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双曲正弦函数${\displaystyle \sinh }$和双曲余弦函数${\displaystyle \cosh }$，从它们可以导出双曲正切函数${\displaystyle \tanh }$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。

射线出原点交单位双曲线${\displaystyle x^{2}-y^{2}=1}$于点${\displaystyle (\cosh a,\sinh a)}$，这里的${\displaystyle a}$是射线、双曲线和x轴围成的面积的二倍。对于双曲线上位于x轴下方的点，这个面积被认为是负值

双曲函数示意图

几个双曲函数的图形。

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，譬如说定义悬链线和拉普拉斯方程。

基本定义

sinh、cosh和tanh

csch、sech和coth

最简单的几种双曲函数为^[1]：

• 双曲正弦：

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

• 双曲余弦：

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

• 双曲正切：

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

• 双曲余切：当${\displaystyle x\neq 0}$

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

• 双曲正割：

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

• 双曲余割：当${\displaystyle x\neq 0}$

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

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

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

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

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（${\displaystyle \cosh t}$, ${\displaystyle \sinh t}$）的直线之间的面积的两倍。

历史

在直角双曲线（方程${\displaystyle y={1 \over x}}$）下，双曲线三角形（黄色），和对应于双曲角u的双曲线扇形（红色）。这个三角形的边分别是双曲函数中${\displaystyle \cosh }$和${\displaystyle \sinh }$的${\displaystyle {\sqrt {2}}}$倍。

在18世纪，约翰·海因里希·兰伯特引入双曲函数^[2]，并计算了双曲几何中双曲三角形的面积^[3]。自然对数函数是在直角双曲线${\displaystyle xy=1}$下定义的，可构造双曲线直角三角形，底边在线${\displaystyle y=x}$上，一个顶点是原点，另一个顶点在双曲线。这里以自然对数即双曲角作为参数的函数，是自然对数的逆函数指数函数，即要形成指定双曲角${\displaystyle u}$，在渐近线即x或y轴上需要有的${\displaystyle x}$或${\displaystyle y}$的值。显见这里的底边是${\displaystyle \left(e^{u}+e^{-u}\right){\frac {\sqrt {2}}{2}}}$，垂线是${\displaystyle \left(e^{u}-e^{-u}\right){\frac {\sqrt {2}}{2}}}$。

通过旋转和缩小线性变换，得到单位双曲线下的情况，有：

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

单位双曲线中双曲线扇形的面积是对应直角双曲线${\displaystyle xy=1}$下双曲角的${\displaystyle {1 \over 2}}$。

虚数圆角定义

双曲角经常定义得如同虚数圆角。实际上，如果${\displaystyle x}$是实数而${\displaystyle i^{2}=-1}$，则

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

所以双曲函数${\displaystyle \cosh }$和${\displaystyle \sinh }$可以通过圆函数来定义。这些恒等式不是从圆或旋转得来的，它们应当以无穷级数的方式来理解。特别是，可以将指数函数表达为由偶次项和奇次项组成，前者形成${\displaystyle \cosh }$函数，后者形成了${\displaystyle \sinh }$函数。${\displaystyle \cos }$函数的无穷级数可从${\displaystyle \cosh }$得出，通过把它变为交错级数，而${\displaystyle \sin }$函数可来自将${\displaystyle \sinh }$变为交错级数。上面的恒等式使用虚数${\displaystyle i}$，从三角函数的级数的项中去掉交错因子${\displaystyle (-1)^{n}}$，来恢复为指数函数的那两部分级数。

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

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

双曲函数可以通过虚数圆角定义为：

• 双曲正弦：^[1]

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

• 双曲余弦：^[1]

  ${\displaystyle \cosh x=\cos(ix)\!}$

• 双曲正切：

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

• 双曲余切：

  ${\displaystyle \coth x=i\cot(ix)\!}$

• 双曲正割：

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

• 双曲余割：

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

这些复数形式的定义得出自欧拉公式。

与三角函数的类比

奥古斯都·德·摩根在其1849年出版的教科书《Trigonometry and Double Algebra》中将圆三角学扩展到了双曲线^[4]。威廉·金顿·克利福德在1878年使用双曲角来参数化单位双曲线。

给定相同的角α，在双曲线上计算双曲角的量值（双曲扇形面积除以半径）得到双曲函数，角${\displaystyle \alpha }$得到三角函数。在单位圆和单位双曲线上，双曲函数与三角函数有如下的关系:

• 正弦同样是从x轴到曲线的半弦。
• 余弦同样是从y轴到曲线的半弦（图中的余弦是长方形的另一条边）。
• 正切同样是过x轴上单位点（1,0）在曲线上的切线到终边的长度。
• 余切同样是从y轴与过终边和曲线交点的切线与y轴的交点和曲线连线之长度。
• 正割同样是在一个有正切和单位长的直角三角形上，但边不一样。
• 余割同样是y轴与过终边和曲线交点的切线与y轴的交点和原点之距离。
• 角的量值可以从0到无限大，但${\displaystyle \alpha }$实际上只会介于${\displaystyle 0}$到${\displaystyle 2\pi }$（360度）之间，其余是${\displaystyle \alpha }$的同界角，再绕着圆旋转，故三角函数可以有周期。双曲角的量值可以从${\displaystyle 0}$到无限大，但${\displaystyle \alpha }$实际上不会超过${\displaystyle {\frac {\pi }{4}}}$（45度），故无法如三角函数一样有周期性。

恒等式

主条目：双曲函数恒等式

与双曲函数有关的恒等式如下:

${\displaystyle {\begin{aligned}\cosh ^{2}x-\sinh ^{2}x=1\\1-\tanh ^{2}x=\operatorname {sech} ^{2}x\\\operatorname {coth} ^{2}x-1=\operatorname {csch} ^{2}x\\\end{aligned}}}$

• 加法公式：

${\displaystyle \sinh(x+y)=\sinh x\cosh y+\cosh x\sinh y}$

${\displaystyle \cosh(x+y)=\cosh x\cosh y+\sinh x\sinh y}$

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

• 二倍角公式：

${\displaystyle \sinh 2x\ =2\sinh x\cosh x}$

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

${\displaystyle \tanh 2x={\frac {2\tanh x}{1+\tanh ^{2}x}}}$

• 和差化积：

${\displaystyle {\begin{aligned}\sinh x+\sinh y&=2\sinh \left({\frac {x+y}{2}}\right)\cosh \left({\frac {x-y}{2}}\right)\\\cosh x+\cosh y&=2\cosh \left({\frac {x+y}{2}}\right)\cosh \left({\frac {x-y}{2}}\right)\\\end{aligned}}}$

• 半角公式：

${\displaystyle \sinh {\frac {x}{2}}={\frac {\sinh x}{\sqrt {2(\cosh x+1)}}}=\operatorname {sgn} x\,{\sqrt {\frac {\cosh x-1}{2}}}}$

${\displaystyle \cosh {\frac {x}{2}}={\sqrt {\frac {\cosh x+1}{2}}}}$

${\displaystyle \tanh {\frac {x}{2}}={\frac {\sinh x}{\cosh x+1}}=\operatorname {sgn} x\,{\sqrt {\frac {\cosh x-1}{\cosh x+1}}}={\frac {e^{x}-1}{e^{x}+1}}}$

其中 sgn 为符号函数。

若 x ≠ 0，则：

${\displaystyle \tanh {\frac {x}{2}}={\frac {\cosh x-1}{\sinh x}}=\coth x-\operatorname {csch} x}$

由于双曲函数和三角函数之间的对应关系，双曲函数的恒等式和三角函数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，只需要将其中的三角函数转成相应的双曲函数，并将含有有两个${\displaystyle \sinh }$的积的项（包括${\displaystyle \coth ^{2}x,\tanh ^{2}x,\operatorname {csch} ^{2}x,\sinh x\sinh y}$）转换正负号，就可得到相应的双曲函数恒等式^[5]。如

• 三倍角公式：

三角函数的三倍角公式为：

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

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

而对应的双曲函数三倍角公式则是：

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

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

• 差角公式：

${\displaystyle {\begin{aligned}\sinh(x-y)&=\sinh x\cosh y-\cosh x\sinh y\\\cosh(x-y)&=\cosh x\cosh y-\sinh x\sinh y\\\tanh(x-y)&={\frac {\tanh x-\tanh y}{1-\tanh x\tanh y}}\\\end{aligned}}}$

双曲函数的导数

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {d}{dx}}\sinh x&=\cosh x\\{\frac {d}{dx}}\cosh x&=\sinh x\\{\frac {d}{dx}}\tanh x&=1-\tanh ^{2}x=\operatorname {sech} ^{2}x={\frac {1}{\cosh ^{2}x}}\\{\frac {d}{dx}}\coth x&=1-\coth ^{2}x=-\operatorname {csch} ^{2}x=-{\frac {1}{\sinh ^{2}x}}&&x\neq 0\\{\frac {d}{dx}}\operatorname {sech} x&=-\tanh x\operatorname {sech} x\\{\frac {d}{dx}}\operatorname {csch} x&=-\coth x\operatorname {csch} x&&x\neq 0\end{aligned}}}$

双曲函数的泰勒展开式

双曲函数也可以以泰勒级数展开:

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

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

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

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

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

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

其中

${\displaystyle B_{n}}$是第${\displaystyle n}$项伯努利数

${\displaystyle E_{n}}$是第${\displaystyle n}$项欧拉数

无限积与连续分数形式

下列的扩展在整个复数平面上成立：

${\displaystyle \sinh x=x\prod _{n=1}^{\infty }\left(1+{\frac {x^{2}}{n^{2}\pi ^{2}}}\right)={\cfrac {x}{1-{\cfrac {x^{2}}{2\cdot 3+x^{2}-{\cfrac {2\cdot 3x^{2}}{4\cdot 5+x^{2}-{\cfrac {4\cdot 5x^{2}}{6\cdot 7+x^{2}-\ddots }}}}}}}}}$

${\displaystyle \cosh x=\prod _{n=1}^{\infty }\left(1+{\frac {x^{2}}{(n-1/2)^{2}\pi ^{2}}}\right)={\cfrac {1}{1-{\cfrac {x^{2}}{1\cdot 2+x^{2}-{\cfrac {1\cdot 2x^{2}}{3\cdot 4+x^{2}-{\cfrac {3\cdot 4x^{2}}{5\cdot 6+x^{2}-\ddots }}}}}}}}}$

${\displaystyle \tanh x={\cfrac {1}{{\cfrac {1}{x}}+{\cfrac {1}{{\cfrac {3}{x}}+{\cfrac {1}{{\cfrac {5}{x}}+{\cfrac {1}{{\cfrac {7}{x}}+\ddots }}}}}}}}}$

双曲函数的积分

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

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

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

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

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

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

与指数函数的关系

从双曲正弦和余弦的定义，可以得出如下恒等式:

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

和

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

复数的双曲函数

因为指数函数可以定义为任何复数参数，也可以扩展双曲函数的定义为复数参数。函数${\displaystyle \sinh z}$和${\displaystyle \cosh z}$是全纯函数。

指数函数与三角函数的关系由欧拉公式给出：

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

所以:

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

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

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

因此，双曲函数是关于虚部有周期的，周期为${\displaystyle 2\pi i}$（对双曲正切和余切是${\displaystyle \pi i}$）。

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：

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