я грех ( Икс ) грех ( у ) грех ( Икс + я у ) = грех ( Икс ) потому что ( у ) + я шиш ( Икс ) грех ( у ) танх ( я Икс ) = я загар Икс шиш Икс = потому что ( я Икс ) грех Икс = − я грех ( я Икс ) танх Икс = − я загар ( я Икс ) { displaystyle { begin {align} cosh (ix) & = { frac {1} {2}} left (e ^ {ix} + e ^ {- ix} right) = cos x sinh (ix) & = { frac {1} {2}} left (e ^ {ix} -e ^ {- ix} right) = i sin x cosh (x + iy) & = cosh (x) cos (y) + i sinh (x) sin (y) sinh (x + iy) & = sinh (x) cos (y) + i cosh (x ) sin (y) tanh (ix) & = i tan x cosh x & = cos (ix) sinh x & = - i sin (ix) tanh x & = - я тан (ix) конец {выровнено}}} Таким образом, гиперболические функции периодический по мнимой составляющей с периодом 2 π я { displaystyle 2 pi i} ( π я { displaystyle pi i} для гиперболического тангенса и котангенса).
Гиперболические функции на комплексной плоскости грех ( z ) { displaystyle operatorname {sinh} (z)} шиш ( z ) { displaystyle operatorname {cosh} (z)} танх ( z ) { displaystyle operatorname {tanh} (z)} кот ( z ) { displaystyle operatorname {coth} (z)} сечь ( z ) { displaystyle operatorname {sech} (z)} csch ( z ) { displaystyle operatorname {csch} (z)}
Смотрите также
использованная литература
^ а б «Исчерпывающий список символов алгебры» . Математическое хранилище . 2020-03-25. Получено 2020-08-29 .^ а б c d Вайсштейн, Эрик В. «Гиперболические функции» . mathworld.wolfram.com . Получено 2020-08-29 . ^ (1999) Краткий словарь Коллинза , 4-е издание, HarperCollins, Глазго, ISBN 0 00 472257 4, п. 1386 ^ а б Краткий словарь Коллинза , п. 328^ а б «Гиперболические функции» . www.mathsisfun.com . Получено 2020-08-29 .^ Краткий словарь Коллинза , п. 1520^ Краткий словарь Коллинза , п. 1340^ Краткий словарь Коллинза , п. 329^ танх ^ Вудхаус, Н. М. Дж. (2003), Специальная теория относительности , Лондон: Springer, стр. 71, ISBN 978-1-85233-426-0 ^ 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 ^ Некоторые примеры использования arcsinh нашел в Google Книги .^ Нивен, Иван (1985). Иррациональные числа . 11 . Математическая ассоциация Америки. ISBN 9780883850381 . JSTOR 10.4169 / j.ctt5hh8zn . ^ Роберт Э. Брэдли, Лоуренс А. Д'Антонио, Чарльз Эдвард Сандифер. 300 лет Эйлеру: признание. Математическая ассоциация Америки, 2007. Стр. 100. ^ Георг Ф. Беккер. Гиперболические функции. Прочтите книги, 1931. Страница xlviii. ^ Н.П., Бали (2005). Золотое интегральное исчисление . Брандмауэр Media. п. 472. ISBN 81-7008-169-6 . ^ Вайсштейн, Эрик В. «Гиперболический тангенс» . MathWorld .^ «Получение тангенциального раствора в 1 / 2 ж " = ж 3 − ж " . Математика StackExchange . Получено 18 марта 2016 .^ Осборн, Г. (июль 1902 г.). «Мнемоника для гиперболических формул» . Математический вестник . 2 (34): 189. Дои :10.2307/3602492 . JSTOR 3602492 . ^ Мартин, Джордж Э. (1986). Основы геометрии и неевклидова плоскость (1-й кор. Ред.). Нью-Йорк: Springer-Verlag. п. 416. ISBN 3-540-90694-0 . ^ «Докажи личность» . StackExchange (математика). Получено 24 января 2016 .^ Audibert, Жан-Ив (2009). «Высокая скорость обучения статистическому выводу посредством агрегирования». Летопись статистики. п. 1627. [1] ^ Меллен В. Хаскелл , «О введении понятия гиперболических функций», Бюллетень Американского математического общества 1 :6:155–9, полный текст внешние ссылки
Тригонометрические и гиперболические функции
Элементарный Взаимный Обратный Гиперболический Обратный гиперболический Другой
Авторитетный контроль