6.9: Обчислення гіперболічних функцій
- Застосовують формули для похідних та інтегралів гіперболічних функцій.
- Застосовують формули для похідних обернених гіперболічних функцій та пов'язаних з ними інтегралів.
- Опишіть загальні застосовані умови кутної кривої.
Ми були ознайомлені з гіперболічними функціями раніше, разом з деякими їх основними властивостями. У цьому розділі ми розглянемо формули диференціації та інтеграції гіперболічних функцій та їх обернень.
Похідні та інтеграли гіперболічних функцій
Нагадаємо, що гіперболічний синус і гіперболічний косинус визначаються як
\sinh x=\dfrac{e^x−e^{−x}}{2} \nonumber
і
\cosh x=\dfrac{e^x+e^{−x}}{2}. \nonumber
Інші гіперболічні функції потім визначаються з точки зору\sinh x і\cosh x. Графіки гіперболічних функцій наведені на рис\PageIndex{1}.

Легко розробити формули диференціації гіперболічних функцій. Наприклад, дивлячись на\sinh x нас
\begin{align*} \dfrac{d}{dx} \left(\sinh x \right) &=\dfrac{d}{dx} \left(\dfrac{e^x−e^{−x}}{2}\right) \\[4pt] &=\dfrac{1}{2}\left[\dfrac{d}{dx}(e^x)−\dfrac{d}{dx}(e^{−x})\right] \\[4pt] &=\dfrac{1}{2}[e^x+e^{−x}] \\[4pt] &=\cosh x. \end{align*} \nonumber
Аналогічно,
\dfrac{d}{dx} \cosh x=\sinh x. \nonumber
Узагальнено формули диференціювання гіперболічних функцій у табл\PageIndex{1}.
f(x) | \dfrac{d}{dx}f(x) |
---|---|
\ (f (x)\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">\sinh x | \ (\ dfrac {d} {dx} f (x)\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">\cosh x |
\ (f (x)\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">\cosh x | \ (\ dfrac {d} {dx} f (x)\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">\sinh x |
\ (f (x)\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">\tanh x | \ (\ dfrac {d} {dx} f (x)\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">\text{sech}^2 \,x |
\ (f (x)\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">\text{coth } x | \ (\ dfrac {d} {dx} f (x)\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">−\text{csch}^2\, x |
\ (f (x)\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">\text{sech } x | \ (\ dfrac {d} {dx} f (x)\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">−\text{sech}\, x \tanh x |
\ (f (x)\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">\text{csch } x | \ (\ dfrac {d} {dx} f (x)\)» style="вирівнювання тексту: центр; ">−\text{csch}\, x \coth x |
Візьмемо хвилинку, щоб порівняти похідні гіперболічних функцій з похідними стандартних тригонометричних функцій. Є багато подібностей, але відмінностей також. Наприклад, збігаються похідні синусоїдальних функцій:
\dfrac{d}{dx} \sin x=\cos x \nonumber
і
\dfrac{d}{dx} \sinh x=\cosh x. \nonumber
Похідні косинусних функцій, однак, розрізняються за знаком:
\dfrac{d}{dx} \cos x=−\sin x, \nonumber
але
\dfrac{d}{dx} \cosh x=\sinh x. \nonumber
Продовжуючи вивчення гіперболічних функцій, ми повинні пам'ятати про їх подібність та відмінності зі стандартними тригонометричними функціями. Ці формули диференціації гіперболічних функцій призводять безпосередньо до наступних інтегральних формул.
\begin{align} \int \sinh u \,du &=\cosh u+C \\[4pt] \int \text{csch}^2 u \, du &=−\coth u+C \\[4pt] \int \cosh u \,du &=\sinh u+C \\[4pt] \int \text{sech} \,u \tanh u \,du &=−\text{sech } \,u+C−\text{csch} \,u+C \\[4pt] \int \text{sech }^2u \,du &=\tanh u+C \\[4pt] \int \text{csch} \,u \coth u \,du &=−\text{csch} \,u+C \end{align} \nonumber
Оцініть наступні похідні:
- \dfrac{d}{dx}(\sinh(x^2))
- \dfrac{d}{dx}(\cosh x)^2
Рішення:
Використовуючи формули в Таблиці\PageIndex{1} і правилі ланцюга, отримуємо
- \dfrac{d}{dx}(\sinh(x^2))=\cosh(x^2)⋅2x
- \dfrac{d}{dx}(\cosh x)^2=2\cosh x\sinh x
Оцініть наступні похідні:
- \dfrac{d}{dx}(\tanh(x^2+3x))
- \dfrac{d}{dx}\left(\dfrac{1}{(\sinh x)^2}\right)
- Підказка
-
Використовуйте формули в таблиці\PageIndex{1} і застосуйте правило ланцюга в міру необхідності.
- Відповідь на
-
\dfrac{d}{dx}(\tanh(x^2+3x))=(\text{sech}^2(x^2+3x))(2x+3)
- Відповідь б
-
\dfrac{d}{dx}\left(\dfrac{1}{(\sinh x)^2}\right)=\dfrac{d}{dx}(\sinh x)^{−2}=−2(\sinh x)^{−3}\cosh x
Оцініть наступні інтеграли:
- \displaystyle \int x\cosh(x^2)dx
- \displaystyle \int \tanh x\,dx
Рішення
Ми можемо використовуватиu -підстановку в обох випадках.
а. нехайu=x^2. Потім,du=2x\,dx і
\begin{align*} \int x\cosh (x^2)dx &=\int \dfrac{1}{2}\cosh u\,du \\[4pt] &=\dfrac{1}{2}\sinh u+C \\[4pt] &=\dfrac{1}{2}\sinh (x^2)+C. \end{align*}
б. нехайu=\cosh x. Потім,du=\sinh x\,dx і
\begin{align*} \int \tanh x \,dx &=\int \dfrac{\sinh x}{\cosh x}\,dx \\[4pt] &=\int \dfrac{1}{u}du \\[4pt] &=\ln|u|+C \\[4pt] &= \ln|\cosh x|+C.\end{align*}
Відзначимо, що\cosh x>0 для всіхx, так ми можемо усунути абсолютні значення знаків і отримати
\int \tanh x \,dx=\ln(\cosh x)+C. \nonumber
Оцініть наступні інтеграли:
- \displaystyle \int \sinh^3x \cosh x \,dx
- \displaystyle \int \text{sech }^2(3x)\, dx
- Підказка
-
Використовуйте наведені вище формули і застосовуйтеu -підстановку в міру необхідності.
- Відповідь на
-
\displaystyle \int \sinh^3x \cosh x \,dx=\dfrac{\sinh^4x}{4}+C
- Відповідь б
-
\displaystyle \int \text{sech }^2(3x) \, dx=\dfrac{\tanh(3x)}{3}+C
Обчислення обернених гіперболічних функцій
Дивлячись на графіки гіперболічних функцій, ми бачимо, що при відповідних обмеженнях діапазону всі вони мають зворотні. Більшість необхідних обмежень діапазону можна розгледіти при уважному вивченні графіків. Домени та діапазони обернених гіперболічних функцій зведені в табл\PageIndex{2}.
Функція | Домен | Діапазон |
---|---|---|
\sinh^{−1}x | (−∞, ∞) | (−∞, ∞) |
\cosh^{−1}x | (1, ∞) | [0, ∞) |
\tanh^{−1}x | (−1,1) | (−∞, ∞) |
\coth^{−1}x | (−∞, 1) (1, ∞) | (−∞, 0) (0, ∞) |
\text{sech}^{−1}x | (0,1) | [0, ∞) |
\text{csch}^{−1}x | (−∞, 0) (0, ∞) | (−∞, 0) (0, ∞) |
Графіки обернених гіперболічних функцій наведені на наступному малюнку.

Для знаходження похідних обернених функцій використовується неявна диференціація. У нас є
\begin{align} y &=\sinh^{−1}x \\[4pt] \sinh y &=x \\[4pt] \dfrac{d}{dx} \sinh y &=\dfrac{d}{dx}x \\[4pt] \cosh y\dfrac{dy}{dx} &=1. \end{align} \nonumber
Нагадаємо, що\cosh^2y−\sinh^2y=1, так\cosh y=\sqrt{1+\sinh^2y}. Тоді,
\dfrac{dy}{dx}=\dfrac{1}{\cosh y}=\dfrac{1}{\sqrt{1+\sinh^2y}}=\dfrac{1}{\sqrt{1+x^2}}. \nonumber
Аналогічним чином ми можемо вивести формули диференціації для інших обернених гіперболічних функцій. Ці формули диференціації зведені в табл\PageIndex{3}.
f(x) | \dfrac{d}{dx}f(x) |
---|---|
\ (f (x)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\sinh^{−1}x | \ (\ dfrac {d} {dx} f (x)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\dfrac{1}{\sqrt{1+x^2}} |
\ (f (x)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\cosh^{−1}x | \ (\ dfrac {d} {dx} f (x)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\dfrac{1}{\sqrt{x^2−1}} |
\ (f (x)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\tanh^{−1}x | \ (\ dfrac {d} {dx} f (x)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\dfrac{1}{1−x^2} |
\ (f (x)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\coth^{−1}x | \ (\ dfrac {d} {dx} f (x)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\dfrac{1}{1−x^2} |
\ (f (x)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\text{sech}^{−1}x | \ (\ dfrac {d} {dx} f (x)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\dfrac{−1}{x\sqrt{1−x^2}} |
\ (f (x)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\text{csch}^{−1}x | \ (\ dfrac {d} {dx} f (x)\)» style="вертикальне вирівнювання: середина; ">\dfrac{−1}{|x|\sqrt{1+x^2}} |
Зверніть увагу, що\coth^{−1}x похідні\tanh^{−1}x і однакові. Таким чином, коли ми інтегруємося1/(1−x^2), нам потрібно вибрати власне антидериватив на основі області функцій і значеньx. Формули інтеграції, що включають обернені гіперболічні функції, узагальнено наступним чином.
\int \dfrac{1}{\sqrt{1+u^2}}du=\sinh^{−1}u+C \nonumber
\int \dfrac{1}{u\sqrt{1−u^2}}du=−\text{sech}^{−1}|u|+C \nonumber
\int \dfrac{1}{\sqrt{u^2−1}}du=\cosh^{−1}u+C \nonumber
\int \dfrac{1}{u\sqrt{1+u^2}}du=−\text{csch}^{−1}|u|+C \nonumber
\int \dfrac{1}{1−u^2}du=\begin{cases}\tanh^{−1}u+C & \text{if }|u|<1\\ \coth^{−1}u+C & \text{if }|u|>1\end{cases} \nonumber
Оцініть наступні похідні:
- \dfrac{d}{dx}\left(\sinh^{−1}\left(\dfrac{x}{3}\right)\right)
- \dfrac{d}{dx}\left(\tanh^{−1}x\right)^2
Рішення
Використовуючи формули в Таблиці\PageIndex{3} і правилі ланцюга, отримуємо наступні результати:
- \dfrac{d}{dx}(\sinh^{−1}(\dfrac{x}{3}))=\dfrac{1}{3\sqrt{1+\dfrac{x^2}{9}}}=\dfrac{1}{\sqrt{9+x^2}}
- \dfrac{d}{dx}(\tanh^{−1}x)^2=\dfrac{2(\tanh^{−1}x)}{1−x^2}
Оцініть наступні похідні:
- \dfrac{d}{dx}(\cosh^{−1}(3x))
- \dfrac{d}{dx}(\coth^{−1}x)^3
- Підказка
-
Використовуйте формули в таблиці\PageIndex{3} і застосуйте правило ланцюга в міру необхідності.
- Відповідь на
-
\dfrac{d}{dx}(\cosh^{−1}(3x))=\dfrac{3}{\sqrt{9x^2−1}}
- Відповідь б
-
\dfrac{d}{dx}(\coth^{−1}x)^3=\dfrac{3(\coth^{−1}x)^2}{1−x^2}
Оцініть наступні інтеграли:
- \displaystyle \int \dfrac{1}{\sqrt{4x^2−1}}dx
- \displaystyle \int \dfrac{1}{2x\sqrt{1−9x^2}}dx
Рішення
Ми можемо використовувати u-підстановку в обох випадках.
Нехайu=2x. Тоді,du=2\,dx і у нас є
\begin{align*} \int \dfrac{1}{\sqrt{4x^2−1}}\,dx &=\int \dfrac{1}{2\sqrt{u^2−1}}\,du \\[4pt] &=\dfrac{1}{2}\cosh^{−1}u+C \\[4pt] &=\dfrac{1}{2}\cosh^{−1}(2x)+C. \end{align*} \nonumber
Нехайu=3x. тоді,du=3\,dx і отримаємо
\begin{align*} \int \dfrac{1}{2x\sqrt{1−9x^2}}dx &=\dfrac{1}{2}\int \dfrac{1}{u\sqrt{1−u^2}}du \\[4pt] &=−\dfrac{1}{2}\text{sech}^{−1}|u|+C \\[4pt] &=−\dfrac{1}{2}\text{sech}^{−1}|3x|+C \end{align*}
Оцініть наступні інтеграли:
- \displaystyle \int \dfrac{1}{\sqrt{x^2−4}}dx,x>2
- \displaystyle \int \dfrac{1}{\sqrt{1−e^{2x}}}dx
- Підказка
-
Використовуйте наведені вище формули і застосовуйтеu -підстановку в міру необхідності.
- Відповідь на
-
\displaystyle \int \dfrac{1}{\sqrt{x^2−4}}dx=\cosh^{−1}(\dfrac{x}{2})+C
- Відповідь б
-
\displaystyle \int \dfrac{1}{\sqrt{1−e^{2x}}}dx=−\text{sech}^{−1}(e^x)+C
Додатки
Одне фізичне застосування гіперболічних функцій передбачає підвішування кабелів. Якщо кабель рівномірної щільності підвішений між двома опорами без будь-якого навантаження, відмінного від власної ваги, кабель утворює криву, звану мережею. Високовольтні лінії електропередач, ланцюги, що звисають між двома стовпами, і нитки павутинної павутини - все це утворюють катенари. На наступному малюнку зображені ланцюга, що звисають з ряду стійок.

Гіперболічні функції можуть бути використані для моделювання катенарів. Зокрема, функції формиy=a\cdot \cosh(x/a) є катенаріями. На малюнку\PageIndex{4} показаний графікy=2\cosh(x/2).

Припустимо, що підвісний кабель має форму10\cosh(x/10) для−15≤x≤15, деx вимірюється в футах. Визначте довжину кабелю (в футах).
Рішення
Нагадаємо з розділу 6.4, що формула для довжини дуги дорівнює
\underbrace{\int ^b_a\sqrt{1+[f′(x)]^2}dx}_{\text{Arc Length}}. \nonumber
У нас єf(x)=10 \cosh(x/10), такf′(x)=\sinh(x/10). Тоді довжина дуги дорівнює
\int ^b_a\sqrt{1+[f′(x)]^2}dx=\int ^{15}_{−15}\sqrt{1+\sinh^2 \left(\dfrac{x}{10}\right)}dx. \nonumber
Тепер нагадаємо, що
1+\sinh^2x=\cosh^2x, \nonumber
тому у нас є
\begin{align*} \text{Arc Length} &= \int ^{15}_{−15}\sqrt{1+\sinh^2 \left(\dfrac{x}{10}\right)}dx \\[4pt] &=\int ^{15}_{−15}\cosh \left(\dfrac{x}{10}\right)dx \\[4pt] &= \left.10\sinh \left(\dfrac{x}{10}\right)\right|^{15}_{−15}\\[4pt] &=10\left[\sinh\left(\dfrac{3}{2}\right)−\sinh\left(−\dfrac{3}{2}\right)\right]\\[4pt] &=20\sinh \left(\dfrac{3}{2}\right) \\[4pt] &≈42.586\,\text{ft.} \end{align*}
Припустимо, що підвісний кабель має форму15 \cosh (x/15) для−20≤x≤20. Визначте довжину кабелю (в футах).
- Відповідь
-
52.95футів
Ключові концепції
- Гіперболічні функції визначаються термінами експоненціальних функцій.
- Построкова диференціація дає формули диференціації гіперболічних функцій. Ці формули диференціації породжують, в свою чергу, інтеграційні формули.
- При відповідних обмеженнях діапазону гіперболічні функції мають зворотні.
- Неявна диференціація дає формули диференціації обернених гіперболічних функцій, які, в свою чергу, породжують інтеграційні формули.
- Найбільш поширеними фізичними додатками гіперболічних функцій є розрахунки за участю катенарів.
Глосарій
- катенарний
- крива у формі функціїy=a\cdot\cosh(x/a) є мережею; кабель рівномірної щільності, підвішений між двома опорами, приймає форму ланцюга