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雙曲正切函數

鎖定
雙曲正切函數(hyperbolic tangent function)是雙曲函數的一種。雙曲正切函數在數學語言上一般寫作tanh,也可簡寫成th。與三角函數一樣,雙曲函數也分為雙曲正弦、雙曲餘弦、雙曲正切、雙曲餘切、雙曲正割、雙曲餘割6種,雙曲正切函數便是其中之一。
與正切函數類似,雙曲正切函數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)。
中文名
雙曲正切函數
外文名
hyperbolic tangent function, tanh
縮    寫
th
定    義
雙曲正弦函數(sinh)與雙曲餘弦函數(cosh)的比值
應用學科
數學
性    質
雙曲函數的一種

目錄

雙曲正切函數定義

雙曲正切函數(tanh)是雙曲正弦函數(sinh)與雙曲餘弦函數(cosh)的比值,其解析形式為 [1] 
考慮不等關係:
可知,雙曲正切函數的定義域為實數域
雙曲正切函數 雙曲正切函數

雙曲正切函數運算

導數
雙曲正切的導數是雙曲餘弦的平方的倒數,即:
積分
雙曲正切函數的不定積分有如下形式 [2] 
式中
為常數。
泰勒展開
雙曲正切函數的泰勒展開式為 [3] 
式中
為伯努力數(Bernoulli number)。
反函數
反雙曲正切函數的圖像 反雙曲正切函數的圖像
雙曲正切函數的反函數是反雙曲正切函數,其定義為 [2] 
函數的定義域為開區間(-1,1),它在開區間(-1,1)內是單調增加的奇函數,圖形關於原點對稱。
與其他雙曲函數的關係
除了雙曲正切函數的定義式外,雙曲正切函數還有以下式子。
1、和角公式:
2、差角公式:
(和角公式的推導)
3、二倍角公式:
(和角公式的推導)
4、恆等式:

雙曲正切函數性質

雙曲正切函數有界性

雙曲正切函數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。 [3] 
即雙曲正切函數的值域是(-1,1)。
證明:
時,由於
,則
時,由於
,則

雙曲正切函數奇偶性

雙曲正切函數是奇函數,它的圖形通過原點且關於原點對稱 [3] 
下面是證明:首先明確雙曲正切函數的定義域是
得出
,則證明出雙曲正切函數為奇函數。

雙曲正切函數週期性

雙曲正切函數的圖像 雙曲正切函數的圖像 [3]
無論是雙曲正切函數y=tanhx,還是雙曲正弦函數y=sinhx、雙曲餘弦函數y=coshx,它們都不是週期函數。 [4] 

雙曲正切函數單調性

雙曲正切函數在區間
內是單調增加的。 [3] 
證明如下:
對雙曲正切函數求導。
得出雙曲正切函數的導數為:
。而無論x取何值,雙曲餘弦函數的值始終大於等於1,得出x在
內大於0,單調遞增。

雙曲正切函數凹凸性

雙曲正切函數的圖像 雙曲正切函數的圖像
雙曲正切函數在
上是凹函數,在
上是凸函數 [4] 
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,那麼
(1)若在(a,b)內
,則f(x)在[a,b]上的圖形是凹的。
(2)若在(a,b)內
,則f(x)在[a,b]上的圖形是凸的。
則給雙曲餘弦函數二次求導,得
而雙曲餘弦函數恆大於0,而雙曲正弦函數在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。
參考資料
  • 1.    .華師大二附中實驗班用教材:上海教育出版社,2015-07-01
  • 2.    .高中數學公式定律:湖南師範大學出版社,2015-03-01
  • 3.    同濟大學數學系.《高等數學》第六版 上冊.北京:高等教育出版社,2007:18
  • 4.    .高中數學教材(人教版):人民教育出版社,2007-02-01