本讲义介绍双曲函数,这类函数自然地出现在某些有理函数积分中。双曲函数与三角函数有许多相似的性质,但表现出指数增长的特性。我们将探讨它们的定义、性质和应用。
考虑以下在微积分中频繁出现的积分:
∫x2±a2dx
这些积分在物理和工程中有重要应用,特别是在:
- 悬链线(悬挂链条)的长度
- 钟摆的运动
- 狭义相对论中的问题
它们的解自然地引出了双曲函数。
- coshx≥1 对所有实数 x 成立
- sinhx 是奇函数:sinh(−x)=−sinh(x)
- coshx 是偶函数:cosh(−x)=cosh(x)
- sinhx 类似于 sinx,但当 ∣x∣→∞ 时呈指数增长
- coshx 类似于 cosx,但最小值为 1 且呈指数增长
- tanhx 有水平渐近线 y=±1

第一步. 利用定义:
2ex−e−x=3
第二步. 令 y=ex,则 e−x=y1:
y−y1=6
第三步. 整理为标准形式:
y2−6y−1=0
第四步. 解二次方程:
y=26±36+4=3±10
第五步. 由于 y=ex,且需要 y>0:
x=ln(3+10)
求反函数定义域的步骤:
- 检查原函数是否为一一映射(单射)
- 如果不是,限制定义域使其成为一一映射
- 原函数的值域成为反函数的定义域
- 原函数的定义域成为反函数的值域
例如,coshx 不是一一映射(因为它是偶函数),所以我们将其定义域限制为 [0,∞) 来定义 cosh−1。
对于六个双曲函数中的每一个,确定:
- 该函数在 R 上是否为一一映射
- 如果不是,需要什么样的定义域限制
- 其反函数的定义域
| 函数 | 一一映射? | 需要的限制 | 反函数定义域 |
|---|
| sinhx | 是 | 无 | −∞<x<∞ |
| coshx | 否(偶函数) | x≥0 | x≥1 |
| tanhx | 是 | 无 | −1<x<1 |
| sechx | 否(偶函数) | x≥0 | 0<x≤1 |
| cschx | 否(渐近线) | x<0 或 x>0 | x=0 |
| cothx | 否(渐近线) | x<0 或 x>0 | x<−1 或 x>1 |
说明:
- sinhx:严格递增,反函数对所有 x∈R 存在
- coshx:偶函数,限制为 x≥0,最小值为 1
- tanhx:严格递增,水平渐近线为 y=±1
- sechx:偶函数,限制为 x≥0,0<y≤1
- cschx:在 x=0 处有垂直渐近线,需分别考虑 x<0 和 x>0
- cothx:在 x=0 处有垂直渐近线,水平渐近线为 y=±1

对于任意实数 x:
coshx=cos(ix)
sinhx=−isin(ix)
1. 加法公式:
sinh(x+y)=sinhxcoshy+coshxsinhy
cosh(x+y)=coshxcoshy+sinhxsinhy
2. 倍角公式:
sinh(2x)=2sinhxcoshx
cosh(2x)=cosh2x+sinh2x=2cosh2x−1
3. 类勾股恒等式:
1−tanh2x=sech2x(基本恒等式除以 cosh2x)
coth2x−1=csch2x(基本恒等式除以 sinh2x)
解方程:
7sechx−tanhx=5
答案写成 lna 的形式,其中 a 为有理数。
解答:
方法 1:利用定义
coshx7−coshxsinhx=5
coshx7−sinhx=5
7−sinhx=5coshx
7−2ex−e−x=52ex+e−x
14−(ex−e−x)=5(ex+e−x)
14−ex+e−x=5ex+5e−x
14−6ex−4e−x=0
3e2x−7ex+2=0
令 y=ex,则:
3y2−7y+2=0⇒(3y−1)(y−2)=0
因此 y=31 或 y=2。
因此 x=ln(31) 或 x=ln2。
方法 2:利用 sech2x+tanh2x=1
(7sechx−5)2=tanh2x
49sech2x−70sechx+25=1−sech2x
50sech2x−70sechx+24=0
2(5sechx−3)(5sechx−4)=0
sechx=53 或 54
得到相同答案。
(a) 从 sinhx 和 coshx 的指数定义出发,证明:
cosh2x=1+2sinh2x
解答:
右边=1+2sinh2x=1+2(2ex−e−x)2
=1+2(4e2x−2+e−2x)
=1+2e2x−2+e−2x
=22+e2x−2+e−2x
=2e2x+e−2x
=cosh2x=左边
(b) 解方程:
cosh2x−3sinhx=15
答案用精确对数表示。
解答:
- 利用 (a) 部分:
1+2sinh2x−3sinhx=15
- 整理:
2sinh2x−3sinhx−14=0
- 因式分解:
(sinhx+2)(2sinhx−7)=0
- 因此:
sinhx=−2 或 sinhx=27
- 对于 sinhx=−2:
x=ln(−2+(−2)2+1)=ln(−2+5)
- 对于 sinhx=27:
x=ln(27+(27)2+1)=ln(27+53)
解方程:
5tanhx+7=5sechx
每个答案写成 lnk 的形式,其中 k 为有理数。
解答:
方法 1:利用指数定义
5ex+e−xex−e−x+7=ex+e−x10
5(ex−e−x)+7(ex+e−x)=10
5ex−5e−x+7ex+7e−x=10
12ex+2e−x=10
6e2x−5ex+1=0
令 y=ex,则:
6y2−5y+1=0⇒(3y−1)(2y−1)=0
因此 y=31 或 y=21。
因此 x=ln(31) 或 x=ln(21)。
方法 2:利用 tanh2x+sech2x=1
5tanhx+7=5sechx
5tanhx−5sechx=−7
25tanh2x+70tanhx+49=25sech2x
25tanh2x+70tanhx+49=25(1−tanh2x)
50tanh2x+70tanhx+24=0
2(5tanhx+3)(5tanhx+4)=0
tanhx=−53 或 −54
利用 tanhx=ex+e−xex−e−x=−54:
ex+e−xex−e−x=−54⇒ex=21⇒x=ln(21)
类似地,对于 tanhx=−53:
ex+e−xex−e−x=−53⇒ex=31⇒x=ln(31)
方法 3:利用 sinhx 和 coshx
5sinhx+7coshx=5
5sinhx+7coshx−5=0
24sinh2x+50sinhx+24=0
sinhx=−34 或 −43
利用 sinhx=2ex−e−x:
2ex−e−x=−34⇒ex=31 或 21
得到相同答案。
考虑一根在自身重力作用下悬挂的柔性链条。我们将推导其形状——著名的悬链线 y=acosh(ax)。
建立坐标系:
- x 轴水平,y 轴竖直向上
- ρ = 链条单位长度的质量
- s = 从底部到点 P(x,y) 的弧长
- T = 点 P 处的张力
- Th = 张力的水平分量(沿链条保持恒定)

对于链条的一小段:
- 小段质量 = ρs(与弧长成正比)
- 张力 T 沿曲线切线方向
- Th 保持恒定(关键洞察!)
- θ 是 T 与水平方向的夹角

由力平衡:
Tsinθ=ρsg(竖直力平衡)
Tcosθ=Th(水平力平衡)

对于一小段:
sinθ=dsdy
cosθ=dsdx
将力方程相除:
tanθ=Thρsg=dxdy
令 a=ρgTh,则:
dxdy=as
由微分三角形:
ds2=dx2+dy2因此dxds=1+(dxdy)2
对 dxdy=as 关于 x 求导:
dx2d2y=a1dxds=a11+(dxdy)2
我们已推导出微分方程:
dx2d2y=a11+(dxdy)2
问题: 尝试用以下提示解这个方程:
- 用 p 替换 dxdy。
- arsinh(p) 的导数是 1+p21。(我们将在第三章学习这个。你也可以利用 arsinh(p) 的定义自行证明。)
- sinh(x) 的导数是 cosh(x)。(我们也将在第三章学习这个。你也可以利用 sinh(x) 和 cosh(x) 的指数定义自行证明。)
解答:
- 利用关于 arsinh(p) 的提示,可以直接积分:
arsinh(p)=ax+C1
- 因此:
p=sinh(ax+C1)
- 由于 p=dxdy,可以将 C1 吸收到坐标原点的选择中:
dxdy=sinh(ax)
- 再次积分:
y=acosh(ax)+C2
这是悬链线的一般方程,其中:
- a 决定曲线的”尺度”
- C2 将曲线沿竖直方向平移
- 证明任意点处的张力为:
T=Thcosh(ax)
- 研究: 为什么悬索桥呈抛物线形状而不是悬链线?(提示:考虑荷载如何分布)