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Hyperbelfunktion


Zu den Hyperbelfunktionen gehören:

sinh und cosh sind für alle komplexen Zahlen definiert und auf dem gesamten Gebiet der komplexen Zahlen holomorph. Die übrigen Hyperbelfunktionen haben Pole auf der imaginären Achse.

Definition

Definition über die Exponentialfunktion

Mittels der Exponentialfunktion können sinh und cosh wie folgt definiert werden:

[math]\sinh(z) := \frac{e^z - e^{-z}}{2}[/math]
[math]\cosh(z) := \frac{e^z + e^{-z}}{2}[/math]

Daher sind die hyperbolischen Funktionen periodisch (mit rein imaginärer Periode). Die Potenzreihen von cosh(z) und sinh(z) entstehen aus denen von cos(z) und sin(z), indem alle Minuszeichen durch Pluszeichen ersetzt werden.

Geometrische Definition mit Hilfe der Hyperbel

Der Name Hyperbelfunktionen stammt daher, dass sie zur Parametrisierung der Hyperbel [math]x^2-y^2=1[/math] verwendet werden können:

[math]x = \cosh(t), y = \sinh(t)[/math]

ganz in Analogie zum Kreis [math]x^2 + y^2 = 1[/math], der durch Sinus und Kosinus parametrisiert werden kann:

[math]x = \cos(t), y = \sin(t)[/math]

Die Funktionen stellen eine Verbindung her zwischen der Fläche [math]A[/math], die von einer vom Nullpunkt ausgehenden Geraden und ihrem Spiegelbild an der [math]x[/math]-Achse sowie der Hyperbel eingeschlossen wird, und der Länge verschiedener Strecken.

Dabei ist sinh(A) die (positive) [math]y[/math]-Koordinate des Schnittpunkts der Geraden mit der Hyperbel und cosh(A) die dazugehörige [math]x[/math]-Koordinate. tanh(A) ist die [math]y[/math]-Koordinate der Geraden bei [math]x=1[/math], d. h. die Steigung der Geraden.

Berechnet man die Fläche durch Integration, erhält man die Darstellung mit Hilfe der Exponentialfunktion.

Eigenschaften der reellen Hyperbelfunktionen

  • Für alle reellen Zahlen [math]x[/math] sind auch [math]\sinh(x)[/math] und [math]\cosh(x)[/math] reell.
  • Die reelle Funktion [math]\sinh[/math] ist streng monoton steigend und besitzt in 0 ihren einzigen Wendepunkt.
  • Die reelle Funktion [math]\cosh[/math] ist für Werte [math]\lt 0[/math] streng monoton fallend, für Werte [math]\gt 0[/math] streng monoton steigend und besitzt bei [math]x=0[/math] ein globales Minimum.

Wegen [math]\sinh , \cosh \colon \R \mapsto \R[/math] gelten alle Eigenschaften der komplexen Hyperbelfunktionen, die im nachfolgenden Absatz aufgeführt sind, auch für die Funktionen, die auf die reellen Zahlen eingeschränkt sind.

Eigenschaften der komplexen Hyperbelfunktionen

Für alle komplexen Zahlen [math]z, z_1, z_2[/math] gilt:

Symmetrie und Periodizität

  • [math]\sinh(z) = - \sinh(-z)[/math], d. h. sinh ist eine ungerade Funktion.
  • [math]\cosh(z) = \cosh(-z)[/math], d. h. cosh ist eine gerade Funktion.
  • [math]\sinh(z) = \sinh(z + 2\pi i) \quad \text{ und } \quad \cosh(z) = \cosh(z + 2\pi i)[/math],

d. h. es liegt rein „imaginäre Periodizität“ vor mit minimaler Periodenlänge [math]2 \pi[/math].

Additionstheoreme

  • [math]\sinh(z_1 \pm z_2) = \sinh(z_1) \cdot \cosh(z_2) \pm \sinh(z_2) \cdot \cosh(z_1)[/math]
  • [math]\cosh(z_1 \pm z_2) = \cosh(z_1) \cdot \cosh(z_2) \pm \sinh(z_1) \cdot \sinh(z_2)[/math]
  • [math]\tanh(z_1 \pm z_2) = \frac{\tanh(z_1) \pm \tanh(z_2)}{1 \pm \tanh(z_1) \tanh(z_2)}[/math]

Zusammenhänge

[math]{\cosh}^2 (z) - {\sinh}^2 (z) = 1[/math]

Ableitung

Die Ableitung des Sinus Hyperbolicus lautet:

[math]\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}z}{\sinh}(z) = \cosh (z)[/math].

Die Ableitung des Kosinus Hyperbolicus lautet:

[math]\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}z}{\cosh}(z) = \sinh (z)[/math].

Die Ableitung der Tangens Hyperbolicus lautet:

[math]\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}z}{\tanh}(z)=1-{\operatorname{tanh}}^2 (z)[/math].

Differentialgleichung

Die Funktionen [math]\sinh(z)[/math] und [math]\cosh(z)[/math] bilden wie [math]e^z[/math] und [math]e^{-z}[/math] eine Basis der (linearen) Differentialgleichung

[math]\frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}z^2} f(z) = f(z)[/math].

Fordert man allgemein für die beiden Basislösungen [math]f_i(z)[/math] dieser Differentialgleichung 2-ter Ordnung noch [math]f_1(0)=0[/math] und [math]f_2(0)=1[/math], so sind sie bereits eindeutig durch sinh und cosh festgelegt. Sprich, diese Eigenschaft kann ebenfalls als Definition dieser beiden Hyperbelfunktionen herangezogen werden.

Bijektivität der komplexen Hyperbelfunktionen

sinh

Es seien folgende Teilmengen der komplexen Zahlen definiert:

[math]A := \{ z \in \C \mid - \pi / 2 \lt \operatorname{Im}\,z \lt \pi / 2 \}[/math]
[math]B := \{ z \in \C \mid \operatorname{Re}\,z \ne 0 \vee \operatorname{Im}\,z = \pm 1 \}[/math]

Dann bildet die komplexe Funktion [math]\sinh[/math] den „Streifen“ [math]A[/math] bijektiv auf [math]B[/math] ab.

cosh

Es seien folgende Teilmengen der komplexen Zahlen definiert:

[math]A := \{ z \in \C \mid 0 \lt \operatorname{Im}\,z \lt \pi \}[/math]
[math]B := \{ z \in \C \mid \operatorname{Im}\,z \ne 0 \vee \operatorname{Re}\,z = \pm 1 \}[/math]

Dann bildet die komplexe Funktion [math]\cosh[/math] den „Streifen“ [math]A[/math] bijektiv auf [math]B[/math] ab.

Alternative Namen

  • Für die Hyperbelfunktionen ist auch der Name hyperbolische Funktionen gebräuchlich.
  • Für [math]\sinh[/math] sind auch die Namen hsin, Hyperbelsinus und Sinus hyperbolicus gebräuchlich.
  • Für [math]\cosh[/math] sind auch die Namen hcos, Hyperbelcosinus und Cosinus hyperbolicus gebräuchlich. Der Graph entspricht der Kettenlinie (Katenoide).

Abgeleitete Funktionen

  • Tangens Hyperbolicus [math]\tanh(x) := \frac{\sinh(x)}{\cosh(x)}[/math]
  • Cotangens Hyperbolicus [math]\coth(x) := \frac{1}{\tanh(x)} = \frac{\cosh(x)}{\sinh(x)}[/math]
  • Secans Hyperbolicus [math]\operatorname{sech}(x) := \frac{1}{\cosh(x)}[/math]
  • Cosecans Hyperbolicus [math]\operatorname{csch}(x) := \frac{1}{\sinh(x)}[/math]

Umrechnungstabelle

Funktion [math] \sinh [/math] [math] \cosh [/math] [math] \tanh [/math] [math] \coth [/math] [math] \operatorname{sech} [/math] [math] \operatorname{csch} [/math]
[math] \sinh(x)= [/math] [math] \sinh(x)\, [/math] [math] \sgn(x)\sqrt{\cosh^2(x)-1} [/math] [math] \frac{\tanh(x)}{\sqrt{1 - \tanh^2(x)}} [/math] [math] \frac{ \sgn(x)}{\sqrt{\coth^2(x) - 1}} [/math] [math] \sgn(x)\frac{\sqrt{1-\operatorname{sech}^2(x)}}{\operatorname{sech}(x)} [/math] [math] \frac{1}{\operatorname{csch}(x)} [/math]
[math] \cosh(x)= [/math] [math] \,\sqrt{1+\sinh^2(x)} [/math] [math] \,\cosh(x) [/math] [math] \, \frac{1}{\sqrt{1 - \tanh^2(x)}} [/math] [math] \, \frac{\left|\coth(x)\right|} {\sqrt{\coth^2(x)- 1}} [/math] [math] \, \frac{1}{\operatorname{sech}(x)} [/math] [math] \, \frac{\sqrt{1+\operatorname{csch}^2(x)}}{\left|\operatorname{csch}(x)\right|} [/math]
[math] \tanh(x)= [/math] [math] \,\frac{\sinh(x)}{\sqrt{1+\sinh^2(x)}} [/math] [math] \,\sgn(x)\frac{\sqrt{\cosh^2(x)-1}}{\cosh(x)} [/math] [math] \,\tanh(x) [/math] [math] \,\frac{1}{\coth(x)} [/math] [math] \,\sgn(x) \sqrt{1-\operatorname{sech}^2(x)} [/math] [math] \,\frac{\sgn(x)}{ \sqrt{1+\operatorname{csch}^2(x)}} [/math]
[math] \coth(x)= [/math] [math] \,\frac{\sqrt{1+\sinh^2(x)}}{\sinh(x)} [/math] [math] \,\sgn(x)\frac{\cosh(x)}{\sqrt{\cosh^2(x)-1}} [/math] [math] \,\frac{1}{\tanh(x)} [/math] [math] \,\coth(x) [/math] [math] \,\frac{\sgn(x)}{\sqrt{1-\operatorname{sech}^2 (x)}} [/math] [math] \,\sgn(x) \sqrt{1+\operatorname{csch}^2 (x)} [/math]
[math] \operatorname{sech}(x)= [/math] [math] \,\frac{1}{\sqrt{1+\sinh^2(x)}} [/math] [math] \,\frac{1}{\cosh(x)} [/math] [math] \,\sqrt{1 - \tanh^2(x)} [/math] [math] \,\frac{\sqrt{\coth^2(x)- 1}}{\left|\coth(x)\right|} [/math] [math] \, \operatorname{sech}(x) [/math] [math] \,\frac{\left|\operatorname{csch}(x)\right|}{\sqrt{1+\operatorname{csch}^2 (x)}} [/math]
[math] \operatorname{csch}(x)= [/math] [math] \, \frac{1}{\sinh(x)} [/math] [math] \, \frac{\sgn(x)}{\sqrt{\cosh^2(x)-1}} [/math] [math] \, \frac{\sqrt{1-\tanh^2(x)}}{\tanh(x)} [/math] [math] \, \sgn(x)\sqrt{\coth^2(x)- 1} [/math] [math] \, \sgn(x)\frac{\operatorname{sech}(x)}{\sqrt{1-\operatorname{sech}^2 (x)}} [/math] [math] \, \operatorname{csch}(x) [/math]

Umkehrfunktionen

Die Umkehrfunktionen der Hyperbelfunktionen heißen Area-Funktionen.

Siehe auch: Zusammenhang mit den Kreisfunktionen

Literatur

  • Ilja N. Bronstein: Taschenbuch der Mathematik. Deutsch (Harri).

Weblinks

 Commons: Hyperbolic functions  – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Kategorien: Analytische Funktion | Trigonometrische Funktion

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