الدوال الزائدية

في الرياضيات ، تُعدّ الدوال الزائدية نظائر للدوال المثلثية العادية ، ولكنها تُعرَّف باستخدام القطع الزائد بدلاً من الدائرة . فكما تُشكِّل النقطتان (cos t , sin t ) دائرةً نصف قطرها وحدة واحدة ، تُشكِّل النقطتان (cosh t , sinh t ) النصف الأيمن من القطع الزائد الذي نصف قطره وحدة واحدة . وبالمثل، كما أن مشتقات sin( t ) و cos( t ) هي cos( t ) و -sin( t ) ، فإن مشتقات sinh( t ) و cosh( t ) هي cosh( t ) و sinh( t ) .

تُستخدم الدوال الزائدية للتعبير عن زاوية التوازي في الهندسة الزائدية . كما تُستخدم للتعبير عن تحويلات لورنتز كدورانات زائدية في النسبية الخاصة . وتظهر أيضًا في حلول العديد من المعادلات التفاضلية الخطية (مثل معادلة تعريف السلسلةوالمعادلات التكعيبية ، ومعادلة لابلاس في الإحداثيات الديكارتية . وتُعد معادلات لابلاس مهمة في العديد من مجالات الفيزياء ، بما في ذلك النظرية الكهرومغناطيسية ، وانتقال الحرارة ، وديناميكا الموائع .

الدوال الزائدية الأساسية هي: [ 1 ]

  • جيب القطع الزائد " سينه " ( / ˈsɪŋ , ˈsɪntʃ , ˈʃaɪn / ) ، [ 2 ]
  • جيب التمام الزائدي " cosh " ( / ˈ k ɒ ʃ , ˈ k ʃ / ), [ 3 ]

والتي اشتُقت منها: [ 4 ]

  • الظل الزائدي " تانه " ( / ˈtæŋ , ˈtæntʃ , ˈθæn / ) ، [ 5 ]
  • الظل الزائدي " coth " ( / ˈ k ɒ θ , ˈ k θ / ), [ 6 ] [ 7 ]
  • القاطع الزائدي " sech " ( / ˈ s ɛ , ˈ ʃ ɛ k / ) ، [ 8 ]
  • قاطع التمام الزائدي " csch " أو " cosech " ( / ˈkoʊsɛtʃ , ˈkoʊʃɛk / [ 3 ] )

بما يتوافق مع الدوال المثلثية المشتقة.

الدوال الزائدية العكسية هي:

  • الجيب الزائدي العكسي " arsinh " (يرمز له أيضًا بـ " sinh −1 " أو " asinh " أو أحيانًا " arcsinh ") [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]
  • دالة جيب التمام الزائدية العكسية " arcosh " (يشار إليها أيضًا باسم " cosh −1 " أو " acosh " أو أحيانًا " arccosh ").
  • الظل الزائدي العكسي " artanh " (يُشار إليه أيضًا بـ " tanh −1 " أو " atanh " أو أحيانًا " arctanh ")
  • دالة الظل الزائدي العكسي " arcoth " (يشار إليها أيضًا باسم " coth −1 " أو " acoth " أو أحيانًا " arccoth ")
  • القاطع الزائدي العكسي " arsech " (يُشار إليه أيضًا بـ " sech −1 " أو " asech " أو أحيانًا " arcsech ")
  • دالة القاطع الزائدي العكسي " arcsch " (يشار إليها أيضًا باسم " arcosech " أو " csch −1 " أو " cosech −1 " أو " acsch " أو " acosech " أو أحيانًا " arccsch " أو " arccosech ").
شعاع يمر عبر القطع الزائد ذي الوحدة x² - = 1 عند النقطة ( cosh a , sinh a ) ، حيث a تساوي ضعف المساحة المحصورة بين الشعاع والقطع الزائد ومحور السينات . بالنسبة للنقاط الواقعة على القطع الزائد أسفل محور السينات ، تُعتبر المساحة سالبة (انظر النسخة المتحركة للمقارنة مع الدوال المثلثية (الدائرية)).

تأخذ الدوال الزائدية وسيطًا يُسمى الزاوية الزائدية . مقدار الزاوية الزائدية هو مساحة قطاعها الزائدي حتى النقطة xy = 1. يمكن تعريف الدوال الزائدية بدلالة ضلعي المثلث القائم الزاوية اللذين يغطيان هذا القطاع.

في التحليل المركب ، تنشأ الدوال الزائدية عند تطبيق دالتي الجيب وجيب التمام العاديتين على زاوية تخيلية. الجيب الزائدي وجيب التمام الزائدي دالتان تامتان . ونتيجة لذلك، فإن الدوال الزائدية الأخرى ميرومورفية في المستوى المركب بأكمله.

بحسب نظرية ليندمان-فايرشتراس ، فإن للدوال الزائدية قيمة متسامية لكل قيمة جبرية غير صفرية للمتغير. [ 12 ]

تاريخ

يُنسب أول حساب معروف لمسألة حساب المثلثات الزائدية إلى جيراردوس ميركاتور عند إصداره إسقاط ميركاتور للخريطة حوالي عام 1566. ويتطلب ذلك جدولة حلول معادلة متسامية تتضمن دوال زائدية. [ 13 ]

كان إسحاق نيوتن أول من اقترح وجود تشابه بين قطاع الدائرة وقطاع القطع الزائد في كتابه "برينسيبيا ماثيماتيكا" عام 1687. [ 14 ]

اقترح روجر كوتس تعديل الدوال المثلثية باستخدام الوحدة التخيليةأنا=-1{\displaystyle i={\sqrt {-1}}}للحصول على شكل كروي مفلطح من شكل كروي مستطيل. [ 14 ]

تم تقديم الدوال الزائدية رسميًا عام 1757 على يد فينتشنزو ريكاتي . [ 14 ] [ 13 ] [ 15 ] استخدم ريكاتي اختصارَي Sc. و Cc. ( الجيب/جيب التمام الدائري ) للإشارة إلى الدوال الدائرية، و Sh. و Ch. ( الجيب/جيب التمام الزائدي ) للإشارة إلى الدوال الزائدية. [ 14 ] وفي وقت مبكر من عام 1759، بيّن دافييه دي فونسينكس إمكانية التبادل بين الدوال المثلثية والزائدية باستخدام الوحدة التخيلية، ووسّع صيغة دي موافر لتشمل الدوال الزائدية. [ 15 ] [ 14 ]

خلال ستينيات القرن الثامن عشر، قام يوهان هاينريش لامبرت بتنظيم استخدام الدوال وقدم تعابير أسية في منشورات مختلفة. [ 14 ] [ 15 ] نسب لامبرت الفضل إلى ريكاتي في المصطلحات وأسماء الدوال، لكنه عدّل الاختصارات إلى تلك المستخدمة اليوم. [ 15 ] [ 16 ]

الترميز

التعريفات

المثلثات القائمة الزاوية التي تتناسب أضلاعها مع sinh و cosh

باستخدام الزاوية الزائدية u ، يمكن تعريف الدالتين الزائديتين sinh و cosh باستخدام الدالة الأسية e u . [ 1 ] [ 4 ] في الشكل أ=(هـ-u،هـu)، ب=(هـu، هـ-u)، ياأ+ياب=ياج{\displaystyle A=(e^{-u},e^{u}),\ ​​B=(e^{u},\ e^{-u}),\ ​​OA+OB=OC}.

التعريفات الأسية

sinh x يساوي نصف الفرق بين e x و e x
cosh x هو متوسط ​​e x و e x
  • الجيب الزائدي: الجزء الفردي من الدالة الأسية، أيسينهx=هـx-هـ-x2=هـ2x-12هـx.{\displaystyle \sinh x={\frac {e^{x}-e^{-x}}{2}}={\frac {e^{2x}-1}{2e^{x}}}.}
  • جيب التمام الزائدي: الجزء الزوجي من الدالة الأسية، أيضرب بالعصاx=هـx+هـ-x2=هـ2x+12هـx.{\displaystyle \cosh x={\frac {e^{x}+e^{-x}}{2}}={\frac {e^{2x}+1}{2e^{x}}}.}
sinh و cosh و tanh
csch و sech و coth
  • الظل الزائدي:tanhx=سينهxضرب بالعصاx=هـx-هـ-xهـx+هـ-x=هـ2x-1هـ2x+1.{\displaystyle \tanh x={\frac {\sinh x}{\cosh x}}={\frac {e^{x}-e^{-x}}{e^{x}+e^{-x}}}={\frac {e^{2x}-1}{e^{2x}+1}}.}
  • ظل التمام الزائدي: لـ x ≠ 0 ،ملابسx=ضرب بالعصاxسينهx=هـx+هـ-xهـx-هـ-x=هـ2x+1هـ2x-1.{\displaystyle \coth x={\frac {\cosh x}{\sinh x}}={\frac {e^{x}+e^{-x}}{e^{x}-e^{-x}}}={\frac {e^{2x}+1}{e^{2x}-1}}.}
  • القاطع الزائدي:سيشx=1ضرب بالعصاx=2هـx+هـ-x=2هـxهـ2x+1.{\displaystyle \operatorname {sech} x={\frac {1}{\cosh x}}={\frac {2}{e^{x}+e^{-x}}}={\frac {2e^{x}}{e^{2x}+1}}.}
  • قاطع التمام الزائدي: لـ x ≠ 0 ،سي إس سي إتشx=1سينهx=2هـx-هـ-x=2هـxهـ2x-1.{\displaystyle \operatorname {csch} x={\frac {1}{\sinh x}}={\frac {2}{e^{x}-e^{-x}}}={\frac {2e^{x}}{e^{2x}-1}}.}

تعريفات المعادلات التفاضلية

يمكن تعريف الدوال الزائدية على أنها حلول للمعادلات التفاضلية : الجيب الزائدي وجيب التمام الزائدي هما حل ( s , c ) للنظام ج(x)=s(x)،s(x)=ج(x)،{\displaystyle {\begin{aligned}c'(x)&=s(x),\\s'(x)&=c(x),\\\end{aligned}}} مع الشروط الأوليةs(0)=0،ج(0)=1.{\displaystyle s(0)=0,c(0)=1.}تُضفي الشروط الابتدائية على الحل طابعًا فريدًا؛ فبدونها، لا يمكن لأي زوج من الدوال أن يكون فريدًا.(أهـx+بهـ-x،أهـx-بهـ-x){\displaystyle (ae^{x}+be^{-x},ae^{x}-be^{-x})}سيكون ذلك حلاً.

sinh( x ) و cosh( x ) هما أيضًا الحل الوحيد للمعادلة f ″( x ) = f ( x ) ، بحيث يكون f (0) = 1 ، f ′(0) = 0 لجيب التمام الزائدي ، و f (0) = 0 ، f ′(0) = 1 للجيب الزائدي.

تعريفات حساب المثلثات المعقدة

يمكن أيضًا استنتاج الدوال الزائدية من الدوال المثلثية ذات الوسائط المركبة :

  • الجيب الزائدي: [ 1 ]سينهx=-أناالخطيئة(أناx).{\displaystyle \sinh x=-i\sin(ix).}
  • جيب التمام الزائدي: [ 1 ]ضرب بالعصاx=كوس(أناx).{\displaystyle \cosh x=\cos(ix).}
  • الظل الزائدي:tanhx=-أنالون برونزي(أناx).{\displaystyle \tanh x=-i\tan(ix).}
  • ظل التمام الزائدي:ملابسx=أناسرير أطفال(أناx).{\displaystyle \coth x=i\cot(ix).}
  • القاطع الزائدي:سيشx=ثانية(أناx).{\displaystyle \operatorname {sech} x=\sec(ix).}
  • قاطع التمام الزائدي:سي إس سي إتشx=أناcsc(أناx).{\displaystyle \operatorname {csch} x=i\csc(ix).}

حيث i هي الوحدة التخيلية مع i 2 = −1 .

ترتبط التعريفات المذكورة أعلاه بالتعريفات الأسية عبر صيغة أويلر (انظر §  الدوال الزائدية للأعداد المركبة أدناه).

الخصائص المميزة

جيب التمام الزائدي

يمكن إثبات أن المساحة تحت منحنى جيب التمام الزائدي (على فترة محدودة) تساوي دائمًا طول القوس المقابل لتلك الفترة: [ 17 ]منطقة=أبضرب بالعصاxدx=أب1+(ددxضرب بالعصاx)2دx=طول القوس.{\displaystyle {\text{area}}=\int _{a}^{b}\cosh x\,dx=\int _{a}^{b}{\sqrt {1+\left({\frac {d}{dx}}\cosh x\right)^{2}}}\,dx={\text{arc length.}}}

الظل الزائدي

الظل الزائدي هو الحل (الوحيد) للمعادلة التفاضلية f ′ = 1 − f 2 ، حيث f (0) = 0 . [ 18 ] [ 19 ]

علاقات مفيدة

تُحقق الدوال الزائدية العديد من المتطابقات، وكلها متشابهة في شكلها مع المتطابقات المثلثية . في الواقع، تنص قاعدة أوزبورن [ 20 ] (نسبةً إلى جورج أوزبورن ) على أنه يمكن تحويل أي متطابقة مثلثية (حتى دالة الجيب الزائدي أو الجيب الزائدي الضمني من الدرجة الرابعة، ولكن ليس بما في ذلك) إلىθ{\displaystyle \theta }،2θ{\displaystyle 2\theta }،3θ{\displaystyle 3\theta }أوθ{\displaystyle \theta }وφ{\displaystyle \varphi }إلى هوية زائدية، بواسطة:

  1. بتوسيعها بالكامل من حيث القوى التكاملية للجيب وجيب التمام،
  2. تغيير دالة الجيب إلى دالة الجيب الزائدي ودالة جيب التمام إلى دالة جيب التمام الزائدي، و
  3. تغيير إشارة كل حد يحتوي على حاصل ضرب اثنين من الجيب الزائدي.

الدوال الفردية والزوجية : سينه(-x)=-سينهxضرب بالعصا(-x)=ضرب بالعصاxtanh(-x)=-tanhxملابس(-x)=-ملابسxسيش(-x)=سيشxسي إس سي إتش(-x)=-سي إس سي إتشx{\displaystyle {\begin{aligned}\sinh(-x)&=-\sinh x\\\cosh(-x)&=\cosh x\\\tanh(-x)&=-\tanh x\\\coth(-x)&=-\coth x\\\operatorname {sech} (-x)&=\operatorname {sech} x\\\operatorname {csch} (-x)&=-\operatorname {csch} x\end{aligned}}}

المعكوسات:

أرسيشx=أركوش(1x)قوسx=أرسينه(1x)أركوثx=أرتان(1x){\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {arsech} x&=\operatorname {arcosh} \left({\frac {1}{x}}\right)\\\operatorname {arcsch} x&=\operatorname {arsinh} \left({\frac {1}{x}}\right)\\\operatorname {arcoth} x&=\operatorname {artanh} \left({\frac {1}{x}}\right)\end{aligned}}}

على غرار صيغة أويلر :

ضرب بالعصاx+سينهx=هـxضرب بالعصاx-سينهx=هـ-x{\displaystyle {\begin{aligned}\cosh x+\sinh x&=e^{x}\\\cosh x-\sinh x&=e^{-x}\end{aligned}}}

مماثل لهوية فيثاغورس المثلثية :

ضرب بالعصا2x-سينه2x=11-tanh2x=سيش2xملابس2x-1=سي إس سي إتش2x{\displaystyle {\begin{aligned}\cosh ^{2}x-\sinh ^{2}x&=1\\1-\tanh ^{2}x&=\operatorname {sech} ^{2}x\\\coth ^{2}x-1&=\operatorname {csch} ^{2}x\end{aligned}}}

مجموع واختلاف الحجج

سينه(x+y)=سينهxضرب بالعصاy+ضرب بالعصاxسينهyضرب بالعصا(x+y)=ضرب بالعصاxضرب بالعصاy+سينهxسينهytanh(x+y)=tanhx+tanhy1+tanhxtanhyسينه(x-y)=سينهxضرب بالعصاy-ضرب بالعصاxسينهyضرب بالعصا(x-y)=ضرب بالعصاxضرب بالعصاy-سينهxسينهytanh(x-y)=tanhx-tanhy1-tanhxtanhy{\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}}\\\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}}} خصوصًا ضرب بالعصا(2x)=سينه2x+ضرب بالعصا2x=2سينه2x+1=2ضرب بالعصا2x-1سينه(2x)=2سينهxضرب بالعصاxtanh(2x)=2tanhx1+tanh2x{\displaystyle {\begin{aligned}\cosh(2x)&=\sinh ^{2}{x}+\cosh ^{2}{x}=2\sinh ^{2}x+1=2\cosh ^{2}x-1\\\sinh(2x)&=2\sinh x\cosh x\\\tanh(2x)&={\frac {2\tanh x}{1+\tanh ^{2}x}}\\\end{aligned}}}

صيغ الجمع والطرح

سينهx+سينهy=2سينه(x+y2)ضرب بالعصا(x-y2)ضرب بالعصاx+ضرب بالعصاy=2ضرب بالعصا(x+y2)ضرب بالعصا(x-y2)سينهx-سينهy=2ضرب بالعصا(x+y2)سينه(x-y2)ضرب بالعصاx-ضرب بالعصاy=2سينه(x+y2)سينه(x-y2){\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)\\\sinh x-\sinh y&=2\cosh \left({\frac {x+y}{2}}\right)\sinh \left({\frac {x-y}{2}}\right)\\\cosh x-\cosh y&=2\sinh \left({\frac {x+y}{2}}\right)\sinh \left({\frac {x-y}{2}}\right)\\\end{aligned}}}

تركيبات المنتجات

ضرب بالعصاxضرب بالعصاy=12( ضرب بالعصا(x+y)+ضرب بالعصا(x-y))سينهxسينهy=12( ضرب بالعصا(x+y)-ضرب بالعصا(x-y))سينهxضرب بالعصاy=12( سينه(x+y)+سينه(x-y))ضرب بالعصاxسينهy=12( سينه(x+y)-سينه(x-y)){\displaystyle {\begin{aligned}\cosh x\,\cosh y&={\tfrac {1}{2}}{\bigl (}\!\!~\cosh(x+y)+\cosh(x-y){\bigr )}\\[5mu]\sinh x\,\sinh y&={\tfrac {1}{2}}{\bigl (}\!\!~\cosh(x+y)-\cosh(x-y){\bigr )}\\[5mu]\sinh x\,\cosh y&={\tfrac {1}{2}}{\bigl (}\!\!~\sinh(x+y)+\sinh(x-y){\bigr )}\\[5mu]\cosh x\,\sinh y&={\tfrac {1}{2}}{\bigl (}\!\!~\sinh(x+y)-\sinh(x-y){\bigr )}\\[5mu]\end{aligned}}}

صيغ نصف الوسيط

سينه(x2)=سينهx2(ضرب بالعصاx+1)=علامةxضرب بالعصاx-12ضرب بالعصا(x2)=ضرب بالعصاx+12tanh(x2)=سينهxضرب بالعصاx+1=علامةxضرب بالعصاx-1ضرب بالعصاx+1=هـx-1هـx+1{\displaystyle {\begin{aligned}\sinh \left({\frac {x}{2}}\right)&={\frac {\sinh x}{\sqrt {2(\cosh x+1)}}}&&=\operatorname {sgn} x\,{\sqrt {\frac {\cosh x-1}{2}}}\\[6px]\cosh \left({\frac {x}{2}}\right)&={\sqrt {\frac {\cosh x+1}{2}}}\\[6px]\tanh \left({\frac {x}{2}}\right)&={\frac {\sinh x}{\cosh x+1}}&&=\operatorname {sgn} x\,{\sqrt {\frac {\cosh x-1}{\cosh x+1}}}={\frac {e^{x}-1}{e^{x}+1}}\end{aligned}}}

حيث sgn هي دالة الإشارة .

إذا كان x ≠ 0 فإن

tanh(x2)=ضرب بالعصاx-1سينهx=ملابسx-سي إس سي إتشx{\displaystyle \tanh \left({\frac {x}{2}}\right)={\frac {\cosh x-1}{\sinh x}}=\coth x-\operatorname {csch} x}

صيغ نصف وسيط الظل

عندمات=tanh(x2){\displaystyle t=\tanh \left({\frac {x}{2}}\right)}،سينهx=2ت1-ت2،ضرب بالعصاx=1+ت21-ت2،tanhx=2ت1+ت2،ملابسx=1+ت22ت،سيشx=1-ت21+ت2،سي إس سي إتشx=1-ت22ت.{\displaystyle {\begin{aligned}&\sinh x={\frac {2t}{1-t^{2}}},&&\cosh x={\frac {1+t^{2}}{1-t^{2}}},\\[8pt]&\tanh x={\frac {2t}{1+t^{2}}},&&\coth x={\frac {1+t^{2}}{2t}},\\[8pt]&\operatorname {sech} x={\frac {1-t^{2}}{1+t^{2}}},&&\operatorname {csch} x={\frac {1-t^{2}}{2t}}.\end{aligned}}}

الصيغ المربعة

سينه2x=12(ضرب بالعصا2x-1)ضرب بالعصا2x=12(ضرب بالعصا2x+1){\displaystyle {\begin{aligned}\sinh ^{2}x&={\tfrac {1}{2}}(\cosh 2x-1)\\\cosh ^{2}x&={\tfrac {1}{2}}(\cosh 2x+1)\end{aligned}}}

عدم المساواة

المتباينة التالية مفيدة في الإحصاء: [ 21 ]ضرب بالعصا(ت)هـت2/2.{\displaystyle \operatorname {cosh} (t)\leq e^{t^{2}/2}.}

ويمكن إثبات ذلك من خلال مقارنة متسلسلة تايلور للدالتين حدًا بحد.

الدوال العكسية كلوغاريتمات

أرسينه(x)=ln(x+x2+1)أركوش(x)=ln(x+x2-1)x1أرتان(x)=12ln(1+x1-x)|x|<1أركوث(x)=12ln(x+1x-1)|x|>1أرسيش(x)=ln(1x+1x2-1)=ln(1+1-x2x)0<x1قوس(x)=ln(1x+1x2+1)x0{\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)&&|x|<1\\\operatorname {arcoth} (x)&={\frac {1}{2}}\ln \left({\frac {x+1}{x-1}}\right)&&|x|>1\\\operatorname {arsech} (x)&=\ln \left({\frac {1}{x}}+{\sqrt {{\frac {1}{x^{2}}}-1}}\right)=\ln \left({\frac {1+{\sqrt {1-x^{2}}}}{x}}\right)&&0<x\leq 1\\\operatorname {arcsch} (x)&=\ln \left({\frac {1}{x}}+{\sqrt {{\frac {1}{x^{2}}}+1}}\right)&&x\neq 0\end{aligned}}}

المشتقات

ددxسينهx=ضرب بالعصاxددxضرب بالعصاx=سينهxددxtanhx=1-tanh2x=سيش2x=1ضرب بالعصا2xددxملابسx=1-ملابس2x=-سي إس سي إتش2x=-1سينه2xx0ددxسيشx=-tanhxسيشxددxسي إس سي إتشx=-ملابسxسي إس سي إتشxx0{\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}}}ددxأرسينهx=1x2+1ددxأركوشx=1x2-11<xددxأرتانx=11-x2|x|<1ددxأركوثx=11-x21<|x|ددxأرسيشx=-1x1-x20<x<1ددxقوسx=-1|x|1+x2x0{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {d}{dx}}\operatorname {arsinh} x&={\frac {1}{\sqrt {x^{2}+1}}}\\{\frac {d}{dx}}\operatorname {arcosh} x&={\frac {1}{\sqrt {x^{2}-1}}}&&1<x\\{\frac {d}{dx}}\operatorname {artanh} x&={\frac {1}{1-x^{2}}}&&|x|<1\\{\frac {d}{dx}}\operatorname {arcoth} x&={\frac {1}{1-x^{2}}}&&1<|x|\\{\frac {d}{dx}}\operatorname {arsech} x&=-{\frac {1}{x{\sqrt {1-x^{2}}}}}&&0<x<1\\{\frac {d}{dx}}\operatorname {arcsch} x&=-{\frac {1}{|x|{\sqrt {1+x^{2}}}}}&&x\neq 0\end{aligned}}}

المشتقات الثانية

كل من الدالتين sinh و cosh تساوي مشتقتها الثانية ، أي: د2دx2سينهx=سينهx{\displaystyle {\frac {d^{2}}{dx^{2}}}\sinh x=\sinh x}د2دx2ضرب بالعصاx=ضرب بالعصاx.{\displaystyle {\frac {d^{2}}{dx^{2}}}\cosh x=\cosh x\,.}

جميع الدوال التي تتمتع بهذه الخاصية هي تركيبات خطية من دالتي sinh و cosh ، وخاصة الدوال الأسية.هـx{\displaystyle e^{x}}وهـ-x{\displaystyle e^{-x}}[ 22 ]

التكاملات القياسية

سينه(أx)دx=أ-1ضرب بالعصا(أx)+جضرب بالعصا(أx)دx=أ-1سينه(أx)+جtanh(أx)دx=أ-1ln(ضرب بالعصا(أx))+جملابس(أx)دx=أ-1ln|سينه(أx)|+جسيش(أx)دx=أ-1دالة الظل العكسي(سينه(أx))+جسي إس سي إتش(أx)دx=أ-1ln|tanh(أx2)|+ج=أ-1ln|ملابس(أx)-سي إس سي إتش(أx)|+ج=-أ-1أركوث(ضرب بالعصا(أx))+ج{\displaystyle {\begin{aligned}\int \sinh(ax)\,dx&=a^{-1}\cosh(ax)+C\\\int \cosh(ax)\,dx&=a^{-1}\sinh(ax)+C\\\int \tanh(ax)\,dx&=a^{-1}\ln(\cosh(ax))+C\\\int \coth(ax)\,dx&=a^{-1}\ln \left|\sinh(ax)\right|+C\\\int \operatorname {sech} (ax)\,dx&=a^{-1}\arctan(\sinh(ax))+C\\\int \operatorname {csch} (ax)\,dx&=a^{-1}\ln \left|\tanh \left({\frac {ax}{2}}\right)\right|+C=a^{-1}\ln \left|\coth \left(ax\right)-\operatorname {csch} \left(ax\right)\right|+C=-a^{-1}\operatorname {arcoth} \left(\cosh \left(ax\right)\right)+C\end{aligned}}}

يمكن إثبات التكاملات التالية باستخدام التعويض الزائدي : 1أ2+u2دu=أرسينه(uأ)+ج1u2-أ2دu=علامةuأركوش|uأ|+ج1أ2-u2دu=أ-1أرتان(uأ)+جu2<أ21أ2-u2دu=أ-1أركوث(uأ)+جu2>أ21uأ2-u2دu=-أ-1أرسيش|uأ|+ج1uأ2+u2دu=-أ-1قوس|uأ|+ج{\displaystyle {\begin{aligned}\int {{\frac {1}{\sqrt {a^{2}+u^{2}}}}\,du}&=\operatorname {arsinh} \left({\frac {u}{a}}\right)+C\\\int {{\frac {1}{\sqrt {u^{2}-a^{2}}}}\,du}&=\operatorname {sgn} {u}\operatorname {arcosh} \left|{\frac {u}{a}}\right|+C\\\int {\frac {1}{a^{2}-u^{2}}}\,du&=a^{-1}\operatorname {artanh} \left({\frac {u}{a}}\right)+C&&u^{2}<a^{2}\\\int {\frac {1}{a^{2}-u^{2}}}\,du&=a^{-1}\operatorname {arcoth} \left({\frac {u}{a}}\right)+C&&u^{2}>a^{2}\\\int {{\frac {1}{u{\sqrt {a^{2}-u^{2}}}}}\,du}&=-a^{-1}\operatorname {arsech} \left|{\frac {u}{a}}\right|+C\\\int {{\frac {1}{u{\sqrt {a^{2}+u^{2}}}}}\,du}&=-a^{-1}\operatorname {arcsch} \left|{\frac {u}{a}}\right|+C\end{aligned}}}

حيث C هو ثابت التكامل .

تعبيرات متسلسلة تايلور

من الممكن التعبير بشكل صريح عن متسلسلة تايلور عند الصفر (أو متسلسلة لوران ، إذا لم تكن الدالة معرفة عند الصفر) للدوال المذكورة أعلاه.

سينهx=x+x33!+x55!+x77!+=ن=0x2ن+1(2ن+1)!{\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)!}}} هذه المتسلسلة متقاربة لكل قيمة عقدية لـ x . وبما أن دالة sinh x فردية ، فإن الأسس الفردية فقط لـ x تظهر في متسلسلة تايلور الخاصة بها.

ضرب بالعصاx=1+x22!+x44!+x66!+=ن=0x2ن(2ن)!{\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)!}}} هذه المتسلسلة متقاربة لكل قيمة عقدية لـ x . وبما أن الدالة cosh x زوجية ، فإن الأسس الزوجية فقط لـ x تظهر في متسلسلة تايلور الخاصة بها.

مجموع متسلسلتي sinh و cosh هو تعبير المتسلسلة اللانهائية للدالة الأسية .

تلي السلسلة التالية وصف لمجموعة فرعية من مجال تقاربها ، حيث تكون السلسلة متقاربة ومجموعها يساوي الدالة. tanhx=x-x33+2x515-17x7315+=ن=122ن(22ن-1)ب2نx2ن-1(2ن)!،|x|<π2ملابسx=x-1+x3-x345+2x5945+=ن=022نب2نx2ن-1(2ن)!،0<|x|<πسيشx=1-x22+5x424-61x6720+=ن=0هـ2نx2ن(2ن)!،|x|<π2سي إس سي إتشx=x-1-x6+7x3360-31x515120+=ن=02(1-22ن-1)ب2نx2ن-1(2ن)!،0<|x|<π{\displaystyle {\begin{aligned}\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)!}},\qquad \left|x\right|<{\frac {\pi }{2}}\\\coth x&=x^{-1}+{\frac {x}{3}}-{\frac {x^{3}}{45}}+{\frac {2x^{5}}{945}}+\cdots =\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {2^{2n}B_{2n}x^{2n-1}}{(2n)!}},\qquad 0<\left|x\right|<\pi \\\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)!}},\qquad \left|x\right|<{\frac {\pi }{2}}\\\operatorname {csch} x&=x^{-1}-{\frac {x}{6}}+{\frac {7x^{3}}{360}}-{\frac {31x^{5}}{15120}}+\cdots =\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {2(1-2^{2n-1})B_{2n}x^{2n-1}}{(2n)!}},\qquad 0<\left|x\right|<\pi \end{aligned}}}

أين:

  • بن{\displaystyle B_{n}}هو العدد النوني لبرنولي
  • هـن{\displaystyle E_{n}}هو العدد النوني لأويلر

المنتجات اللانهائية والكسور المستمرة

تكون التوسعات التالية صالحة في المستوى المركب بأكمله:

سينهx=xن=1(1+x2ن2π2)=x1-x223+x2-23x245+x2-45x267+x2-{\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 }}}}}}}}}
ضرب بالعصاx=ن=1(1+x2(ن-1/2)2π2)=11-x212+x2-12x234+x2-34x256+x2-{\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 }}}}}}}}}
tanhx=11x+13x+15x+17x+{\displaystyle \tanh x={\cfrac {1}{{\cfrac {1}{x}}+{\cfrac {1}{{\cfrac {3}{x}}+{\cfrac {1}{{\cfrac {5}{x}}+{\cfrac {1}{{\cfrac {7}{x}}+\ddots }}}}}}}}}

مقارنة بالدوال الدائرية

تُظهر الدائرة والقطع الزائد المماس عند (1، 1) هندسة الدوال الدائرية من حيث مساحة القطاع الدائري u والدوال الزائدية التي تعتمد على مساحة القطاع الزائدي u .

تمثل الدوال الزائدية امتداداً لعلم المثلثات يتجاوز الدوال الدائرية . ويعتمد كلا النوعين على وسيط ، إما زاوية دائرية أو زاوية زائدية .

بما أن مساحة القطاع الدائري الذي نصف قطره r وزاويته u (بالراديان) تساوي r²u / 2 ، فإنها تساوي u عندما r = √2 . في الرسم التوضيحي، تُمسّ هذه الدائرة القطع الزائد xy = 1 عند النقطة (1, 1) . يُمثل القطاع الأصفر مساحة وزاوية. وبالمثل، تُمثل المنطقتان الصفراء والحمراء معًا قطاعًا زائديًا مساحته تُقابل زاوية القطع الزائد.

يبلغ طول ساقي المثلثين القائمين مع الوتر الموجود على الشعاع الذي يحدد الزوايا 2 ضعف الدوال الدائرية والزائدية.

الزاوية الزائدية هي مقياس ثابت بالنسبة لتطبيق الضغط ، تمامًا كما أن الزاوية الدائرية ثابتة تحت الدوران. [ 23 ]

تعطي دالة غودرمان علاقة مباشرة بين الدوال الدائرية والدوال الزائدية التي لا تتضمن أعدادًا مركبة.

رسم بياني للدالةأضرب بالعصا(x/أ){\displaystyle a\cosh(x/a)} هو المنحنى السلسلي ، وهو المنحنى الذي تشكله سلسلة مرنة منتظمة، معلقة بحرية بين نقطتين ثابتتين تحت تأثير جاذبية منتظمة.

العلاقة بالدالة الأسية

يؤدي تحليل الدالة الأسية إلى أجزائها الزوجية والفردية إلى الحصول على المتطابقات التالية: هـx=ضرب بالعصاx+سينهx،{\displaystyle e^{x}=\cosh x+\sinh x,} و هـ-x=ضرب بالعصاx-سينهx.{\displaystyle e^{-x}=\cosh x-\sinh x.} بالإضافة إلى صيغة أويلرهـأناx=كوسx+أناالخطيئةx،{\displaystyle e^{ix}=\cos x+i\sin x,} هذا يعطي هـx+أناy=(ضرب بالعصاx+سينهx)(كوسy+أناالخطيئةy){\displaystyle e^{x+iy}=(\cosh x+\sinh x)(\cos y+i\sin y)} بالنسبة للدالة الأسية المركبة العامة .

بالإضافة إلى ذلك، هـx=1+tanhx1-tanhx=1+tanhx21-tanhx2{\displaystyle e^{x}={\sqrt {\frac {1+\tanh x}{1-\tanh x}}}={\frac {1+\tanh {\frac {x}{2}}}{1-\tanh {\frac {x}{2}}}}}

الدوال الزائدية للأعداد المركبة

الدوال الزائدية في المستوى المركب
سينه(z){\displaystyle \sinh(z)}ضرب بالعصا(z){\displaystyle \cosh(z)}tanh(z){\displaystyle \tanh(z)}ملابس(z){\displaystyle \coth(z)}سيش(z){\displaystyle \operatorname {sech} (z)}سي إس سي إتش(z){\displaystyle \operatorname {csch} (z)}

بما أن الدالة الأسية يمكن تعريفها لأي عدد مركب ، يمكننا أيضًا توسيع تعريفات الدوال الزائدية لتشمل الأعداد المركبة. وبالتالي، فإن الدالتين sinh z و cosh z دالتان تحليليتان .

تُعطى العلاقات مع الدوال المثلثية العادية بواسطة صيغة أويلر للأعداد المركبة: هـأناx=كوسx+أناالخطيئةxهـ-أناx=كوسx-أناالخطيئةx{\displaystyle {\begin{aligned}e^{ix}&=\cos x+i\sin x\\e^{-ix}&=\cos x-i\sin x\end{aligned}}} لذا: ضرب بالعصا(أناx)=12(هـأناx+هـ-أناx)=كوسxسينه(أناx)=12(هـأناx-هـ-أناx)=أناالخطيئةxtanh(أناx)=أنالون برونزيxضرب بالعصا(x+أناy)=ضرب بالعصا(x)كوس(y)+أناسينه(x)الخطيئة(y)سينه(x+أناy)=سينه(x)كوس(y)+أناضرب بالعصا(x)الخطيئة(y)tanh(x+أناy)=tanh(x)+أنالون برونزي(y)1+أناtanh(x)لون برونزي(y)ضرب بالعصاx=كوس(أناx)سينهx=-أناالخطيئة(أناx)tanhx=-أنالون برونزي(أناx){\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\\\cosh(x+iy)&=\cosh(x)\cos(y)+i\sinh(x)\sin(y)\\\sinh(x+iy)&=\sinh(x)\cos(y)+i\cosh(x)\sin(y)\\\tanh(x+iy)&={\frac {\tanh(x)+i\tan(y)}{1+i\tanh(x)\tan(y)}}\\\cosh x&=\cos(ix)\\\sinh x&=-i\sin(ix)\\\tanh x&=-i\tan(ix)\end{aligned}}}

وبالتالي، فإن الدوال الزائدية دورية بالنسبة للمكون التخيلي، ولها دورة.2πأنا{\displaystyle 2\pi i}(πأنا{\displaystyle \pi i}(للدالة الظل الزائدي ودالة ظل التمام).

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 3 4 وايسشتاين، إريك دبليو. "الدوال الزائدية" . mathworld.wolfram.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-08-2020 .
  2. (1999) قاموس كولينز المختصر ، الطبعة الرابعة، هاربر كولينز، غلاسكو، رقم ISBN 0 00 472257 4، ص 1386
  3. 1 2 قاموس كولينز المختصر ، ص 328
  4. 1 2 "الدوال الزائدية" . www.mathsisfun.com . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-08-2020 .
  5. قاموس كولينز المختصر ، ص 1520
  6. قاموس كولينز المختصر ، ص 329
  7. tanh
  8. قاموس كولينز المختصر ، ص 1340
  9. وودهاوس، ن.م.ج. (2003)، النسبية الخاصة ، لندن: سبرينغر، ص 71، رقم ISBN  978-1-85233-426-0
  10. أبراموفيتز، ميلتون ؛ ستيجون، إيرين أ. ، محرران (1972)، دليل الدوال الرياضية مع الصيغ والرسوم البيانية والجداول الرياضية ، نيويورك: منشورات دوفر ، ISBN 978-0-486-61272-0
  11. بعض الأمثلة على استخدام دالة arcsinh الموجودة في كتب جوجل .
  12. نيفن، إيفان (1985). الأعداد غير النسبية . المجلد 11. الجمعية الرياضية الأمريكية. ISBN  9780883850381JSTOR 10.4169/ j.ctt5hh8zn . 
  13. 1 2 جورج ف. بيكر؛ سي إي فان أورستراند (1909). الدوال الزائدية . المكتبة الرقمية العالمية. مؤسسة سميثسونيان.
  14. 1 2 3 4 5 6 ماكماهون، جيمس (1896). الدوال الزائدية . جامعة عثمانية، المكتبة الرقمية للهند. جون وايلي وأولاده.
  15. 1 2 3 4 برادلي، روبرت إي.؛ دانتونيو، لورانس أ.؛ سانديفير، تشارلز إدوارد. أويلر في عام 300: تقدير. الجمعية الرياضية الأمريكية، 2007. صفحة 100.
  16. بيكر، جورج ف. الدوال الزائدية. دار ريد بوكس، 1931. الصفحة xlviii.
  17. NP، بالي (2005). حساب التكامل الذهبي . فاير وول ميديا. ص 472. ISBN  81-7008-169-6.
  18. ستيب، ويلي-هانز (2005). كتاب التمارين غير الخطي: الفوضى، والكسور، والأتمتة الخلوية، والشبكات العصبية، والخوارزميات الجينية، وبرمجة التعبير الجيني، وآلة المتجهات الداعمة، والمويجات، ونماذج ماركوف المخفية، والمنطق الضبابي باستخدام برامج C++ وجافا وSymbolicc++ (الطبعة الثالثة ). دار النشر العالمية العلمية. ص 281. ISBN   978-981-310-648-2.مقتطف من الصفحة 281 (باستخدام lambda=1)
  19. أولدهام، كيث ب.؛ مايلاند، جان؛ سبانير، جيروم (2010). أطلس الدوال: مع إكواتور، حاسبة دوال الأطلس (الطبعة الثانية المصورة ). سبرينغر ساينس آند بيزنس ميديا. ص 290. ISBN   978-0-387-48807-3.مقتطف من الصفحة 290
  20. أوزبورن، ج . (يوليو 1902). "طريقة تذكيرية للصيغ الزائدية" . المجلة الرياضية . 2 (34): 189. doi : 10.2307/3602492 . JSTOR 3602492. S2CID 125866575 .  
  21. أوديبير، جان إيف (2009). "معدلات التعلم السريع في الاستدلال الإحصائي من خلال التجميع". حوليات الإحصاء. ص 1627. 
  22. أولفر، فرانك دبليو جيه ؛ لوزير، دانيال إم؛ بويسفيرت، رونالد إف؛ كلارك، تشارلز دبليو، محرران (2010)، "الدوال الزائدية" ، دليل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا للدوال الرياضية ، مطبعة جامعة كامبريدج، رقم ISBN 978-0-521-19225-5MR 2723248 .
  23. هاسكل، ميلين دبليو ، "حول تقديم مفهوم الدوال الزائدية"، نشرة الجمعية الرياضية الأمريكية 1 :6:155-159، النص الكامل