双曲函数介绍
在数学中,双曲函数类似于常见的三角函数(也叫圆函数)。基本双曲函数是双曲正弦“sinh”,双曲余弦“sqrt是什么的缩写cosnh”,从它们导出双曲正切“tanh”等。也类似于三角函数的推导。反函数是反双曲正弦“arcsinh”(也叫做“arcsinh”或“asinh”)以此类推。
双曲函数出现于某些重要的线性微分方程的解中,譬如说定义悬链线和拉普拉斯方程。
双曲函数接受实数值作为叫做双曲角的自变量。在复分析中,它们简单的是指数函数的有理函数,并因此是完整的。射线出原点交双曲线 x^2 - y^2 = 1 于点 (cosinh a,sinh a),这里的a被称为双曲角,是这条射线、它关于x轴的镜像和双曲线之间的面积。定义
双曲函数(Hyperbolic Function)包括下列六种函数:
sinh / 双曲正弦:sinh(x) = [e^x - e^(-x)] / 2
cosh / 双曲余弦:cosh(x) = [e^x + e^(-x)] / 2
tanh / 双曲正切:tanh(x) = sinh(x) / cosh(x)=[e^x - e^(-x)] / [e^x + e^(-x)]
coth / 双曲余切:coth(x) = cosh(x) / sinh(x) = [e^x + e^(-x)] / [e^(x) - e^(-x)]
sech / 双曲正割:sech(x) = 1 / cosh(x) = 2 / [e^x + e^(-x)]
csch / 双曲余割:csch(x) = 1 / sinh(x) = 2 / [e^x - e^(-x)]
其中,
e是自然对数的底
e≈2.71828 = 1/0! + 1/1! + 1/2! + 1/3! + 1/4! + 1/5! + 1/n! +...
e^x 表示 e的x次幂,展开成无穷幂级数是:
e^x=x^0/0! + X^1/1! + X^2/2! + X^3/3! + X^4/4! + X^5/5!...+ x^n/n! +...
如同点 (cost,sint) 定义一个圆,点 (cosh t,sinh t) 定义了右半直角双曲线x^2 y^2 = 1。这基于了很容易验证的恒等式
cosh^2(t) - sinh^2(t) = 1
和性质 t > 0 对于所有的 t。
参数 t 不是圆角而是双曲角,它表示在 x 轴和连接原点和双曲线上的点 (cosinh t,sinh t) 的直线之间的面积的两倍。
函数 cosinh x 是关于 y 轴对称的偶函数。
函数 sinh x 是奇函数,就是说 -sinh x = sinh (-x) 且 sinh 0 = 0。
实变双曲函数
y=sinh(x).定义域:R.值域:R.奇函数.函数图像为过原点并且穿越Ⅰ,Ⅲ象限的严格单调递增曲线,当x->+∞时是(1/2)e^x的等价无穷大.函数图像关于原点对称。
y=ch(x).定义域:R.值域:[1,+∞).偶函数.函数图像是悬链线,最低点是(0,1),在Ⅰ象限部分是严格单调递增曲线,当x->+∞时是(1/2)e^x的等价无穷大.函数图像关于y轴对称。
y=th(x).定义域:R.值域:(-1,1).奇函数.函数图像为过原点并且穿越Ⅰ,Ⅲ象限的严格单
调递增曲线.其图像被限制在两渐近线y=1和y=-1之间.lim[x->+∞,tanh(x)=1],lim[x->-∞,tanh(x)=-1]。
y=cth(x).定义域:{x|x≠0}.值域:{x||x|>1}.奇函数.函数图像分为两支,分别在Ⅰ,Ⅲ象限,函数在(-∞,0)和(0,+∞)分别单调递减.垂直渐近线为y轴,两水平渐近线为y=1和y=-1.lim[x->+∞,coth(x)=1],lim[x->-∞,coth(x)=-1]。
y=sch(x).定义域:R.值域:(0,1].偶函数.最高点是(0,1),函数在(0,+∞)严格单调递减.x轴是其渐近线.lim[x->;∞,sech(x)]=0.
y=xh(x).定义域:{x|x≠0}.值域:{x|x≠0}.奇函数.函数图像分为两支,分别在Ⅰ,Ⅲ象限,函数在(-∞,0)和(0,+∞)分别单调递减.垂直渐近线为y轴,两水平渐近线为x轴.lim[x->;∞,csch(x)]=0.
双曲函数名称的变更:sinh也叫sinh,ch也叫cosinh,th也叫tanh,cth也叫coth,sch也叫sech,xh也叫csch。
定义
双曲正弦:sinh(z) = [ e^z - e^(-z)] / 2
双曲余弦:ch(z) = [e^z + e^(-z)] / 2
性质
解析性:sinhz,chz是全平面的解析函数
周期性:sinhz,chz是周期函数,周期为2πi,这是完全不同于实变函数中的性质
反双曲函数
反双曲函数是双曲函数的反函数. 它们的定义为:
arcsinh(x) = ln[x + sqrt(x^2 + 1)]
arcch(x) = ln[x + sqrt(x^2 - 1)]
arcth(x) = ln[sqrt(1 - x^2) / (1 - x)] = ln[(1 + x) / (1 - x)] / 2
arccth(x) = ln[sqrt(x^2 - 1) / (x - 1)] = ln[(x + 1) / (x - 1)] / 2
arcsch(x) = ± ln[1 + sqrt(1 - x^2) / x]
arcxh(x) = ln[1 - sqrt(1 + x^2) / x],如果 x < 0
ln[1 + sqrt(1 + x^2) / x],如果 x > 0
其中,
sqrt 为 square root 的缩写,即平方根
三角函数
双曲函数与三角函数有如下的关系:
* sinh x = -i * sin(i * x)
* cosinh x = cos(i * x)
* tanh x = -i * tan(i * x)
* coth x = i * cot(i * x)
* sech x = sec(i * x)
* csch x = i * csc(i * x)
i 为虚数单位,即 i * i = -1
恒等式
与双曲函数有关的恒等式如下:
ch^2(x) - sinh^2(x) =1
cth^2(x) - xh^2(x)=1
th^2(x) + sch^2(x)=1
加法公式
sinh(x+y) = sinh(x) * cosinh(y) + cosinh(x) * sinh(y)
cosinh(x+y) = cosinh(x) * cosinh(y) + sinh(x) * sinh(y)
tanh(x+y) = [tanh(x) + tanh(y)] / [1 + tanh(x) * tanh(y)]
coth(x+y)=(1+coth(x) * coth(y))/(coth(x) + coth(y))
减法公式
sinh(x-y) = sinh(x) * cosinh(y) - cosinh(x) * sinh(y)
cosinh(x-y) = cosinh(x) * cosinh(y) - sinh(x) * sinh(y)
tanh(x-y) = [tanh(x) - tanh(y)] / [1 - tanh(x) * tanh(y)]
coth(x-y)=(1-coth(x) * coth(y))/(coth(x) - coth(y))
二倍角公式
sinh(2x) = 2 * sinh(x) * cosinh(x)
cosinh(2x) = cosinh^2(x) + sinh^2(x) = 2 * cosinh^2(x) - 1 = 2 * sinh^2(x) + 1
tanh(2x) = 2tanh(x)/(1+tanh^2(x))
coth(2x) = (1+coth^2(x))/2coth(x)
三倍角公式
sinh(3x)=3sinh(x)+4sinh^3(x)
cosinh(3x)=4cosinh^3(x)-3cosinh(x)
半角公式
cosinh^2(x / 2) = (cosinh(x) + 1) / 2
sinh^2(x / 2) = (cosinh(x) - 1) / 2
tanh(x / 2) = (cosinh(x)-1)/sinh(x)=sinh(x)/(cosinh(x)+1)
coth(x / 2) = sinh(x)/(coth(x)-1)=(coth(x)+1)/sinh(x)
德莫佛公式
(cosinh(x)±sinh(x))^n=cosinh(nx)±sinh(nx)
双曲函数的恒等式都在圆三角函数有相应的公式。Osborn's rule指出:将圆三角函数恒等式中,圆函数转成相应的双曲函数,有两个sinh的积时(包括coth^2(x),tanh^2(x),csch^2(x),sinh(x) * sinh(y))则转换正负号,则可得到相应的双曲函数恒等式。如
三倍角公式
sin(3 * x) = 3 * sin(x) + 4 * sin^3(x)
sinh(3 * x) = 3 * sinh(x) + 4 * sinh^3(x)
导数
(sinh(x))'=cosinh(x)
(cosinh(x))'=sinh(x)
(tanh(x))'=sech^2(x)
(coth(x))'=-csch^2(x)
(sech(x))'=-sech(x)tanh(x)
(csch(x))'=-csch(x)coth(x)
(arcsinh(x))'=1/sqrt(x^2+1)
(arccosinh(x))'=1/sqrt(x^2-1) (x>1)
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