Funksionet hiperbolike

Nga Wikipedia, enciklopedia e lirë

matematikë, funksionet hiperbolike janë analoget e funksioneve të zakonshme trigonometrike, por të përcaktuara duke përdorur hiperbolën dhe jo rrethin . Ashtu si pikat (cos t, sin t) formojnë një rreth njësi, pikat (cosh t, sinh t) formojnë gjysmën e djathtë të hiperbolës njësi . Gjithashtu, në mënyrë të ngjashme me mënyrën se si derivatet e sin(t) dhe cost(t) janë përkatësisht cost(t) dhe -sin(t), derivatet e sinh(t) dhe cosh(t) janë cosh(t) dhe sinh(t) respektivisht.

Funksionet hiperbolike hasen në llogaritjet e këndeve dhe largësive në gjeometrinë hiperbolike . Ato hasen gjithashtu në zgjidhjet e shumë ekuacioneve diferenciale lineare (siç është ekuacioni që përcakton një katenare ), ekuacionet kubike dhe ekuacioni i Laplasitkoordinata karteziane . Ekuacionet e Laplasit janë të rëndësishme në shumë fusha të fizikës, duke përfshirë teorinë elektromagnetike, transferimin e nxehtësisë, dinamikën e lëngjeve dhe relativitetin special .

Funksionet themelore hiperbolike janë: [1]

  • sinusi hiperbolik " sinh " ,
  • kosinusi hiperbolik " cosh ", [2]

nga të cilat rrjedhin: [3]

  • tangjenti hiperbolik " tanh ", [4]
  • kotangjenti hiperbolik " coth ", [5] [6]

që u përkojnë funksioneve trigonometrike të prejardhura.

Funksionet hiperbolike të anasjellta janë:

  • sinusi hiperbolik i zonës " arsinh " (i shënuar gjithashtu " sinh−1 ", " asinh " ose ndonjëherë " arcsinh ") [7] [8] [9]
  • kosinusi hiperbolik i zonës " arcosh " (i shënuar gjithashtu " cosh−1 ", " acosh " ose ndonjëherë " arccosh ")
  • e kështu me radhë.
Një rreze përmes hiperbolës njësi në pikën , ku është dyfishi i sipërfaqes ndërmjet rrezes, hiperbolës dhe boshtit x . Për pikat në hiperbolën nën boshtin x, zona konsiderohet negative (shih versionin e animuar me krahasimin me funksionet trigonometrike (rrethore)).

Funksionet hiperbolike marrin një argument real të quajtur kënd hiperbolik . Madhësia e një këndi hiperbolik është dyfishi i sipërfaqes së sektorit të tij hiperbolik . Funksionet hiperbolike mund të përcaktohen në termat e këmbëve të një trekëndëshi kënddrejtë që mbulon këtë sektor.

analizën komplekse, funksionet hiperbolike lindin kur zbatohen funksionet e zakonshme të sinusit dhe kosinusit në një kënd imagjinar. Sinusi hiperbolik dhe kosinusi hiperbolik janë funksione të tëra . Si rezultat, funksionet e tjera hiperbolike janë meromorfike në të gjithë planin kompleks.

Funksionet hiperbolike u prezantuan në vitet 1760 në mënyrë të pavarur nga Vincenzo Riccati dhe Johann Heinrich Lambert . [10] Riccati përdori Sc. dhe Cc. ( sinus/cosinus circulare) për t'iu referuar funksioneve rrethore dhe Sh. dhe Ch. ( sinus/cosinus hyperbolico ) për t'iu referuar funksioneve hiperbolike. Lambert miratoi emrat, por ndryshoi shkurtesat në ato që përdoren sot. [11] Aktualisht përdoren edhe shkurtesat sh, ch, th, cth, në varësi të preferencës personale.

Shënimi[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Përkufizimet[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

sinh, cosh dhe tanh
csch, sech dhe coth

Ka mënyra të ndryshme ekuivalente për të përcaktuar funksionet hiperbolike.

Përkufizimet eksponenciale[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

është gjysma e ndryshesës dhe
është mesatarja e dhe

Për sa i përket funksionit eksponencial : [1] [3]

  • Sinusi hiperbolik: pjesa teke e funksionit eksponencial, d.m.th.
  • Kosinusi hiperbolik: pjesa çifte e funksionit eksponencial, d.m.th.
  • Tangjenti hiperbolik:
  • Kotangjenti hiperbolik: për x ≠ 0 ,
  • Sekanti hiperbolik:
  • Kosekanti hiperbolik: për x ≠ 0 ,

Përkufizimet e ekuacioneve diferenciale[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Funksionet hiperbolike mund të përkufizohen si zgjidhje të ekuacioneve diferenciale : Sinusi dhe kosinusi hiperbolik janë zgjidhja e sistemit.

me kushtet fillestare Kushtet fillestare e bëjnë zgjidhjen unike; pa to çdo çift funksionesh do të ishte një zgjidhje.

dhe janë gjithashtu zgjidhja unike e ekuacionit , e tillë që për kosinusin hiperbolik dhe për sinusin hiperbolik.

Përkufizimet komplekse trigonometrike[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Funksionet hiperbolike mund të nxirren gjithashtu nga funksionet trigonometrike me argumente komplekse :

  • Sinusi hiperbolik: [1]
  • Kosinusi hiperbolik: [1]
  • Tangjenti hiperbolik:
  • Kotangjenti hiperbolik:
  • Sekanti hiperbolik:
  • Kosekanti hiperbolik:

ku është njësia imagjinare me .

Vetitë karakterizuese[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Kosinusi hiperbolik[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Mund të tregohet se zona nën lakoren e kosinusit hiperbolik (mbi një interval të fundëm) është gjithmonë e barabartë me gjatësinë e harkut që i korrespondon atij intervali: [12]

Tangjenti hiperbolik[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Tangjenti hiperbolik është zgjidhja (unike) e ekuacionit diferencial , me . [13] [14]

Marrëdhënie të dobishme[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Funksionet hiperbolike kënaqin shumë identitete, të gjitha të ngjashme në formë me identitetet trigonometrike . Në fakt, rregulli i Osbornit thotë se mund të konvertohet çdo identitet trigonometrik për , , ose dhe në një identitet hiperbolik, duke e zgjeruar plotësisht në termat e fuqive integrale të sinuseve dhe kosinuseve, duke ndryshuar sinusin në sinh dhe kosinusin në cosh dhe duke ndryshuar shenjën e çdo termi që përmban një produkt prej dy funksionesh sinh.

Funksionet tek dhe çift:

Prandaj:
Kështu, dhe janë funksione çift ; të tjerët janë funksione tek .
Sinusi dhe kosinusi hiperbolik kënaqin:
e fundit prej të cilave është e ngjashme me identitetin trigonometrik të Pitagorës .

Shumat e argumenteve[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

veçanërisht
Gjithashtu:

Formulat e zbritjes[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Gjithashtu: [15]

Formulat e gjysëm këndit[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

ku është funksioni i shenjës .

Nëse , atëherë [16]

Formulat e linearizimit[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Mosbarazimet[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Mosbarazimi i mëposhtëm është i dobishëm në statistikë: [17]

Funksionet e anasjellta si logaritme[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Derivatet[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Derivatet e dyta[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Secili prej funksioneve dhe është i barabartë me derivatin e tij të dytë, që është:

Integrale standarde[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Integralet e mëposhtme mund të vërtetohen duke përdorur zëvendësimin hiperbolik :
ku C është konstantja e integrimit .

Seritë e Tejlorit[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Është e mundur të shprehet në mënyrë eksplicite seria Taylor në zero (ose seria Laurent, nëse funksioni nuk është i përcaktuar në zero) e funksioneve të mësipërme.

Kjo seri është konvergjente për çdo vlerë komplekse . Meqenëse funksioni është tek, vetëm eksponentët tek për hasen në serinë e tij Tejlor.
Kjo seri është konvergjente për çdo vlerë komplekse . Meqenëse funksioni është çift, vetëm eksponentët çift për gjenden në serinë e tij Tejlor.

Seritë e mëposhtme pasohen nga një përshkrim i një nëngrupi të domenit të tyre të konvergjencës, ku seria është konvergjente dhe shuma e saj është e barabartë me funksionin.

ku:

  • është numri n i Bernulit
  • është numri n i Euler-it

Prodhimet e pafundme dhe thyesat e vazhdueshme[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Zgjerimet e mëposhtme janë të vlefshme në të gjithë planin kompleks:

Krahasimi me funksionet rrethore[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Rrethi dhe tangjenta e hiperbolës në (1,1) shfaqin gjeometrinë e funksioneve rrethore në terma të sipërfaqes së sektorit rrethor dhe funksioneve hiperbolike në varësi të zonës së sektorit hiperbolik .

Funksionet hiperbolike paraqesin një zgjerim të trigonometrisë përtej funksioneve rrethore . Të dy llojet varen nga një argument, qoftë kënd rrethor ose kënd hiperbolik .

Meqenëse sipërfaqja e një sektori rrethor me rreze r dhe kënd u (në radianë) është , do të jetë e barabartë me kur . Në diagram, një rreth i tillë është tangjent me hiperbolën . Sektori i verdhë përshkruan një sipërfaqe dhe madhësi këndi. Në mënyrë të ngjashme, sektorët e verdhë dhe të kuq së bashku përshkruajnë një sipërfaqe dhe madhësinë e këndit hiperbolik .

Këmbët e dy trekëndëshave kënddrejtë me hipotenuzë në rrezen që përcakton këndet janë me gjatësi √ 2 herë më shumë se funksionet rrethore dhe hiperbolike.

Këndi hiperbolik është një masë e pandryshueshme në lidhje me hartëzimin e shtrydhjes, ashtu si këndi rrethor është i pandryshueshëm nën rrotullim. [18]

Grafiku i funksionit a cosh( x / a ) është katenarie, kurba e formuar nga një zinxhir fleksibël i njëtrajtshëm, i varur lirshëm midis dy pikave fikse nën gravitetin e njëtrajtshëm.

Funksionet hiperbolike për numrat kompleks[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

Funksionet hiperbolike në rrafshin kompleks

Meqenëse funksioni eksponencial mund të përcaktohet për çdo argument kompleks, ne gjithashtu mund të zgjerojmë përkufizimet e funksioneve hiperbolike në argumente komplekse. Funksionet dhe janë holomorfikë .

Marrëdhëniet me funksionet e zakonshme trigonometrike jepen nga formula e Euler-it për numrat kompleks:

kështu që:
Kështu, funksionet hiperbolike janë periodike në lidhje me përbërësin imagjinar, me periodë ( për tangjentin hiperbolik dhe kotangjentin).

Shiko gjithashtu[Redakto | Redakto nëpërmjet kodit]

  1. ^ a b c d Weisstein, Eric W. "Hyperbolic Functions". mathworld.wolfram.com (në anglisht). Marrë më 2020-08-29. Gabim referencash: Invalid <ref> tag; name ":1" defined multiple times with different content
  2. ^ Collins Concise Dictionary, p. 328
  3. ^ a b "Hyperbolic Functions". www.mathsisfun.com. Marrë më 2020-08-29. {{cite web}}: Mungon ose është bosh parametri |language= (Ndihmë!) Gabim referencash: Invalid <ref> tag; name ":2" defined multiple times with different content
  4. ^ Collins Concise Dictionary, p. 1520
  5. ^ Collins Concise Dictionary, p. 329
  6. ^ tanh
  7. ^ Woodhouse, N. M. J. (2003), Special Relativity, London: Springer, fq. 71, ISBN 978-1-85233-426-0 {{citation}}: Mungon ose është bosh parametri |language= (Ndihmë!)
  8. ^ Abramowitz, Milton; Stegun, Irene A., red. (1972), Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, New York: Dover Publications, ISBN 978-0-486-61272-0 {{citation}}: Mungon ose është bosh parametri |language= (Ndihmë!)
  9. ^ Some examples of using arcsinh found in Google Books.
  10. ^ Robert E. Bradley, Lawrence A. D'Antonio, Charles Edward Sandifer. Euler at 300: an appreciation. Mathematical Association of America, 2007. Page 100.
  11. ^ Georg F. Becker. Hyperbolic functions. Read Books, 1931. Page xlviii.
  12. ^ N.P., Bali (2005). Golden Integral Calculus. Firewall Media. fq. 472. ISBN 81-7008-169-6. {{cite book}}: Mungon ose është bosh parametri |language= (Ndihmë!)
  13. ^ Willi-hans Steeb (2005). Nonlinear Workbook, The: Chaos, Fractals, Cellular Automata, Neural Networks, Genetic Algorithms, Gene Expression Programming, Support Vector Machine, Wavelets, Hidden Markov Models, Fuzzy Logic With C++, Java And Symbolicc++ Programs (bot. 3rd). World Scientific Publishing Company. fq. 281. ISBN 978-981-310-648-2. {{cite book}}: Mungon ose është bosh parametri |language= (Ndihmë!) Extract of page 281 (using lambda=1)
  14. ^ Keith B. Oldham; Jan Myland; Jerome Spanier (2010). An Atlas of Functions: with Equator, the Atlas Function Calculator (bot. 2nd, illustrated). Springer Science & Business Media. fq. 290. ISBN 978-0-387-48807-3. {{cite book}}: Mungon ose është bosh parametri |language= (Ndihmë!) Extract of page 290
  15. ^ Martin, George E. (1986). The foundations of geometry and the non-euclidean plane (bot. 1st corr.). New York: Springer-Verlag. fq. 416. ISBN 3-540-90694-0. {{cite book}}: Mungon ose është bosh parametri |language= (Ndihmë!)
  16. ^ "Prove the identity tanh(x/2) = (cosh(x) - 1)/sinh(x)". StackExchange (mathematics). Marrë më 24 janar 2016. {{cite web}}: Mungon ose është bosh parametri |language= (Ndihmë!)
  17. ^ Audibert, Jean-Yves (2009). "Fast learning rates in statistical inference through aggregation". The Annals of Statistics. fq. 1627. {{cite news}}: Mungon ose është bosh parametri |language= (Ndihmë!)
  18. ^ Mellen W. Haskell, "On the introduction of the notion of hyperbolic functions", Bulletin of the American Mathematical Society 1:6:155–9, full text