雙曲正切函式

雙曲正切函式

雙曲正切函式(hyperbolic tangent function)是雙曲函式的一種。雙曲正切函式在數學語言上一般寫作tanh,也可簡寫成th。與三角函式一樣,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6種,雙曲正切函式便是其中之一。 與正切函式類似,雙曲正切函式在計算上等於雙曲正弦與雙曲餘弦的比值,即tanh(x)=sinh(x)/cosh(x)。

基本信息

定義

雙曲正切函式(tanh)是雙曲正弦函式(sinh)與雙曲餘弦函式(cosh)的比值,其解析形式為 :

雙曲正切函式 雙曲正切函式
雙曲正切函式 雙曲正切函式
雙曲正切函式 雙曲正切函式

考慮不等關係:可知,雙曲正切函式的定義域為實數域。

運算

導數

雙曲的導數是雙曲餘弦的平方的倒數,即:

雙曲正切函式 雙曲正切函式

積分

雙曲正切函式的不定積分有如下形式 :

雙曲正切函式 雙曲正切函式
雙曲正切函式 雙曲正切函式

式中為常數。

泰勒展開

雙曲正切函式的泰勒展開式為 :

雙曲正切函式 雙曲正切函式
雙曲正切函式 雙曲正切函式

式中為伯努力數(Bernoulli number)。

反函式

反雙曲正切函式的圖像 反雙曲正切函式的圖像

雙曲正切函式的反函式是反雙曲正切函式,其定義為 :

雙曲正切函式 雙曲正切函式

函式的定義域為開區間(-1,1),它在開區間(-1,1)內是單調增加的奇函式,圖形關於原點對稱。

與其他雙曲函式的關係

除了雙曲正切函式的定義式外,雙曲正切函式還有以下式子。

雙曲正切函式 雙曲正切函式

1、和角公式:

雙曲正切函式 雙曲正切函式

2、差角公式:(和角公式的推導)

雙曲正切函式 雙曲正切函式

3、二倍角公式:(和角公式的推導)

雙曲正切函式 雙曲正切函式

4、恆等式:

性質

有界性

雙曲正切函式的圖形夾在水平直線y=1及y=-1之間,且當x的絕對值很大時,它的圖形在第一象限內接近於直線y=1,而在第三象限內接近於直線y=-1。

即雙曲正切函式的值域是(-1,1)。

雙曲正切函式 雙曲正切函式

證明:

雙曲正切函式 雙曲正切函式
雙曲正切函式 雙曲正切函式
雙曲正切函式 雙曲正切函式

當 時,由於 ,則 。

雙曲正切函式 雙曲正切函式
雙曲正切函式 雙曲正切函式
雙曲正切函式 雙曲正切函式

當 時,由於 ,則 。

奇偶性

雙曲正切函式是奇函式,它的圖形通過原點且關於原點對稱 。

雙曲正切函式 雙曲正切函式

下面是證明:首先明確雙曲正切函式的定義域是 。

雙曲正切函式 雙曲正切函式

雙曲正切函式 雙曲正切函式

雙曲正切函式 雙曲正切函式

得出,則證明出雙曲正切函式為奇函式。

周期性

雙曲正切函式的圖像 雙曲正切函式的圖像

無論是雙曲正切函式y=tanhx,還是雙曲正弦函式y=sinhx、雙曲餘弦函式y=coshx,它們都不是周期函式。

單調性

雙曲正切函式 雙曲正切函式

雙曲正切函式在區間 內是單調增加的。

證明如下:

對雙曲正切函式求導。

雙曲正切函式 雙曲正切函式
雙曲正切函式 雙曲正切函式

雙曲正切函式 雙曲正切函式
雙曲正切函式 雙曲正切函式

得出雙曲正切函式的導數為: 。而無論x取何值,雙曲餘弦函式的值始終大於等於1,得出x在 內大於0,單調遞增。

凹凸性

雙曲正切函式的圖像 雙曲正切函式的圖像
雙曲正切函式 雙曲正切函式
雙曲正切函式 雙曲正切函式

雙曲正切函式在 上是凹函式,在 上是凸函式 。

根據定理:設f(x)在[a,b]上連續,在(a,b)內具有一階和二階導數,那么

雙曲正切函式 雙曲正切函式

(1)若在(a,b)內 ,則f(x)在[a,b]上的圖形是凹的。

雙曲正切函式 雙曲正切函式

(2)若在(a,b)內 ,則f(x)在[a,b]上的圖形是凸的。

雙曲正切函式 雙曲正切函式

則給雙曲餘弦函式二次求導,得

而雙曲餘弦函式恆大於0,而雙曲正弦函式在x<0時,它的值小於0,x>0時,它的值大於0,即得出上述結論。

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