可能是最好的讲解双曲函数的文章

可能是最好的讲解双曲函数的文章

零、写在前面

(近期好几个知友询问我能否转载,我在这说一下:随意,无论你是不是商业的。但是任何转载都请私信我转载到了哪里,以及转载时告诉读者从哪里转载的)

对之前在双曲函数的来历是什么,与三角函数有什么关系? - 数学问题下的回答不太满意,故在此重新撰文。尽我所能全面具体详细地介绍双曲函数相关的方方面面,希望它能成为最好的讲解双曲函数的文章。

除了第七部分,高中生都应该可以看懂,因此我不希望大家回复「不明觉厉」,而是看懂它并回复「受益匪浅」。

我希望想了解双曲函数的知友看了我的文章都能有所收获。

一、发展历史

双曲函数的起源是悬链线,首先提出悬链线形状问题的人是达芬奇。他绘制《抱银貂的女人》时曾仔细思索女人脖子上的黑色项链的形状,遗憾的是他没有得到答案就去世了。

时隔170年之久,著名的雅各布·伯努利在一篇论文中又提出了这个问题,并且试图去证明这是一条抛物线。事实上,在他之前的伽利略和吉拉尔都猜测链条的曲线是抛物线。

一年之后,雅各布的证明毫无进展(废话,证明错的东西怎么会有进展)。而他的弟弟约翰·伯努利却解出了正确答案,同一时期的莱布尼茨也正确的给出了悬链线的方程。他们的方法都是利用微积分,根据物理规律给出悬链线的二次微分方程然后再求解。

18世纪,约翰·兰伯特开始研究这个函数,首次将双曲函数引入三角学;19世纪中后期,奥古斯都·德·摩根将圆三角学扩展到了双曲线,威廉·克利福德则使用双曲角参数化单位双曲线。至此,双曲函数在数学上已经占有了举足轻重的地位。

19世纪有一门学科开始了全面发展——复变函数。伴随着欧拉公式的诞生,双曲函数与三角函数这两类看起来截然不同的函数获得了前所未有的统一

二、函数定义

在讲双曲函数的定义之前,我们先看一看三角函数的定义。如图所示:


在实域内,三角函数的值是通过单位圆和角终边上三角函数线的长度定义的。当然这个「长度」是有正负的。

同理,双曲函数的值也是通过双曲线和角终边上的双曲函数线的长度定义的。如图:



具体的定义为

\cosh x = \frac{e^{x}+e^{-x}}{2}

\sinh x = \frac{e^{x}-e^{-x}}{2}

\tanh x = \frac{e^{x}-e^{-x}}{e^{x}+e^{-x}}

三、函数性质

和对应的三角函数性质十分类似,但又有一定的区别。


四、恒等式

双曲函数恒等式一定要结合着三角函数恒等式一起看,真的是太像了:

五、欧拉公式

欧拉公式是复变函数里几乎最重要的一个公式,它揭示了三角函数和指数函数之间的内在联系,从形式上也十分简洁优美:

e^{ix}=\cos x+i\sin x

-x替换掉x,得到

e^{-ix}=\cos x-i\sin x

这样我们可以解出正弦和余弦函数与指数函数的关系式:

\cos x=\frac{e^{ix}+e^{-ix}}{2}

\sin x=\frac{e^{ix}-e^{-ix}}{2i}

再把双曲函数拉过来看看

\cosh x=\frac{e^{x}+e^{-x}}{2}\sinh x=\frac{e^{x}-e^{-x}}{2}

是不是非常接近了呢?很容易看出它们之间存在这样的关系:

\cos x=\cosh(ix),\\ \sin x=-i\sinh(ix)

六、复域统一

先研究一下三角函数和双曲函数的级数展开。

\cos x = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^nx^{2n}}{(2n)!}\sin x = \sum_{n=0}^\infty \frac{(-1)^nx^{2n+1}}{(2n+1)!}

\cosh x = \sum_{n=0}^\infty\frac{x^{2n}}{(2n)!}\sinh x = \sum_{n=0}^\infty\frac{x^{2n+1}}{(2n+1)!}

双曲函数和三角函数的区别仅仅在于是否有-1的幂这一项,双曲函数就是将三角函数改为非交错级数。正是由于其无比相似的级数展开,才使得它们具有十分相似的性质。

我们说了这么多,两类函数似乎各种相似却还是不一样。那么三角函数和双曲函数的关系到底是什么呢?

在复域上,它们的形状其实是一样的!

不信?我们画一画图像。

直观地看,同一行的两个函数除了角度不同之外形状是一样的。

而其实这个关系前边已经说明过了:

\cos x=\cosh(ix),\\ \sin x=-i\sinh(ix)

这两个式子说明对应的两个函数仅通过旋转(对于复变函数,乘i就相当于逆时针旋转90°)即可重合。

对了,大家都知道三角函数的周期是2\pi,那么大家猜猜双曲函数的周期是多少?没错,是2\pi i

七、映射关系(需具备复变函数基础)

正弦与余弦映射均由复变函数里的基本映射复合而成。如\omega=\cos z是由旋转\frac{\pi}{2}的映射、指数函数映射以及如可夫斯基映射复合而成:

1)\omega_{1}=iz;\quad2)\omega_{2}=e^{\omega_{1}}\quad;3)\omega=\frac{1}{2}(\omega_{2}+\frac{1}{\omega_{2}}).

由公式

\sin z=\frac{e^{i(z-\frac{\pi}{2})}+e^{-i(z-\frac{\pi}{2})}}{2}

同样可知\omega=\sin z的复合过程。

由上述知,宽度为\pi的铅直带状区域是z->\sin z,z->\cos z的单叶区域。

我们来看看余弦函数在带状域[-\pi<Re(z)<0]的映射情况:

\omega = u+vi=\cos z=\cos (x+iy)=\cos x\cosh y-i\sin x\sinh y

求直线x=x_{0}的像,有

\begin{cases}u=\cos x_{0}\cosh y\\ v=-\sin x_{0}\sinh y \end{cases}

由此得

\frac{u^{2}}{\cos ^{2}x_{0}}-\frac{v^2}{\sin^{2}x_{0}}=1

这是一个直线到双曲线的映射,当x_{0}为正数和负数时分别为其一个分支。而直线x=0被映射为正实轴从1到+\infty 的割痕,直线x=-\pi被映射为沿实轴-1-\infty的割痕。带状域的像为整个\omega平面,除去实轴上从-1穿过无穷远到1的线段。

八、应用范围

1.悬链线

悬链线的方程是双曲余弦函数,这个在文章开头已经介绍过。而悬索桥、双曲拱桥、架空电缆等都用到了悬链线的原理。在工程上,定义a为悬链线系数,而把悬链的方程记为

y=a(\cosh \frac{x}{a} - 1)

给应用带来很大的方便,如图:


2.平行直导线单位长度电容

真空中无限长圆柱形直导线平行放置,相距为d,半径分别为R_{1},R_{2},电荷线密度为\pm \lambda ,则其单位长电容值为

C=\frac{Q}{U}=\frac{2\pi \varepsilon_{0} }{\mathrm{arcosh} (\frac{d^{2}-R_{1}^{2}-R_{2}^{2}}{2R_{1}R_{2}})}

虽然是反双曲函数,但我觉得也算双曲函数的应用。这个公式在常见的手册上都是可以看到的。

3.换元积分

形如\sqrt{x^{2}\pm a^{2}}的被积函数,除了三角换元外,还可以用x=\sinh tx=\cosh t的双曲代换,如

\int \frac{\mathrm{d}x}{\sqrt{x^{2}+1}}=\int \frac{\cosh t \mathrm{d}t}{\cosh t}(x=\sinh t)=\mathrm{arsinh}(x)+C

4.边值问题的解

直角坐标系中的拉普拉斯方程为

\frac{\partial ^{2}\varphi }{\partial x^2}+\frac{\partial ^{2}\varphi }{\partial y^2}+<br>\frac{\partial ^{2}\varphi }{\partial z^2}=0

\varphi 可以表示为3个函数的积

\varphi (x,y,z)=X(x)Y(y)Z(z)

带入上式得

\frac{X''}{X}+\frac{Y''}{Y}+\frac{Z''}{Z}=0

由于这三项分别是x,y,z的函数,因此方程恒成立就要求这三项均为常数。即

\frac{X''}{X}=\alpha^{2}

\frac{Y''}{Y}=\beta^{2}

\frac{Z''}{Z}=\gamma^{2}

\alpha^{2}=0时,X(x)=a_{0}x+b_{0}

\alpha^{2}<0时,X(x)=a_{1}\sin k_{x}x+a_{2}\cos k_{x}x

而当\alpha^{2}>0时,其解即为双曲函数:X(x)=c_{1}\sinh k_{x}x+c_{2}\cosh k_{x}x

九、反双曲函数简介

反双曲函数是双曲函数的反函数,其推导很简单:令e^{y}=u,解关于u的一元二次方程,再取自然对数即得。

 \begin{align}<br>    \operatorname{arsinh}\, z &= \ln(z + \sqrt{z^2 + 1} \,)<br>    \\[2.5ex]<br>    \operatorname{arcosh}\, z &= \ln(z + \sqrt{z+1} \sqrt{z-1} \,)<br>    \\[1.5ex]<br>    \operatorname{artanh}\, z &= \tfrac12\ln\left({1+z}\right) -  \tfrac12\ln\left({1-z}\right)<br>    \\<br>    \operatorname{arcoth}\, z &= \tfrac12\ln\left({1+\frac{1}{z} }\right) -   \tfrac12\ln\left({1-\frac{1}{z}}\right)<br>    \\<br>    \operatorname{arcsch}\, z &= \ln\left( \frac{1}{z} + \sqrt{ \frac{1}{z^2} +1 } \,\right)<br>    \\<br>    \operatorname{arsech}\, z &= \ln\left( \frac{1}{z} + \sqrt{ \frac{1}{z} + 1 } \, \sqrt{ \frac{1}{z} -1 } \,\right)<br>  \end{align}

细心的读者会注意到反双曲函数用的符号为ar,而反三角函数用的符号为arc,为什么呢?

因为反三角函数也可以用弧长定义:\arcsin x就是「正弦值为x的角的弧长」。而反双曲函数则是用面积定义,表示对应双曲扇形面积的二倍,用arsh、arch等显示与其他函数的区别。

arc在英文中有「弧长」的意思,而ar表示area,有「面积」的意思。

十、参考文献

[1]Inverse trigonometric functions


[2]Inverse hyperbolic function

[3]Hyperbolic function


[4](俄)博亚尔丘克,复变函数[M],北京,清华大学出版社,2008.5.

[5]同济大学数学系,高等数学[M],北京,高等教育出版社,2007.10.

[6]张清,两无限长平行直导线间电容的精确解[J],安徽,安徽工业大学学报,2003.1.

[7]徐裕生,反双曲函数符号的含义[J],陕西,高等数学研究,1996.3.

编辑于 2018-11-05

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