双曲函数

在数学中，双曲函数是一类与常见的三角函数（也叫圆函数）类似的函数。最基本的双曲函数是雙曲正弦函数$\sinh$和雙曲餘弦函数$\cosh$，从它们可以导出双曲正切函数$\tanh$等，其推导也类似于三角函数的推导。双曲函数的反函数称为反双曲函数。

射線出原點交單位雙曲線$x^{2}-y^{2}=1$於點$(\cosh a,\sinh a)$，這裡的$a$是射線、雙曲線和x軸圍成的面積的二倍。對於雙曲線上位於x軸下方的點，這個面積被認為是負值

雙曲函數示意圖

幾個雙曲函數的圖形。

双曲函数的定义域是实数，其自变量的值叫做双曲角。双曲函数出现于某些重要的线性微分方程的解中，譬如說定义悬链线和拉普拉斯方程。

基本定义

sinh、cosh和tanh

csch、sech和coth

最簡單的幾種雙曲函數為：

• 雙曲正弦：

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

• 雙曲餘弦：

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

• 雙曲正切：

  $\tanh x={\frac {\sinh x}{\cosh x}}={\frac {e^{x}-e^{-x}}{e^{x}+e^{-x}}}={\frac {e^{2x}-1}{e^{2x}+1}}.$

• 雙曲餘切：當$x\neq 0$

  $\coth x={\frac {\cosh x}{\sinh x}}={\frac {e^{x}+e^{-x}}{e^{x}-e^{-x}}}={\frac {e^{2x}+1}{e^{2x}-1}}.$

• 雙曲正割：

  $\operatorname {sech} x={\frac {1}{\cosh x}}={\frac {2}{e^{x}+e^{-x}}}={\frac {2e^{x}}{e^{2x}+1}}.$

• 雙曲餘割：當$x\neq 0$

  $\operatorname {csch} x={\frac {1}{\sinh x}}={\frac {2}{e^{x}-e^{-x}}}={\frac {2e^{x}}{e^{2x}-1}}.$

函数$\cosh x$是关于y轴对称的偶函数。函数$\sinh x$是奇函数。

如同当$t$遍历实数集$\mathbb {R}$时，点（$\cos t$, $\sin t$）的轨迹是一个圆$x^{2}+y^{2}=1$一样，当$t$遍历实数集$\mathbb {R}$时，点（$\cosh t$, $\sinh t$）的轨迹是單位雙曲線$x^{2}-y^{2}=1$的右半边。这是因为有以下的恒等式：

$\cosh ^{2}t-\sinh ^{2}t=1$

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（$\cosh t$, $\sinh t$）的直线之间的面积的两倍。

歷史

在直角雙曲線（方程$y={1 \over x}$）下，雙曲線三角形（黃色），和對應於雙曲角u的雙曲線扇形（紅色）。這個三角形的邊分別是雙曲函數中$\cosh$和$\sinh$的${\sqrt {2}}$倍。

在18世紀，約翰·海因里希·蘭伯特引入雙曲函數，並計算了雙曲幾何中雙曲三角形的面積。自然對數函數是在直角雙曲線$xy=1$下定義的，可構造雙曲線直角三角形，底邊在線$y=x$上，一個頂點是原點，另一個頂點在雙曲線。這裡以自然對數即雙曲角作為參數的函數，是自然對數的逆函數指數函數，即要形成指定雙曲角$u$，在漸近線即x或y軸上需要有的$x$或$y$的值。顯見這裡的底邊是$\left(e^{u}+e^{-u}\right){\frac {\sqrt {2}}{2}}$，垂線是$\left(e^{u}-e^{-u}\right){\frac {\sqrt {2}}{2}}$。

通過旋轉和縮小線性變換，得到單位雙曲線下的情況，有：

• $\cosh u={\frac {e^{u}+e^{-u}}{2}}$
• $\sinh u={\frac {e^{u}-e^{-u}}{2}}$

單位雙曲線中雙曲線扇形的面積是對應直角雙曲線$xy=1$下雙曲角的${1 \over 2}$。

虛數圓角定義

雙曲角經常定義得如同虛數圓角。實際上，如果$x$是實數而$i^{2}=-1$，則

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

所以雙曲函數$\cosh$和$\sinh$可以通過圓函數來定義。這些恆等式不是從圓或旋轉得來的，它們應當以無窮級數的方式來理解。特別是，可以將指數函數表達為由偶次項和奇次項組成，前者形成$\cosh$函數，後者形成了$\sinh$函數。$\cos$函數的無窮級數可從$\cosh$得出，通過把它變為交錯級數，而$\sin$函數可來自將$\sinh$變為交錯級數。上面的恆等式使用虛數$i$，從三角函數的級數的項中去掉交錯因子$(-1)^{n}$，來恢復為指數函數的那兩部份級數。

$e^{x}=\cosh x+\sinh x\!$

${\begin{array}{lcl}\cosh x=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {x^{2n}}{(2n)!}}&\sinh x=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {x^{2n+1}}{(2n+1)!}}\\\cos x=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}x^{2n}}{(2n)!}}&\sin x=\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {(-1)^{n}x^{2n+1}}{(2n+1)!}}\\\end{array}}$

雙曲函數可以通過虛數圓角定義為：

• 雙曲正弦：

  $\sinh x=-i\sin(ix)\!$

• 雙曲餘弦：

  $\cosh x=\cos(ix)\!$

• 雙曲正切：

  $\tanh x=-i\tan(ix)\!$

• 雙曲餘切：

  $\coth x=i\cot(ix)\!$

• 雙曲正割：

  $\operatorname {sech} x=\sec(ix)\!$

• 雙曲餘割：

  $\operatorname {csch} x=i\csc(ix)\!$

這些複數形式的定義得出自歐拉公式。

與三角函數的類比

奧古斯都·德·摩根在其1849年出版的教科書《Trigonometry and Double Algebra》中將圓三角學擴展到了雙曲線。威廉·金頓·克利福德在1878年使用雙曲角來參數化單位雙曲線。

給定相同的角α，在雙曲線上計算雙曲角的量值（雙曲扇形面積除以半徑）得到雙曲函數，角$\alpha$得到三角函數。在單位圓和單位雙曲線上，双曲函数与三角函数有如下的关係:

• 正弦同樣是從x軸到曲線的半弦。
• 餘弦同樣是從y軸到曲線的半弦（圖中的餘弦是長方形的另一條邊）。
• 正切同樣是過x軸上單位點（1,0）在曲線上的切線到終邊的長度。
• 餘切同樣是從y軸與過終邊和曲線交點的切線與y軸的交點和曲線連線之長度。
• 正割同樣是在一個有正切和單位長的直角三角形上，但邊不一樣。
• 餘割同樣是y軸與過終邊和曲線交點的切線與y軸的交點和原點之距離。
• 角的量值可以從0到無限大，但$\alpha$實際上只會介於$0$到$2\pi$（360度）之間，其餘是$\alpha$的同界角，再繞著圓旋轉，故三角函數可以有周期。雙曲角的量值可以從$0$到無限大，但$\alpha$實際上不會超過${\frac {\pi }{4}}$（45度），故無法如三角函數一樣有周期性。

恆等式

主条目：雙曲函數恆等式

与双曲函数有关的恆等式如下:

$\cosh ^{2}x-\sinh ^{2}x=1$

• 加法公式：

$\sinh(x+y)=\sinh x\cosh y+\cosh x\sinh y$

$\cosh(x+y)=\cosh x\cosh y+\sinh x\sinh y$

$\tanh(x+y)={\frac {\tanh x+\tanh y}{1+\tanh x\tanh y}}$

• 二倍角公式：

$\sinh 2x\ =2\sinh x\cosh x$

$\cosh 2x\ =\cosh ^{2}x+\sinh ^{2}x=2\cosh ^{2}x-1=2\sinh ^{2}x+1$

• 半角公式：

$\cosh ^{2}{\frac {x}{2}}={\frac {\cosh x+1}{2}}$

$\sinh ^{2}{\frac {x}{2}}={\frac {\cosh x-1}{2}}$

由于雙曲函數和三角函数之间的对应关系，雙曲函數的恆等式和三角函數的恒等式之间也是一一对应的。对于一个已知的三角函数公式，只需要將其中的三角函數轉成相應的雙曲函數，并将含有有兩個$\sinh$的積的项（包括$\coth ^{2}x,\tanh ^{2}x,\operatorname {csch} ^{2}x,\sinh x\sinh y$）轉換正負號，就可得到相應的雙曲函數恆等式。如

• 三倍角公式：

三角函数的三倍角公式为：

$\sin 3x\ =3\sin x-4\sin ^{3}x$

$\cos 3x\ =-3\cos x+4\cos ^{3}x$

而对应的双曲函数三倍角公式则是：

$\sinh 3x\ =3\sinh x+4\sinh ^{3}x$

$\cosh 3x\ =-3\cosh x+4\cosh ^{3}x$

• 差角公式：

三角函数的差角公式为：$\cos(x-y)\ =\cos x\cos y+\sin x\sin y$

而对应的双曲函数的差角公式则是：$\cosh(x-y)\ =\cosh x\cosh y-\sinh x\sinh y$

双曲函数的導數

${\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} x}}\sinh x=\cosh x\,$

${\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} x}}\cosh x=\sinh x\,$

${\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} x}}\tanh x=1-\tanh ^{2}x={\hbox{sech}}^{2}x={\frac {1}{\cosh ^{2}x}}\,$

双曲函数的泰勒展開式

雙曲函數也可以以泰勒級數展開:

$\sinh x=x+{\frac {x^{3}}{3!}}+{\frac {x^{5}}{5!}}+{\frac {x^{7}}{7!}}+\cdots =\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {x^{2n+1}}{(2n+1)!}}$

$\cosh x=1+{\frac {x^{2}}{2!}}+{\frac {x^{4}}{4!}}+{\frac {x^{6}}{6!}}+\cdots =\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {x^{2n}}{(2n)!}}$

$\tanh x=x-{\frac {x^{3}}{3}}+{\frac {2x^{5}}{15}}-{\frac {17x^{7}}{315}}+\cdots =\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {2^{2n}(2^{2n}-1)B_{2n}x^{2n-1}}{(2n)!}},\left|x\right|<{\frac {\pi }{2}}$

$\coth x={\frac {1}{x}}+{\frac {x}{3}}-{\frac {x^{3}}{45}}+{\frac {2x^{5}}{945}}+\cdots ={\frac {1}{x}}+\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {2^{2n}B_{2n}x^{2n-1}}{(2n)!}},0<\left|x\right|<\pi$（罗朗级数）

$\operatorname {sech} \,x=1-{\frac {x^{2}}{2}}+{\frac {5x^{4}}{24}}-{\frac {61x^{6}}{720}}+\cdots =\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {E_{2n}x^{2n}}{(2n)!}},\left|x\right|<{\frac {\pi }{2}}$

$\operatorname {csch} \,x={\frac {1}{x}}-{\frac {x}{6}}+{\frac {7x^{3}}{360}}-{\frac {31x^{5}}{15120}}+\cdots ={\frac {1}{x}}+\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {2(1-2^{2n-1})B_{2n}x^{2n-1}}{(2n)!}},0<\left|x\right|<\pi$（罗朗级数）

其中

$B_{n}$是第$n$項伯努利數

$E_{n}$是第$n$項欧拉數

双曲函数的积分

$\int \sinh cx\,\mathrm {d} x={\frac {1}{c}}\cosh cx+C$

$\int \cosh cx\,\mathrm {d} x={\frac {1}{c}}\sinh cx+C$

$\int \tanh cx\,\mathrm {d} x={\frac {1}{c}}\ln(\cosh cx)+C$

$\int \coth cx\,\mathrm {d} x={\frac {1}{c}}\ln \left|\sinh cx\right|+C$

$\int \operatorname {sech} cx\,\mathrm {d} x={\frac {1}{c}}\arctan(\sinh cx)+C$

$\int \operatorname {csch} cx\,\mathrm {d} x={\frac {1}{c}}\ln \left|\tanh {\frac {cx}{2}}\right|+C$

與指數函數的關係

從雙曲正弦和餘弦的定義，可以得出如下恆等式:

$e^{x}=\cosh x+\sinh x$

和

$e^{-x}=\cosh x-\sinh x$

複數的雙曲函數

因為指數函數可以定義為任何複數參數，也可以擴展雙曲函數的定義為複數參數。函數$\sinh z$和$\cosh z$是全純函數。

指數函數與三角函數的關係由歐拉公式給出：

${\begin{aligned}e^{ix}&=\cos x+i\;\sin x\\e^{-ix}&=\cos x-i\;\sin x\end{aligned}}$

所以:

${\begin{aligned}\cosh ix&={\frac {1}{2}}\left(e^{ix}+e^{-ix}\right)=\cos x\\\sinh ix&={\frac {1}{2}}\left(e^{ix}-e^{-ix}\right)=i\sin x\\\tanh ix&=i\tan x\\\end{aligned}}$

${\begin{aligned}\cosh(x+iy)&=\cosh(x)\cos(y)+i\sinh(x)\sin(y)\\\sinh(x+iy)&=\sinh(x)\cos(y)+i\cosh(x)\sin(y)\\\end{aligned}}$

${\begin{aligned}\cosh x&=\cos ix\\\sinh x&=-i\sin ix\\\tanh x&=-i\tan ix\end{aligned}}$

因此，雙曲函數是關於虛部有週期的，週期為$2\pi i$（對雙曲正切和餘切是$\pi i$）。

反双曲函数

主条目：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：

${\begin{aligned}\operatorname {arsinh} (x)&=\ln \left(x+{\sqrt {x^{2}+1}}\right)\\\operatorname {arcosh} (x)&=\ln \left(x+{\sqrt {x^{2}-1}}\right);x\geq 1\\\operatorname {artanh} (x)&={\frac {1}{2}}\ln \left({\frac {1+x}{1-x}}\right);\left|x\right|<1\\\operatorname {arcoth} (x)&={\frac {1}{2}}\ln \left({\frac {x+1}{x-1}}\right);\left|x\right|>1\\\operatorname {arsech} (x)&=\ln \left({\frac {1}{x}}+{\frac {\sqrt {1-x^{2}}}{x}}\right);0<x\leq 1\\\operatorname {arcsch} (x)&=\ln \left({\frac {1}{x}}+{\frac {\sqrt {1+x^{2}}}{\left|x\right|}}\right);x\neq 0\end{aligned}}$

参见

• 反双曲函数
• 双曲函数符号
• 三角函数
• 古德曼函数