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【趣味数学题】 复变双曲-三角函数

2021-08-20 14:25 作者:AoiSTZ23  | 我要投稿

郑涛Tao Steven Zheng)著

内容提要:这道题目探索复变三角函数(complex trigonometric functions)与双曲函数(hyperbolic functions)之间的关系。

【问题】

使用欧拉公式(Euler's formula) e%5E%7Bi%5Ctheta%7D%20%3D%20%5Ccos(%5Ctheta)%20%2B%20i%5Csin(%5Ctheta)%20 来证明以下复变三角函数恒定式(complex trigonometric identities):

%5Ccos(ix)%20%3D%20%5Ccosh(x)

%20%5Csin(ix)%20%3D%20i%5Csinh(x)

%5Ctan(ix)%20%3D%20i%5Ctanh(x)



【题解】

我们首先用欧拉公式(Euler's formula) e%5E%7Bi%5Ctheta%7D%20%3D%20%5Ccos(%5Ctheta)%20%2B%20i%5Csin(%5Ctheta)%20 可以推得

e%5E%7Bi(ix)%7D%20%3D%20%5Ccos(ix)%20%2B%20i%5Csin(ix)

e%5E%7B-x%7D%20%3D%20%5Ccos(ix)%20%2B%20i%5Csin(ix)


e%5E%7Bi(-ix)%7D%20%3D%20%5Ccos(-ix)%20%2B%20i%5Csin(-ix)

e%5E%7Bx%7D%20%3D%20%5Ccos(ix)%20-%20i%5Csin(ix)%20

记得 %5Ccos%7B(-%5Ctheta)%7D%20%3D%20%5Ccos%7B(%5Ctheta)%7D%5Csin%7B(-%5Ctheta)%7D%20%3D%20-%5Csin%7B(%5Ctheta)%7D


e%5E%7Bx%7De%5E%7B-x%7D%20 加起来等于

e%5E%7Bx%7D%20%2B%20e%5E%7B-x%7D%20%3D%202%5Ccos(ix)

e%5E%7Bx%7D 减去 e%5E%7B-x%7D%20

e%5E%7Bx%7D%20-%20e%5E%7B-x%7D%20%3D%20-2i%5Csin(ix)


因此,

%5Ccos(ix)%20%3D%20%5Cfrac%7Be%5E%7Bx%7D%20%2B%20e%5E%7B-x%7D%7D%7B2%7D

%5Csin(ix)%20%3D%20%5Cfrac%7Be%5E%7Bx%7D%20-%20e%5E%7B-x%7D%7D%7B-2i%7D%20%3D%20%5Cfrac%7Bi(e%5E%7Bx%7D%20-%20e%5E%7B-x%7D)%7D%7B2%7D%20


由于 %5Ccosh(x)%20%3D%20%5Cfrac%7Be%5E%7Bx%7D%20%2B%20e%5E%7B-x%7D%7D%7B2%7D%20%5Csinh(x)%20%3D%20%20%5Cfrac%7Be%5E%7Bx%7D%20-%20e%5E%7B-x%7D%7D%7B2%7D%20,我们发现

%5Ccos(ix)%20%3D%20%5Ccosh(x)

%5Csin(ix)%20%3D%20i%5Csinh(x)


由于 %5Ctan(ix)%20%3D%20%5Cfrac%7B%5Csin(ix)%7D%7B%5Ccos(ix)%7D%5Ctanh(x)%20%3D%20%5Cfrac%7B%5Csinh(x)%7D%7B%5Ccosh(x)%7D,我们发现

%5Ctan(ix)%20%3D%20%5Cfrac%7Bi%5Csinh(x)%7D%7B%5Ccosh(x)%7D

%5Ctan(ix)%20%3D%20i%5Ctanh(x)


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