双曲函数奇偶性_[快乐数学]双曲函数(二)
一咬牙,一狠心还是决定把双曲函数的性质给讲了。
1.奇偶性
先一个一个慢慢捋,从最基本的几个性质开始。
本期只研究y=sinhx和y=coshx两个函数,如无特殊说明,以下所有内容自变量的定义域均为全体实数。
研究函数要先从定义域开始研究。
f(x)=sinhx定义域为R,值域也为R
f(x)=coshx定义域为R,值域也为R
下面研究函数的奇偶性
双曲正弦是奇函数。
正弦函数也是奇函数。这是双曲正弦的图像
因为sinhx=-sinh(-x)且定义域关于原点对称。这是双曲余弦的图像,不是抛物线!
因为coshx=cosh(-x),且定义域关于原点对称
所以双曲余弦是偶函数。
余弦函数也是偶函数。
2.单调性
这个看图像也能感觉出来,不过咱还是严密的证明一下。
双曲正弦的导函数是
恒为正数,故双曲正弦在x∈R上单调递增。
双曲余弦的导函数为
在x∈[0,+∞)时导函数大于等于0,为增函数。
由奇偶性即可得到
双曲余弦函数在(-∞,0]上为减函数。
3.连续性
其实这个应该放到前面的。我也是想到一个性质就写一个性质的,所以顺序有点不对。
双曲正弦和双曲余弦都是初等函数,咱们前面证明过初等函数在其定义域内是连续函数。
我们刚刚已经求过双曲正弦函数和双曲余弦函数的导函数了,根据可导必然连续也能得到这个结果。
正弦函数和余弦函数在其定义域内也是连续函数。
这四个函数在其定义域内都是可导、可微、连续的。(不是所有函数都这样的,比如狄利克雷函数D(x))
4.周期性
不难看出,双曲正弦和双曲函数在实数域内没有周期性。
5.简单的双曲恒等变换????
这标题是我自己起的啊,我以前也没听过什么双曲恒等变换。
和三角函数类似,咱们推一个和角或者差角公式做母公式就可以了。
在三角函数中先得到的是cos(x-y)嘛
那我们也先推导这个好了。
注意
cos(x-y)=cosxcosy+sinxsiny
与上面的公式仅仅一符号之差。
基于以上公式我们还能得到更多
你会发现三角函数和双曲函数相似度非常高,下面我们将从代数的角度探寻它们间的关系。
6.与三角函数的关系
之前咱们总是用双曲函数接近三角函数,这次咱们换个思路用三角函数接近双曲函数。
得用点复数的知识
咱们上欧拉公式
(从这里开始三角函数和双曲函数将和复数建立联系,下一期咱们还要介绍一类新的数——双曲复数,敬请期待)
然后解个方程组就能得到
不难发现
既然咱们已经上升到复数了,那么我再补充一下双曲函数的周期性问题
双曲正弦和双曲余弦的周期是2πi。
复数情况下双曲正弦、双曲余弦、正弦函数、余弦函数的图像如下
(图中的颜色是另一个“坐标轴”)
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,因为
对于复变函数来说,乘i就相当于逆时针旋转90°,这两个式子说明两个函数仅通过旋转就能重合。
这里提到了复变函数这个词,这也是咱们第一次讨论复变函数的问题。
复变函数的水真的真的超级深也真的真的超级超级超级有趣。
7.欧拉公式
刚刚提到了欧拉公式这个东西,下面来点说明。
这里要用到高等数学中的麦克劳林展开和泰勒展开,我直接说结论,等咱的高数篇推到的时候你就懂啦。
以ix替代x代入e的x次方得到
这就是大名鼎鼎的欧拉公式了。
等等???谁告诉你e的ix这种运算是合法的?你定义了吗?
在我们没有定义复变指数函数之前,把ix放入e的指数位置上是不合法的!
虽然欧拉还是那么做了(笑
事实上,在现代数学理论中我们并不认为欧拉公式是证明出来的。
而是把欧拉公式作为复变指数函数的副产品,作为它的定义
然后再得到欧拉公式。
而我们刚刚的“证明”这是为我们这种定义提供了理论依据,因为我们要保证新的定义不能和以前的理论相抵触。而这一切都是来源于大胆假设和严密推理,各位以后也不要害怕做这种“非法”的事情。
这就是个结尾。
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