雙曲餘弦函式

雙曲餘弦函式

雙曲餘弦函式是雙曲函式的一種。我們知道三角函式分正弦sin、餘弦cos、正切tan、餘切cot、正割sec、餘割csc六種。那么,類似的,雙曲函式也分為雙曲正弦、雙曲餘弦、雙曲正切、雙曲餘切、雙曲正割、雙曲餘割六種。雙曲餘弦函式也是其中一種。雙曲餘弦函式記作cosh,也可簡寫為ch。

基本信息

定義

雙曲函式的定義示意圖 雙曲函式的定義示意圖
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

從原點發出的射線與單位雙曲線(方程:)相交於點(cosh a,sinh a)。這裡的a為射線、雙曲線和x軸圍成的面積的兩倍。對於雙曲線上位於x軸下方的點,這個面積被認為是負值。其中,cosh a就是a的雙曲餘弦函式。

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

經過複雜的計算可以推出: 。

性質

定義域與值域

雙曲餘弦函式和雙曲正弦函式的圖像 雙曲餘弦函式和雙曲正弦函式的圖像
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

雙曲餘弦函式的定義域為 。 值域為[1, )。當x=0時,取到最小值1。

奇偶性

雙曲餘弦函式在定義域內是偶函式。 可以證明。

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

取x的負值。又得:

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

根據加法交換律,可得出 。根據偶函式的定義,可知該函式是偶函式。它關於y軸對稱。

單調性

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

雙曲餘弦函式y=cosh x,在區間 內它是單調減少的,在區間 內它是單調增加的。cosh 0=1是該函式的最小值。

可以用導數證明。

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

由於分母是永遠大於0的,而分子中 也是永遠大於0。只有 在x=0時是等於0。在x<0時。 <0。在x>0時。 >0。得出當x<0時,雙曲餘弦函式的導數永遠小於0。當x>0時,雙曲餘弦函式的導數永遠大於0。那么它在 內單調遞減的,在 內單調遞增。在x=0時,最小值為1。無最大值。

周期性

無論是雙曲餘弦函式y=cosh x,還是雙曲正弦函式y=sinh x、雙曲正切函式y=tanh x,它們都不是周期函式。

凹凸性

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

由於

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

那么雙曲餘弦函式的二階導數為

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

可見雙曲餘弦函式的二階導數是它本身。而雙曲餘弦函式的值域是[1, )。那么雙曲餘弦函式的二階導數在實數集R上恆大於0。

雙曲餘弦函式圖像 雙曲餘弦函式圖像

而根據函式凹凸性的判定方法(定理):

設f(x)在[a,b]上連續,在(a,b)內具有一階導數和二階導數,那么:

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

(1)若在(a,b)內, ,則f(x)在[a,b]上的圖形是凹的。

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

(2)若在(a,b)內, ,則f(x)在[a,b]上的圖形是凸的。

根據上面的函式凹凸性判斷定理。得出那么無論是在那個單調區間,雙曲餘弦函式都是凹函式

高數中套用

導數

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

雙曲餘弦函式的導數是雙曲正弦函式。即

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

也可以轉化為

不定積分

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

其中,C為常數。可見,雙曲餘弦函式的不定積分,除去常數C,也是雙曲正弦函式。

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

另有公式 (這裡,大寫的C為常數)

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

另外,關於雙曲餘弦函式還有如下的公式:

(其中,C為任意常數)

泰勒展開式

雙曲餘弦函式的泰勒展開式為:

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

即:

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

反函式

雙曲餘弦函式的反函式是反雙曲餘弦函式。它記作arcoshx。根據反函式的定義,它的定義原本應該是:

反雙曲餘弦函式圖像 反雙曲餘弦函式圖像
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

其中,x滿足條件: 。

反雙曲餘弦函式的圖像原本有x軸上方的一支和x軸下方的一支。即且這兩支關於x軸對稱。但是,這樣子會造成一個自變數x對應兩個函式值,不符合函式的定義。

為了符合函式的定義,一般取x軸上方的那一支。因而得到了反雙曲餘弦函式的定義式。

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

雙曲餘弦的反函式,即反雙曲餘弦函式y=arcoshx的定義域為[ ),它在區間[ )上是單調增加的。

圖像

懸鏈線 懸鏈線

如上圖。它是一條有點像拋物線(二次)但不是拋物線的曲線。因這條曲線與兩端固定的繩子(或鐵鏈)在均勻引力作用下下垂相似。這條曲線稱作懸鏈線。懸鏈線就是雙曲餘弦函式的圖像。

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

懸鏈線的數學表達式為 。其中,a為常數。當a=1時,所得的函式(圖像)正好是雙曲餘弦函式(圖像)。

公式

兩角和和兩角差的公式

sinh(x+y)=sinhxcoshy+coshxsinhy

sinh(x-y)=sinhxcoshy-coshxsinhy

cosh(x+y)=coshxcoshy+sinhxsinhy

cosh(x-y)=coshxcoshy-sinhxsinhy

二倍角公式

雙曲餘弦和雙曲正弦的二倍角公式。

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

三倍角公式

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

推導:

1、雙曲正弦的三倍角公式:

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

2、雙曲餘弦的三倍角公式:

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

半角公式

雙曲餘弦以及雙曲正弦的半角公式有:

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

恆等式

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

等式1:

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

等式1的證明:

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式
雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

等式2: (雙曲正切的定義式,與三角函式中的正切類似)

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

等式3: (雙曲函式和指數函式的關係)

雙曲餘弦函式 雙曲餘弦函式

等式4: (雙曲函式和指數函式的關係)

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