="http://www.w3.org/2000/svg" viewBox="0 0 512 512">

8.4 Hyperbolische Funktionen

Wir möchten in diesem kurzen Abschnitt die zu Abschnitt 8.3 analoge Diskussion für die in Abschnitt 7.7.1 eingeführten hyperbolischen Funktionen durchführen. Wir erinnern daran, dass

sinh (x) = e x − e −x 2 ,cosh (x) = e x + e −x 2 ,tanh (x) = sinh (x) cosh (x) = e x − e −x e x + e −x

für alle x ∈ ℝ.

8.4.1 Der Areasinus Hyperbolicus

Nach Übung 8.4 gilt sinh ′(x) = cosh (x) > 0 für alle x ∈ ℝ. Somit ist also nach Korollar 8.35 der Sinus Hyperbolicus streng monoton wachsend. Da lim x→∞sinh (x) = ∞ und lim x→−∞sinh (x) = −∞ gilt, erhalten wir nach dem Zwischenwertsatz 3.58, dass

sinh : ℝ → ℝ

streng monoton wachsend und bijektiv ist. Die Umkehrabbildung

arsinh : ℝ → ℝ

nennen wir den Areasinus Hyperbolicus. Nach dem Satz zur Differenzierbarkeit der inversen Funktion ist arsinh differenzierbar und es gilt für x ∈ ℝ und s = sinh (x)

arsinh ′ (s) = 1 cosh (x) = 1 1 + sinh 2 (x) = 1 1 + s2.

Der Areasinus Hyperbolicus besitzt im Gegensatz zu den Umkehrfunktionen arcsin , arccos und arctan eine geschlossene Form. In der Tat gilt

arsinh (s) = log (s + 1 + s2)

für alle s ∈ ℝ, wobei man beachten sollte, dass der Ausdruck rechts für alle s ∈ ℝ Sinn ergibt. Kurzes Nachrechnen ergibt für s ∈ ℝ und x = log (s + 1 + s2)

e x − e −x 2 = 1 2 (s + 1 + s2 − 1 s + 1 + s2 ) = 1 2 (s + 1 + s2 −s −1 + s2 s2 − 1 − s2 ) = s

wie gewünscht.

8.4.2 Der Areakosinus Hyperbolicus

Der Kosinus Hyperbolicus erfüllt cosh ′(x) = sinh (x) und cosh ″ (x ) = cosh (x) > 0 für alle x ∈ ℝ nach Übung 8.4. Insbesondere ist der Kosinus Hyperbolicus streng konvex nach Korollar 8.42 und hat ein globales Minimum bei 0 nach Korollar 8.37 (wieso?). Für x > 0 gilt cosh ′ (x) > 0 und somit ist cosh auf ℝ≥0 streng monoton wachsend. Da cosh (0) = 1 und lim x→∞cosh (x) = +∞, folgt, dass

cosh : ℝ≥0 → ℝ≥1

streng monoton wachsend und bijektiv ist. Die Umkehrabbildung

arcosh : ℝ≥1 → ℝ≥0

wird der Areakosinus Hyperbolicus genannt, ist auf ℝ>1 differenzierbar und erfüllt

arcosh ′ (s) = 1 sinh (x) = 1 s2 − 1

für s > 1 und s = cosh (x) mit x > 0. Des Weiteren gilt

arcosh (s) = log (s + s2 − 1)

für alle s > 1. Der Nachweis der obigen Eigenschaften des Areakosinus Hyperbolicus und der noch folgenden Eigenschaften überlassen wir Interessierten.

8.4.3 Der Areatangens Hyperbolicus

Der Areatangens Hyperbolicus ist die Umkehrfunktion

artanh : (−1,1) → ℝ,x↦1 2 log (1 + x 1 − x )

der streng monoton wachsenden Bijektion

tanh : ℝ → (−1,1).

Des Weiteren ist nach dem Satz zur inversen Funktion (Satz 8.14) artanh differenzierbar und es gilt

artanh ′ (s) = 1 1 − s2

für alle s ∈ (−1,1).

Übung 8.56.

Verifizieren Sie die oben aufgestellten Behauptungen.

License

Analysis I (Kap. 1-9) Copyright © Manfred Einsiedler. Alle Rechte vorbehalten.

}