Funcții hiperbolice

De la Wikipedia, enciclopedia liberă
Sari la navigare Sari la căutare
Sinus, cosinus și tangentă hiperbolică

În matematică, funcțiile hiperbolice sunt analoagele funcțiilor trigonometrice, dar definite folosind hiperbola în locul cercului. La fel cum punctele (cos t, sin t) formează un cerc [cu raza de o] unitate, punctele (ch t, sh t) formează jumătatea dreaptă a unei hiperbole unitate. De asemenea, la fel cum derivatele lui sin t și cos t sunt cos t și –sin t, derivatele lui sh t și ch t sunt cosh t și +sinh t.

Funcțiile hiperbolice apar în calculele unghiurilor și distanțelor din geometrie hiperbolică. Ele apar, de asemenea, în soluțiile multor ecuații diferențiale liniare (cum ar fi ecuația care definește un lănțișor), ecuații cubice și ecuația lui Laplace în coordonate carteziene. Ecuația lui Laplace este importantă în multe domenii ale fizicii, inclusiv teoria electromagnetică, transferul de căldură, dinamica fluidelor și relativitatea restrânsă.

Notațiile acestor funcții au variat, în literatura matematică în limba română s-au folosit mult notații diferite de cele folosite în limba engleză[1] însă în prezent există o tendință de aliniere.[2] De asemenea, în literatura română funcțiile secantă hiperbolică, cosecantă hiperbolică și în bună măsură cotangentă hiperbolică nu se folosesc, fiind exprimate comod prin funcțiile cosinus hiperbolic, sinus hiperbolic și tangentă hiperbolică.

Funcțiile hiperbolice de bază și inversele lor sunt:[3][4]

Funcția Notația în
limba română
actuală[2]
anterioară[1]
Notația în
limba engleză[5]
variante
Funcția inversă Notația în
limba română[2]
Notația în
limba engleză[5]
sinus hiperbolic sinh
sh
sinh arcsinus hiperbolic
argument sinus hiperbolic
arcsinh, arcsh
argsinh, argsh
arcsinh
arsinh
asinh
cosinus hiperbolic cosh
ch
cosh arccosinus hiperbolic
argument sinus hiperbolic
arccosh, arcch
argcosh, argch
arccosh
arcosh
acosh
tangentă hiperbolică tanh
th
tanh arctangentă hiperbolică
argument tangentă hiperbolică
arctanh
argth
arctanh
artanh
atanh
cotangentă hiperbolică coth
cth
coth arccotangentă hiperbolică
argument cotangentă hiperbolică
arccoth
argcth
arccoth
arcoth
acoth
secantă hiperbolică sech arcsecantă hiperbolică arcsech
arsech
asech
cosecantă hiperbolică cosech
csch
arccosecantă hiperbolică arccsch
arcsch
acsch
O „rază” în hiperbola unitate x2y2 = 1 în punctul (cosh a, sinh a), unde a este dublul ariei dintre rază, hiperbolă și axa x. În punctele de pe hiperbolă sub axa x aria este considerată negativă (v. o animație de comparație cu funcțiile trigonometrice)

Argumentul unei funcții hiperbolice este un număr real, numit unghi hiperbolic. Mărimea unui unghi hiperbolic este de două ori aria sectorului său hiperbolic. Funcțiile hiperbolice pot fi definite în termenii unui triunghi hiperbolic drept care acoperă acest sector.

În analiza complexă, funcțiile hiperbolice apar ca părți imaginare ale sinusului și ale cosinusului. Sinusul hiperbolic și cosinusul hiperbolic sunt funcții întregi. Ca rezultat, celelalte funcții hiperbolice sunt meromorfe în întregul plan complex.

Teorema Lindemann–Weierstrass afirmă că funcțiile hiperbolice au o valoare transcendentală pentru orice valoare algebrică nenulă a argumentului.[6]

Funcțiile hiperbolice au fost introduse în anii 1760 independent de Vincenzo Riccati și Johann Heinrich Lambert.[7] Riccati a folosit Sc. și Cc. (din italiană sinus/cosinus circulare) pentru a se referi la funcțiile trigonometrice și Sh. și Ch. (din italiană sinus/cosinus hyperbolico) pentru a se referi la funcțiile hiperbolice. Lambert a adoptat numele, dar a modificat abrevierile cu cele utilizate astăzi.[8] Abrevierile sh, ch, th, cth sunt și ele utilizate în prezent, în funcție de preferințele personale.

Definiții[modificare | modificare sursă]

sinh, cosh și tanh
csch, sech și coth

Există diferite moduri echivalente de a defini funcțiile hiperbolice.

Definirea cu funcția exponențială[modificare | modificare sursă]

sinh x este jumătate din diferența dintre ex și ex
cosh x este media aritmetică a ex și ex

Folosind funcția exponențială:[4][9]

  • Sinusul hiperbolic:
  • Cosinusul hiperbolic:
  • Tangenta hiperbolică:
  • Cotangenta hiperbolică, pentru x ≠ 0:
  • Secanta hiperbolică:
  • Cosecanta hiperbolică, pentru x ≠ 0:

Definirea prin ecuații diferențiale[modificare | modificare sursă]

Funcțiile hiperbolice pot fi definite ca soluții ale ecuațiilor diferențiale: sinusul și cosinusul hiperbolic sunt soluția unică (s,c) a sistemului:

astfel încât s(0) = 0 și c(0) = 1.

(Condițiile inițiale și sunt necesare deoarece orice pereche de funcții de forma este o soluție a celor două ecuații diferențiale.)

De asemenea, sinh x și cosh x sunt unica soluție a ecuației f ″(x) = f (x), astfel încât f (0) = 1, f ′(0) = 0 pentru cosinusul hiperbolic și f (0) = 0, f ′(0) = 1 pentru sinusul hiperbolic.

Definirea prin relații trigonometrice în planul complex[modificare | modificare sursă]

Funcțiile hiperbolice pot fi deduse din funcțiile trigonometrice de argument complex:

  • Sinusul hiperbolic:[4]
  • Cosinusul hiperbolic:[4]
  • Tangenta hiperbolică:
  • Cotangenta hiperbolică:
  • Secanta hiperbolică:
  • Cosecanta hiperbolică:

unde i este unitatea imaginară cu i2 = −1.

Definițiile de mai sus sunt legate de definițiile exponențiale prin formula lui Euler.

Proprietăți caracteristice[modificare | modificare sursă]

Cosinusul hiperbolic[modificare | modificare sursă]

Se poate arăta că aria de sub curba cosinusului hiperbolic (pe un interval finit) este întotdeauna egală cu lungimea arcului corespunzătoare acelui interval:[10]

Tangenta hiperbolică[modificare | modificare sursă]

Tangenta hiperbolică este unica soluție a ecuației diferențiale f ′ = 1 − f2, with f (0) = 0.

Relații uzuale[modificare | modificare sursă]

Funcțiile hiperbolice satisfac multe identități, toate similare ca formă cu identitățile trigonometrice. De fapt, regula lui Osborn[11] afirmă că se poate converti orice identitate trigonometrică în , , sau și într-o identitate hiperbolică prin dezvoltarea ei completă după puterile sinusurilor și cosinusurilor, schimbarea sinusurilor și cosinusurilor în cosinusuri, respectiv sinusuri hiperbolice și schimbarea semnului fiecărui termen care conține un produs din două sinusuri hiperbolice.

Funcții pare și impare:

de unde:

prin urmare cosh x și sech x sunt funcții pare; celelalte fiind impare.

Sinusul și cosinusul hiperbolic satisfac relațiile:

ultima fiind similară cu identitatea trigonometrică pitagoreică.

Între alte funcții există și relațiile:

Formule pentru sume[modificare | modificare sursă]

în particular

Și:

Formule pentru diferențe[modificare | modificare sursă]

Și:[12]

Formule pentru jumătatea argumentului[modificare | modificare sursă]

unde sgn este semnul funcției.

Dacă x ≠ 0, atunci[13]

Formule pentru pătratul funcțiilor[modificare | modificare sursă]

Inegalități[modificare | modificare sursă]

Următoarea inegalitate este utilă în statistici:[14]

Ea poate fi demonstrată comparând termen cu termen seriile Taylor ale celor două funcții.

Funcțiile inverse ca logaritmi[modificare | modificare sursă]

Derivate[modificare | modificare sursă]

Dervata a doua[modificare | modificare sursă]

Fiecare dintre funcțiile sinh și cosh este egală cu derivata a doua a lor, adică:

Toate funcțiile cu această proprietate sunt combinații liniare de sinh și cosh, în particular de funcțiile exponențiale și .

Integrale[modificare | modificare sursă]

Următoarele integrale pot fi demonstate cu ajutorul substituției hiperbolice:

unde C este constanta de integrare.

Dezvoltări în serie Taylor[modificare | modificare sursă]

Funcțiile de mai sus pot fi dezvoltate în serie Taylor la zero (sau serie Laurent, dacă funcția nu este definită în zero).

Această serie este convergentă pentru orice valoare complexă a x. Deoarece funcția sinh x este impară, numai exponenții impari ai lui x apar în seria sa Taylor.

Această serie este convergentă pentru orice valoare complexă a x. Deoarece funcția cosh x este pară, numai exponenții pari ai lui x apar în seria sa Taylor.

Suma seriilor sinh și cosh este expresia seriei infinite a funcției exponențiale.

Următoarele serii sunt urmate de o descriere a unui subdomeniu al domeniului convergenței lor, în care seria este convergentă și suma sa este egală cu funcția.

unde:

este al n-lea număr Bernoulli
este al n-lea număr Euler

Comparație cu funcțiile trigonometrice[modificare | modificare sursă]

Cercul și hiperbola tangente în (1,1) arată geometria funcțiilor trigonometrice în funcție de aria u a sectorului de cerc și funcțiile hiperbolice în funcție aria u a sectorului hiperbolic

Funcțiile hiperbolice sunt o generalizare a trigonometriei dincolo de funcțiile trigonometrice. Ambele tipuri sunt în funcție de un argument, unghi, respectiv unghi hiperbolic.

Deoarece aria unui sector de cerc cu raza r și unghiul u (în radiani) este , ea va fi egală cu u când r = 2. În diagramă, un astfel de cerc este tangent la hiperbola "xy" = 1 în (1,1). Sectorul portocaliu descrie o zonă și un unghi. Similar, sectoarele portocaliu și roșu prezintă împreună zona și mărimea unghiului hiperbolic.

Catetele opuse unghiului ale celor două triunghiuri dreptunghice cu ipotenuza pe rază au lungimea de 2 ori funcțiile trigonometrică, respectiv hiperbolică.

Unghiul hiperbolic este invariant la o rotație hiperbolică, la fel cum unghiul (trigonometric) este invariant la o rotație.[15]

Funcția Gudermann oferă o relație directă între funcțiile trigonometrice și cele hiperbolice care nu implică numere complexe.

Graficul funcției a cosh(x/a) este lănțișorul, curba formată sub acțiunea gravitației uniforme de un lanț flexibil uniform, liber, agățat doar între două puncte fixe.

Relația cu funcția exponențială[modificare | modificare sursă]

Descompunerea funcției exponențiale în componetele sale cu puteri pare, respectiv impare, dă identitățile:

și

Prima este analogă cu formula lui Euler

În plus,

Funcții hiperbolice pentru numere complexe[modificare | modificare sursă]

Deoarece funcția exponențială poate fi definită pentru orice argument complex, definițiile funcțiilor hiperbolice pot fi extise la argumente complexe. Funcțiile sinh z și cosh z sunt atunci olomorfe.

Relațiile cu funcțiile trigonometrice obișnuite sunt date de formula lui Euler pentru numerele complexe:

deci:

Astfel, funcțiile hiperbolice sunt periodice în raport cu componenta imaginară, cu perioada (pentru tangenta și cotangenta hiperbolică).

Funcții hiperbolice în planul complex
Complex Sinh.jpg Complex Cosh.jpg Complex Tanh.jpg Complex Coth.jpg Complex Sech.jpg Complex Csch.jpg

Note[modificare | modificare sursă]

  1. ^ a b Remus Răduleț și colab. Lexiconul Tehnic Român, ediția a doua, Editura Tehnică, București, 1957-1966, „funcții hiperbolice
  2. ^ a b c O.M. Gurzău, Curs scurt de matematici speciale], utcluj.ro, 2017, accesat 2021-03-29
  3. ^ en „Comprehensive List of Algebra Symbols”. Math Vault. . Accesat în . 
  4. ^ a b c d en Weisstein, Eric W. „Hyperbolic Functions”. mathworld.wolfram.com. Accesat în . 
  5. ^ a b en (1999) Collins Concise Dictionary, 4th edition, HarperCollins, Glasgow, ISBN: 0 00 472257 4
  6. ^ en Niven, Ivan (). Irrational Numbers. 11. Mathematical Association of America. ISBN 9780883850381. JSTOR 10.4169/j.ctt5hh8zn. 
  7. ^ en Robert E. Bradley, Lawrence A. D'Antonio, Charles Edward Sandifer. Euler at 300: an appreciation. Mathematical Association of America, 2007. Page 100.
  8. ^ en Georg F. Becker. Hyperbolic functions. Read Books, 1931. Page xlviii.
  9. ^ en „Hyperbolic Functions”. www.mathsisfun.com. Accesat în . 
  10. ^ en N.P., Bali (). Golden Integral Calculus. Firewall Media. p. 472. ISBN 81-7008-169-6. 
  11. ^ en Osborn, G. (iulie 1902). „Mnemonic for hyperbolic formulae”. The Mathematical Gazette. 2 (34): 189. doi:10.2307/3602492. JSTOR 3602492. 
  12. ^ en Martin, George E. (). The foundations of geometry and the non-euclidean plane (ed. 1st corr.). New York: Springer-Verlag. p. 416. ISBN 3-540-90694-0. 
  13. ^ en „Prove the identity”. StackExchange (mathematics). Accesat în . 
  14. ^ en Audibert, Jean-Yves (). „Fast learning rates in statistical inference through aggregation”. The Annals of Statistics. p. 1627.  [1]
  15. ^ en Mellen W. Haskell, "On the introduction of the notion of hyperbolic functions", Bulletin of the American Mathematical Society 1:6:155–9, full text

Legături externe[modificare | modificare sursă]