cis函數
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cis函數 | |
性質 | |
奇偶性 | N/A |
定義域 | (-∞,∞) |
到達域 | |cisx|=1,cisx∈C=1,,operatorname cis xin mathbb C |
周期 | 2π |
特定值 | |
當x=0 | 1 |
當x=+∞ | N/A |
當x=-∞ | N/A |
最大值 | 複數無法比大小 |
最小值 | 複數無法比大小 |
其他性質 | |
渐近线 | N/A |
根 | N/A |
臨界點 | N/A |
拐點 | kπ |
不動點 | 0 |
k是一個整數. |
在初等解析學中,cis函數又稱純虛數指數函數,是複變函數的一种,和三角函數類似,其可以使用正弦函數和餘弦函數cis(x) := cos(x) + i sin(x)來定義,是一種實變數複數值函數,其中i為虛數單位,而cis則為cos + i sin的縮寫。
目录
1 概觀
2 性質
3 命名
4 歐拉公式
5 指數定義
6 反函數
7 恆等式
7.1 半形公式
7.2 倍角公式
7.3 冪簡約公式
8 相關函數
8.1 餘cis函數
8.2 雙曲cis函數
8.3 cas函數
9 參見
10 參考文獻
概觀
cis符號最早由威廉·哈密頓在他於1866出版的《Elements of Quaternions》中使用[1],而Irving Stringham在1893出版的《Uniplanar Algebra》
[2][3]
以及James Harkness和Frank Morley在1898出版的《Theory of Analytic Functions》中皆沿用了此一符號
[3][4]
,其利用歐拉公式將三角函數與複平面的指數函數連結起來。
cis函數主要的功能為簡化某些數學表達式,透過cis函數可以使部分數學式能更簡便地表達[1][2][5],例如傅里葉變換和哈特利變換的結合[6][7][8],以及應用在教學上時,因某些因素(如課程安排或課綱需求)因故不能使用指數來表達數學式時,cis函數就能派上用場。
性質
cis函數的定义域是整个实数集,值域是單位複數,絕對值為1的複數。它是周期函数,其最小正周期为2πdisplaystyle 2pi 。其图像关于原点对称。
上述文字稱它以類似三角函數的形式來定義函數的原因是,就如同三角函數,他也算是一種比值,複數和其模的比值:
cisθ=z|z|displaystyle operatorname cis theta =frac z,其中zdisplaystyle z是幅角為θdisplaystyle theta 的複數
因此,當一複數的模為1,其反函數就是幅角(arg函數)。
cisdisplaystyle operatorname cis 函數可視為求單位複數的函數
cisdisplaystyle operatorname cis 函數的實數部分和餘弦函數相同。
命名
由於cisdisplaystyle operatorname cis 函數的值為「餘弦加上虛數單位倍的正弦」,取其英文縮寫cosine and imaginary unit sine,故以cisdisplaystyle operatorname cis 來表示該函數。
歐拉公式
在數學上,為了簡化歐拉公式eix=cosx+isinx displaystyle e^ix=cos x+isin x ,因此將歐拉公式以類似三角函數的形式來定義函數,給出了cis函數的定義[9][6][5][10][11][7][8][12]:
- cisθ=cosθ+isinθdisplaystyle operatorname cis theta =cos theta +i;sin theta
並且一般定義域為θ∈Rdisplaystyle theta in mathbb R ,,值域為θ∈Cdisplaystyle theta in mathbb C ,。
當θdisplaystyle theta 值為複數時,cisdisplaystyle operatorname cis 函數仍然是有效的,所以有些人可利用cis函數將歐拉公式推廣到更複雜的版本。[13]
指數定義
跟其他三角函數類似,可以用e的指數來表示,依照歐拉公式給出:
cisθ=eiθdisplaystyle operatorname cis theta =e^itheta
反函數
cisdisplaystyle operatorname cis 的反函數: arccisxdisplaystyle operatorname arccis x,當代入模為1的複數時,所得的值是其輻角
類似其他三角函數,cisdisplaystyle operatorname cis 的反函數也可以用自然對數來表示
- arccisx=−ilnxdisplaystyle operatorname arccis ,x=-mathrm i ln x,
當一複數經過符號函數後代入arccisxdisplaystyle operatorname arccis x可得輻角。
恆等式
cisdisplaystyle operatorname cis 函數的倍角公式似乎比三角函數簡單許多
半形公式
- cisθ2=(1+i)+(1−i)cosθsinθdisplaystyle operatorname cis frac theta 2=frac (1+i)+(1-i)cos theta sin theta
- cisθ2=cisθdisplaystyle operatorname cis frac theta 2=sqrt operatorname cis theta
倍角公式
- cis2θ=cis2θdisplaystyle operatorname cis 2theta =operatorname cis ^2theta
- cisnθ=cisnθdisplaystyle operatorname cis ntheta =operatorname cis ^ntheta
冪簡約公式
- cisnθ=cisnθdisplaystyle operatorname cis ^ntheta =operatorname cis ntheta
相關函數
餘cis函數
就如同三角函數,我們可以令:cocisθ=cos(π2−θ)+isin(π2−θ)=sinθ+icosθdisplaystyle operatorname cocis theta =cos left(frac pi 2-theta right)+i;sin left(frac pi 2-theta right)=sin theta +i;cos theta ,其可用於誘導公式來化簡某些特定的cisdisplaystyle operatorname cis 函數的式子。
至於指數定義,經過正弦和餘弦的指數定義得:
- cocisθ=(1−i)eiθ+(1+i)e−iθ2displaystyle operatorname cocis theta =frac (1-i)e^itheta +(1+i)e^-itheta 2
有恆等式:
- cis(−θ)=−icocisθdisplaystyle operatorname cis (-theta )=-ioperatorname cocis theta
- cis(π2−θ)=cocisθdisplaystyle operatorname cis left(frac pi 2-theta right)=operatorname cocis theta
- cis(π2+θ)=icisθdisplaystyle operatorname cis left(frac pi 2+theta right)=ioperatorname cis theta
- cis(π+θ)=−cisθdisplaystyle operatorname cis (pi +theta )=-operatorname cis theta
- cocis(−θ)=icisθdisplaystyle operatorname cocis (-theta )=ioperatorname cis theta
- cocis(π2−θ)=cisθdisplaystyle operatorname cocis left(frac pi 2-theta right)=operatorname cis theta
- cocis(π2+θ)=−icocisθdisplaystyle operatorname cocis left(frac pi 2+theta right)=-ioperatorname cocis theta
- cocis(π+θ)=−cocisθdisplaystyle operatorname cocis (pi +theta )=-operatorname cocis theta
雙曲cis函數
一般會將雙曲cis函數定義成:
- cishθ=eθ=cosh(θ)+sinh(θ)displaystyle operatorname cish theta =e^theta =cosh(theta )+sinh(theta )
定義域和值域皆為實數,但若定義雙曲複數,
考慮數z=x+jydisplaystyle z=x+jy,其中x,ydisplaystyle x,y是實數,而量jdisplaystyle j不是實數,但j2displaystyle j^2是實數。
選取j2=−1displaystyle j^2=-1,得到一般複數。取+1displaystyle +1的話,便得到雙曲複數。
而雙曲複數有對應的歐拉公式:ejθ=cosh(θ)+jsinh(θ)displaystyle e^jtheta =cosh(theta )+jsinh(theta )
- cishθ=cosh(θ)+jsinh(θ)displaystyle operatorname cish theta =cosh(theta )+jsinh(theta )
其中j為雙曲複數。
因此雙曲cis函數得到的值為雙曲複數,相反的若將其反函數帶入模為一的雙曲複數可得其輻角。
如此一來,值域將會變成四元數。
cas函數
cas函數是一個以類似cis函數的概念定義的一個函數,為雷夫·赫特利於1942提出,其定義為cas(x) := cos(x) + sin(x),是一種實變數實值函數,而cas為「cosine-and-sine」的縮寫,其表示了實數值的赫特利變換[14][15]:
- cas(x) = cos(x) + sin(x)
cas函數存在一些恆等式:
- 2cas(a+b)=cas(a)cas(b)+cas(−a)cas(b)+cas(a)cas(−b)−cas(−a)cas(−b).displaystyle 2operatorname cas (a+b)=operatorname cas (a)operatorname cas (b)+operatorname cas (-a)operatorname cas (b)+operatorname cas (a)operatorname cas (-b)-operatorname cas (-a)operatorname cas (-b).,
角和公式:
- cas(a+b)=cos(a)cas(b)+sin(a)cas(−b)=cos(b)cas(a)+sin(b)cas(−a)displaystyle operatorname cas (a+b)=cos(a)operatorname cas (b)+sin(a)operatorname cas (-b)=cos(b)operatorname cas (a)+sin(b)operatorname cas (-a),
微分:
- cas′(a)=ddacas(a)=cos(a)−sin(a)=cas(−a).displaystyle operatorname cas '(a)=frac mathrm d mathrm d aoperatorname cas (a)=cos(a)-sin(a)=operatorname cas (-a).
參見
- 正弦
- 餘弦
- 複數 (數學)
- 三角函数
- 三角函数恆等式
- 歐拉公式
參考文獻
^ 1.01.1 Hamilton, William Rowan. II. Fractional powers, General roots of unity. 写于Dublin. (编) Hamilton, William Edwin. Elements of Quaternions. University Press, Michael Henry Gill, Dublin (printer) 1. London, UK: Longmans, Green & Co. 1866-01-01: 250–257, 260, 262–263 [2016-01-17].[…] cos […] + i sin […] we shall occasionally abridge to the following: […] cis […]. As to the marks […], they are to be considered as chiefly available for the present exposition of the system, and as not often wanted, nor employed, in the subsequent practise thereof; and the same remark applies to the recent abrigdement cis, for cos + i sin […]
([1], [2])
^ 2.02.1 Stringham, Irving. Uniplanar Algebra, being part 1 of a propædeutic to the higher mathematical analysis 1. C. A. Mordock & Co. (printer) 1. San Francisco, US: The Berkeley Press. 1893-07-01: 71–75, 77, 79–80, 82, 84–86, 89, 91–92, 94–95, 100–102, 116, 123, 128–129, 134–135 [1891] [2016-01-18].As an abbreviation for cos θ + i sin θ it is convenient to use cis θ, which may be read: sector of θ.
^ 3.03.1 Cajori, Florian. A History of Mathematical Notations 2 2 (3rd corrected printing of 1929 issue). Chicago, US: Open court publishing company. 1952: 133 [March 1929] [2016-01-18]. ISBN 978-1-60206-714-1. ISBN 1-60206-714-7.Stringham denoted cos β + i sin β by "cis β", a notation also used by Harkness and Morley.
(NB. ISBN and link for reprint of 2nd edition by Cosimo, Inc., New York, US, 2013.)
^ Harkness, James; Morley, Frank. Introduction to the Theory of Analytic Functions 1. London, UK: Macmillan and Company. 1898: 18, 22, 48, 52, 170 [2016-01-18]. ISBN 978-1-16407019-1. ISBN 1-16407019-3. (NB. ISBN for reprint by Kessinger Publishing, 2010.)
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