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复变函数-CH00-双曲函数(补充内容1)

复变函数-CH00-双曲函数(补充内容1),待补充摘要。

June 14, 2026 修考 13 min read

双曲函数、三角函数与复变函数全面学习笔记

本笔记旨在系统地整理双曲函数的定义、其与标准三角函数的深层联系,以及它们在复变函数分析中的核心应用与公式推导。

[!NOTE] Title 双曲函数可以看成把三角函数的自变量换成虚数后的结果。它们之间并不是毫无关系,而是通过复数紧密联系在一起。

一、 双曲函数的定义与几何意义

1. 核心定义

双曲函数(Hyperbolic Functions)是基于指数函数 exe^x 定义的一类特殊函数。其最基本的两个函数是双曲正弦sinh\sinh)和双曲余弦cosh\cosh):

  • 双曲正弦 (Hyperbolic Sine):

    sinhx=exex2\sinh x = \frac{e^x - e^{-x}}{2}

  • 双曲余弦 (Hyperbolic Cosine):

    coshx=ex+ex2\cosh x = \frac{e^x + e^{-x}}{2}

在此基础上,我们可以定义其他四个辅助双曲函数:

  • 双曲正切 (Hyperbolic Tangent):

    tanhx=sinhxcoshx=exexex+ex\tanh x = \frac{\sinh x}{\cosh x} = \frac{e^x - e^{-x}}{e^x + e^{-x}}

  • 双曲余切 (Hyperbolic Cotangent): (其中 x0x \neq 0)

    cothx=coshxsinhx=ex+exexex\coth x = \frac{\cosh x}{\sinh x} = \frac{e^x + e^{-x}}{e^x - e^{-x}}

  • 双曲正割 (Hyperbolic Secant):

    sech x=1coshx=2ex+ex\text{sech } x = \frac{1}{\cosh x} = \frac{2}{e^x + e^{-x}}

  • 双曲余割 (Hyperbolic Cosecant): (其中 x0x \neq 0)

    csch x=1sinhx=2exex\text{csch } x = \frac{1}{\sinh x} = \frac{2}{e^x - e^{-x}}

2. 几何意义:圆与双曲线的对偶性

普通三角函数与单位圆 x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 密切相关;而双曲函数则与等轴双曲线 x2y2=1x^2 - y^2 = 1 密切相关。

特征三角函数 (圆函数)双曲函数
关联曲线单位圆: x2+y2=1x^2 + y^2 = 1等轴双曲线右支: x2y2=1(x1)x^2 - y^2 = 1 \quad (x \ge 1)
参数方程x=cosθ,y=sinθx = \cos \theta, \quad y = \sin \thetax=coshu,y=sinhux = \cosh u, \quad y = \sinh u
几何参数弧度 θ\theta 对应有向扇形面积的 22 倍。参数 uu 对应双曲扇形面积的 22 倍。

注:若一个由原点、双曲线上的点 (coshu,sinhu)(\cosh u, \sinh u) 以及 xx 轴包围的双曲扇形面积为 AA,则该点的参数 u=2Au = 2A

3. 双曲函数的基本恒等式

双曲函数拥有与普通三角函数极其相似的恒等式系统(符号上往往有微妙的差异):

  • 平方差恒等式 (基本关系):

    cosh2xsinh2x=1\cosh^2 x - \sinh^2 x = 1

    (推导:(ex+ex2)2(exex2)2=(e2x+2+e2x)(e2x2+e2x)4=44=1\left(\frac{e^x+e^{-x}}{2}\right)^2 - \left(\frac{e^x-e^{-x}}{2}\right)^2 = \frac{(e^{2x}+2+e^{-2x}) - (e^{2x}-2+e^{-2x})}{4} = \frac{4}{4} = 1)

  • 商数恒等式:

    1 - \tanh^2 x = \text{sech}^2 x$$$$\coth^2 x - 1 = \text{csch}^2 x

  • 和差公式:

    \sinh(x \pm y) = \sinh x \cosh y \pm \cosh x \sinh y$$$$\cosh(x \pm y) = \cosh x \cosh y \pm \sinh x \sinh y

    (注意:cosh\cosh 的和公式中,中间的符号为 ++,这与余弦公式 cos(x+y)=cosxcosysinxsiny\cos(x+y) = \cos x \cos y - \sin x \sin y - 号不同。)

  • 倍角公式:

    \sinh(2x) = 2 \sinh x \cosh x$$$$\cosh(2x) = \cosh^2 x + \sinh^2 x = 2\cosh^2 x - 1 = 1 + 2\sinh^2 x

4. 微积分性质

双曲函数的导数和积分不产生多余的负号(除了余割、正割系列),这使它们在解决物理学波动方程、悬链线问题中非常方便:

  • 导数公式:

    \frac{d}{dx}(\sinh x) = \cosh x$$$$\frac{d}{dx}(\cosh x) = \sinh x$$$$\frac{d}{dx}(\tanh x) = \text{sech}^2 x

二、 双曲函数与三角函数的深层关系

通过复数域中的虚数单位 ii(满足 i2=1i^2 = -1),双曲函数与普通三角函数可以完美地合二为一。

1. 欧拉公式(Euler’s Formula)

一切连接的桥梁是欧拉公式:

eiθ=cosθ+isinθe^{i\theta} = \cos \theta + i \sin \theta

若将 θ\theta 替换为 θ-\theta

eiθ=cosθisinθe^{-i\theta} = \cos \theta - i \sin \theta

由此我们可以将正弦和余弦函数用复指数表示:

\cos \theta = \frac{e^{i\theta} + e^{-i\theta}}{2}$$$$\sin \theta = \frac{e^{i\theta} - e^{-i\theta}}{2i}

2. 虚数参数的相互转换 (旋转关系)

对比双曲函数与三角函数的指数定义,我们可以直接得出以下重要关系式:

(1) 正弦与双曲正弦

sinhx\sinh x 的定义中带入 x=iθx = i\theta

sinh(iθ)=eiθeiθ2=i(eiθeiθ2i)=isinθ\sinh(i\theta) = \frac{e^{i\theta} - e^{-i\theta}}{2} = i \left( \frac{e^{i\theta} - e^{-i\theta}}{2i} \right) = i \sin \theta

反之,在 sinθ\sin \theta 的定义中带入 θ=ix\theta = ix

sin(ix)=exex2i=(exex)2i=1isinhx=isinhx\sin(ix) = \frac{e^{-x} - e^{x}}{2i} = \frac{-(e^x - e^{-x})}{2i} = -\frac{1}{i} \sinh x = i \sinh x

(2) 余弦与双曲余弦

coshx\cosh x 的定义中带入 x=iθx = i\theta

cosh(iθ)=eiθ+eiθ2=cosθ\cosh(i\theta) = \frac{e^{i\theta} + e^{-i\theta}}{2} = \cos \theta

反之,在 cosθ\cos \theta 的定义中带入 θ=ix\theta = ix

cos(ix)=ex+ex2=coshx\cos(ix) = \frac{e^{-x} + e^{x}}{2} = \cosh x

(3) 正切与双曲正切

\tanh(i\theta) = \frac{\sinh(i\theta)}{\cosh(i\theta)} = \frac{i \sin \theta}{\cos \theta} = i \tan \theta$$$$\tan(ix) = \frac{\sin(ix)}{\cos(ix)} = \frac{i \sinh x}{\cosh x} = i \tanh x

总结转换表:

sin(ix)=isinhxsinh(ix)=isinxcos(ix)=coshxcosh(ix)=cosxtan(ix)=itanhxtanh(ix)=itanx\begin{aligned} \sin(ix) &= i \sinh x & \sinh(ix) &= i \sin x \\ \cos(ix) &= \cosh x & \cosh(ix) &= \cos x \\ \tan(ix) &= i \tanh x & \tanh(ix) &= i \tan x \end{aligned}

奥斯本规则 (Osborne’s Rule): 任何三角恒等式都可以转换为对应的双曲恒等式。方法是:将三角函数直接替换为相应的双曲函数,但如果两正弦函数相乘(或隐含有两正弦相乘,如 tan2x\tan^2 x sin2x\sin^2 x),则需要改变该项的符号

  • 示例:cos2x+sin2x=1    cosh2xsinh2x=1\cos^2 x + \sin^2 x = 1 \implies \cosh^2 x - \sinh^2 x = 1sin2x\sin^2 x 变号为 sinh2x-\sinh^2 x)。

三、 双曲函数在复变函数中的使用

在复变函数理论中,自变量从实数 xx 扩展到了复数 z=x+iyz = x + iy(其中 x,yRx, y \in \mathbb{R})。双曲函数和三角函数在复数域中被统一并广泛应用。

1. 复三角函数的实部与虚部展开

利用上述旋转关系,我们可以轻松将复自变量的余弦和正弦函数拆分为实部和虚部。这在计算复变函数的积分、解析性以及绘制映射图像时至关重要。

(1) sinz\sin z 的展开

z=x+iyz = x + iy

sinz=sin(x+iy)=sinxcos(iy)+cosxsin(iy)=sinxcoshy+icosxsinhy\begin{aligned} \sin z &= \sin(x + iy) \\ &= \sin x \cos(iy) + \cos x \sin(iy) \\ &= \sin x \cosh y + i \cos x \sinh y \end{aligned}

因此:

Re(sinz)=sinxcoshy,Im(sinz)=cosxsinhy\text{Re}(\sin z) = \sin x \cosh y, \quad \text{Im}(\sin z) = \cos x \sinh y

(2) cosz\cos z 的展开

cosz=cos(x+iy)=cosxcos(iy)sinxsin(iy)=cosxcoshyisinxsinhy\begin{aligned} \cos z &= \cos(x + iy) \\ &= \cos x \cos(iy) - \sin x \sin(iy) \\ &= \cos x \cosh y - i \sin x \sinh y \end{aligned}

因此:

Re(cosz)=cosxcoshy,Im(cosz)=sinxsinhy\text{Re}(\cos z) = \cos x \cosh y, \quad \text{Im}(\cos z) = -\sin x \sinh y

2. 复双曲函数的实部与虚部展开

类似地,我们可以将复自变量的双曲函数进行展开:

(1) sinhz\sinh z 的展开

sinhz=sinh(x+iy)=sinhxcosh(iy)+coshxsinh(iy)=sinhxcosy+icoshxsiny\begin{aligned} \sinh z &= \sinh(x + iy) \\ &= \sinh x \cosh(iy) + \cosh x \sinh(iy) \\ &= \sinh x \cos y + i \cosh x \sin y \end{aligned}

(2) coshz\cosh z 的展开

coshz=cosh(x+iy)=coshxcosh(iy)+sinhxsinh(iy)=coshxcosy+isinhxsiny\begin{aligned} \cosh z &= \cosh(x + iy) \\ &= \cosh x \cosh(iy) + \sinh x \sinh(iy) \\ &= \cosh x \cos y + i \sinh x \sin y \end{aligned}

3. 复数域中的周期性与无界性

在实数域中,正弦和余弦函数是有界的(值域为 [1,1][-1, 1]),且具有周期 2π2\pi。然而,在复数域中,情况发生了剧烈的变化:

  1. 无界性: 从展开式 sin(x+iy)=sinxcoshy+icosxsinhy\sin(x+iy) = \sin x \cosh y + i \cos x \sinh y 可以看出,当 y±y \to \pm\infty 时,双曲函数 coshy\cosh ysinhy\sinh y 会呈指数级增长。因此,复三角函数 sinz\sin z cosz\cos z 在复平面上是无界的

  2. 双曲函数的周期性: 实双曲函数是没有周期的,但由于它与三角函数在复数域中的联系,复双曲函数是周期函数,其周期为虚数:

    sinh(z+2πi)=sinhzcos(2π)+icoshzsin(2π)=sinhz\sinh(z + 2\pi i) = \sinh z \cos(2\pi) + i \cosh z \sin(2\pi) = \sinh z

    即:

    \sinh(z + 2\pi i) = \sinh z, \quad \cosh(z + 2\pi i) = \cosh z$$$$\tanh(z + \pi i) = \tanh z

4. 保形映射(Conformal Mapping)与解析函数

在复变函数中,函数 w=f(z)w = f(z) 可以被看作是从 zz 复平面到 ww 复平面的映射。

  • 映射 w=sinzw = \sin z: 利用展开式 w=u+iv=sinxcoshy+icosxsinhyw = u + iv = \sin x \cosh y + i \cos x \sinh y,可知:

    u=sinxcoshy,v=cosxsinhyu = \sin x \cosh y, \quad v = \cos x \sinh y

    若消去 xx(考虑 y=cy = c 的水平线):

    u2cosh2c+v2sinh2c=1\frac{u^2}{\cosh^2 c} + \frac{v^2}{\sinh^2 c} = 1

    这说明 zz 平面上的水平直线 y=cy=c 被映射为 ww 平面上的共焦椭圆

    若消去 yy(考虑 x=cx = c 的垂直线):

    u2sin2cv2cos2c=1\frac{u^2}{\sin^2 c} - \frac{v^2}{\cos^2 c} = 1

    这说明 zz 平面上的垂直直线 x=cx=c 被映射为 ww 平面上的共焦双曲线

这种映射在解决物理学中的边值问题(如电场分布、流体力学、热传导)中极为有用。例如,通过这些映射,可以将复杂的几何边界(如双电极平板、流体管道)转换成易于求解的规则矩形区域。

5. 留数定理与复积分中的极点

在复变函数的积分中,经常需要寻找双曲函数的零点作为被积函数的极点。例如,计算解析函数的留数时:

  • sinhz=0\sinh z = 0 的根:

    sinh(x+iy)=0    sinhxcosy=0coshxsiny=0\sinh(x+iy) = 0 \implies \sinh x \cos y = 0 \quad \text{且} \quad \cosh x \sin y = 0

    因为 coshx1>0\cosh x \ge 1 > 0,所以必须 siny=0    y=kπ(kZ)\sin y = 0 \implies y = k\pi \quad (k \in \mathbb{Z})。 代入前式:sinhxcos(kπ)=0    sinhx=0    x=0\sinh x \cos(k\pi) = 0 \implies \sinh x = 0 \implies x = 0。 因此,sinhz=0\sinh z = 0 的所有复数解为:

    z=kπi(kZ)z = k\pi i \quad (k \in \mathbb{Z})

  • coshz=0\cosh z = 0 的根: 通过类似推导,或者利用 coshz=sinh(z+π2i)=0\cosh z = \sinh(z + \frac{\pi}{2}i) = 0,可得:

    z=(k+12)πi(kZ)z = \left(k + \frac{1}{2}\right)\pi i \quad (k \in \mathbb{Z})

这些零点构成了诸如 f(z)=1coshzf(z) = \frac{1}{\cosh z}f(z)=tanhzf(z) = \tanh z 等复函数的一阶极点。利用留数定理(Residue Theorem),我们可以计算大量实域内极其困难的广义积分。