Hyperbolske funksjoner

Det er noen kombinasjoner av  eksponentialfunksjoner som har likhetstrekk med trigonometriske funksjoner, og disse kalles hyperbolsk sinus (sinh(x)), hyperbolsk cosinus (cosh(x)) og hyperbolsk tangens (tanh(x)). Navnet hyperbolsk har de fått pga. den geometriske relsjonen til hyperbler, på samme måte som trigonometriske funksjoner er relatert til en sirkel. Hyperbel er en av kjeglesnittene

\(\displaystyle \sinh(x)=\frac{e^x - e^{-x}}{2}\;\;\;\;\;\cosh(x)=\frac{e^x + e^{-x}}{2}\;\;\;\;\;\tanh(x)=\frac{\sinh(x)}{\cosh(x)}\)

Hyperbolsk cosecant (csch(x)), hyperbolsk secant (sech(x)) og hyperbolsk kotangens (coth(x)) 

\(\displaystyle \text{csch(x)}=\frac{1}{\sinh(x)}\;\;\;\;\; \text{sech(x)}=\frac{1}{\sinh(x)}\;\;\;\;\; \text{coth(x)}=\frac{1}{\tan(x)}\)

Vi har også:

\(\cosh(0)= 1\;\;\;\, \sinh(0)= 0\;\;\;\;\cosh(-x)= \cosh(x)\;\;\;\; \sinh(-x)=\sinh(x)\)

\(\cosh x+\sinh x= e^x\;\;\;\;\cosh x-\sinh x= e^{-x}\;\;\;\; \cosh^2x -\sinh^2 x=1 \)

Vi har også inverse hyperbolske funksjoner sinh-1 og tanh-1.

\(\displaystyle y= \sinh^{-1}x \;\iff\;\; x= \sinh y\)

Siden hyperbolske funksjoner kan uttrykkes som eksponentialfunksjoner kan inverse hyperbolske funksjoner uttrykkes som logaritmer:

\(\displaystyle \sinh^{-1}x= \ln \left(x + \sqrt{x^2 + 1}\right)\)

Hyperbolsk sinus

Hyperbolsk sinus (sinh(x), sinus hyperbolicus).

Hyperbolsk cosinus

Hyperbolsk cosinus (cosh(x), cosinus hyperbolicus).

Hyperbolsk tangens

Hyperbolsk tangens (tanh(x), tangens hyperbolicus)

Hyerbolsk sinh(x), hyperbolsk cosinus (cosh() og hyperbolks tangens

Hyperbolske funksjoner ble undersøkt av Leonard Euler og seinere av den italienske matematikeren Vincenzo Riccati (1707-1775). Det var den tyske matematikeren Johann Heinrich Lambert (1728-1777)  som ga funksjonene navn, slik de er en del av hyperbolsk geometri. Lambert er også kjent for kartprojeksjoner. 

Hvilken kurveform har en kjetting som henger fritt ned fra to stolper ? 

Kurven kalt katenari (l. catena - kjede, catenaria, kataraktkurve, katenakjede, catenakjede) er  en kjedekurve  ble studert av Johann Bernoulli, Gottfried Leibniz og Christiaan Huygens, publisert i 1691 i Acta Eruditorum ,, og de kunne vise at kurveformen ikke var en parabel slik som Galileo Gelilei trodde. Robert Hook brukte dem til å konstruere buer i gjenoppbyggingen av St Paulskatedralen. En kjedekurve er et kjede eller en kabel  som henger fritt ned fra to festepunkter, påvirket bare av gravitasjonskreftene (vekten av kjedet)  og streknigskreftene (tensjonen) langs kjedet eller kabelen.  Eksempler er kjettinger som skal markere overgang til en gressplen, telefonledninger mellom telefonstolper, kraftledninger som henger mellom kraftmaster eller strømlinjene for jernbane.. Ankerkjetting til en båt. I edderkoppspinn fra hjulspinnere henger de tverrgående trådene som katenarier. 

Matematisk er en kjedekurve beskrevet av en hyperbolsk kosinusfunksjon

\(\displaystyle y= a \cosh\left(\frac{x}{a}\right)\)

Figuren viser kjedekurven for forskjellige verdier av a.

Kjedekurver

Imidlertid blir kablene på en hengebru en parabel når de er festet til brokaret, men en catenaria når de henger fritt. 

Funicular (velarkurve, seilkurve) er kurveformen på et firkantet seil i vind som henger mellom to horisontale stenger. Denne kurveformen ble undersøkt av Jacques Bernoulli. 

Katenoide

En katenoide er det tredimensjonale resultatet av rotering av en katenarkurve omkring en akse. 

Katenoide

Katenoide med koordinatene nedenfor og a=8. 

\(\displaystyle x= a\cosh \frac{\phi}{a} \cos \theta\)

\(\displaystyle y= a\cosh \frac{\phi}{a} \sin \theta\)

\(\displaystyle z= \phi\)

 

Litteratur

Apostol, T.M. Calculus (Vol I + II). Blaisdell Publ. Comp. 1962.

R Development Core Team (2011). R: A language and environment for  statistical computing. R Foundation for Statistical Computing,  Vienna, Austria. ISBN 3-900051-07-0, URL http://www.R-project.org/.

Wikipedia

Tilbake til hovedside

Publisert 20. des. 2019 16:07 - Sist endret 12. mai 2020 13:31