Beispiel zu Umkehrfunktionen des Sinus

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1 Beispiel zu Umkehrfunktionen des Sinus Die Funktion f : [ π, π ] [, ], x sin(x) besitzt die Umkehrfunktion f Arcsin (Hauptzweig des Arcussinus). Wir betrachten die beiden Funktionen g : [ 3 π, 5 π] [, ], x sin(x) und h: [ 3 π, π] [, ], x sin(x). Wir konstruieren nun die Umkehrfunktionen g und h mit Hilfe des Hauptzweigs f Arcsin. Die Funktion g geht aus f durch Verschieben um π nach rechts hervor, h durch Spiegeln an der Geraden x π. Da f bijektiv ist, sind es g und h auch. Deshalb existieren g und h. Für jedes x [ 3 π, 5 π] gilt aufgrund der π-periodizität des Sinus y : g(x) sin x sin(x π [ π, π ] ) f(x π). Daher sind x g (y) und x π f (y), woraus g (y) f (y) + π folgt. Also Für x [ 3 π, π] erhalten wir g : [, ] [ 3 π, 5 π], y Arcsin(y) + π. y : h(x) sin x ( ) sin( x + π [ π, π ] ) f(x + π). [Die Gleichheit in ( ) folgt aus geometrischen Überlegungen oder mit Hilfe des Additionstheorems: sin(x + π) sin(x) cos(π) + cos(x) sin(π) sin x.] Also ist einerseits x h (y) und andererseits x + π f ( y). Zusammen folgt h (y) f ( y) π f (y) π, weil f eine ungerade Funktion ist, denn für y f(x) gilt f ( y) f ( f(x)) f ungerade f (f( x)) x f (y). Also ist die Umkehrfunktion zu h gegeben durch h : [, ] [ 3 π, π], y Arcsin(y) π. Schaubilder: siehe nächste Seite.

2 Schaubilder von f (blau), g (rot), h (grün) (schwarz: sin : R [, ]) Schaubilder von f (blau), g (rot), h (grün)

3 Cosinus hyperbolicus und Sinus hyperbolicus Die Funktionen Cosinus hyperbolicus und Sinus hyperbolicus sind definiert durch cosh: R R, x (ex + e x ), sinh: R R, x (ex e x ). Wir werden die folgenden Eigenschaften der beiden Funktionen zeigen.. Potenzreihenentwicklung um 0: cosh(x) sinh(x) n0 n0. Formeln (für alle x, y R) x n (n)! + x + x4 4! + x6 6! +..., x n+ (n + )! x + x3 3! + x5 5! + x7 7! i) cosh( x) cosh(x) ; sinh( x) sinh(x) ; ii) cosh (x) sinh (x) ; iii) cosh(x + y) cosh(x) cosh(y) + sinh(x) sinh(y) ; sinh(x + y) sinh(x) cosh(y) + cosh(x) sinh(y). 3. Monotonie und asymptotisches Verhalten: Auf (, 0] ist die Funktion cosh streng monoton fallend. Auf [0, ) ist die Funktion cosh streng monoton wachsend. Die Funktion sinh ist auf R streng monoton wachsend. 4. Umkehrfunktionen von cosh und sinh: Areacosinus und Areasinus. 5. Zusammenhang zwischen cosh (und sinh) und cos und sin: Für jedes x R gilt cosh(x) cos(ix), sinh(x) i sin(ix). 6. Schaubilder. 3

4 Zu.) Für jedes x R sind die Potenzreihen e x k! xk und e x k! ( x)k ( ) k (absolut) konvergent, daher konvergieren nach Satz 3 in 8. auch deren Summe bzw. Differenz: cosh(x) ( ( ) k ) ( k! xk + x k ( + ( ) k ) ) x k nk x n k! k! (n)!, n0 sinh(x) ( ( ) k ) ( k! xk x k ( ( ) k ) ) x k nk+ x n+ k! k! (n + )!. Insbesondere ist der Konvergenzradius dieser Potenzreihen. Zu.) Für alle x, y R gilt i) ii) iii) cosh( x) (e x + e ( x) ) cosh x ; sinh( x) (e x e ( x) ) sinh x ; (d.h. cosh ist eine gerade und sinh eine ungerade Funktion) cosh (x) sinh (x) ( (ex + e x ) ) ( (ex e x ) ) k! x k n0 4( (e x + e 0 + e x ) (e x e 0 + e x ) ) 4 4e0 ; cosh(x) cosh(y) + sinh(x) sinh(y) (ex + e x ) (ey + e y ) + (ex e x ) (ey e y ) 4 (ex+y + e x y + e x+y + e x y ) + 4 (ex+y e x y e x+y + e x y ) (ex+y + e (x+y) ) cosh(x + y) ; sinh(x) cosh(y) + cosh(x) sinh(y) (ex e x ) (ey + e y ) + (ex + e x ) (ey e y ) 4 (ex+y + e x y e x+y e x y ) + 4 (ex+y e x y + e x+y e x y ) (ex+y e (x+y) ) sinh(x + y). Zu 3.) Beh.: Auf [0, ) ist die Funktion cosh streng monoton wachsend. Für alle 0 x < y gilt e x und e y > und somit e x e <. Außerdem ist e y e x > 0. Daraus ergibt sich dann y < e y e x bzw. e x e y < e y e x bzw. e x + e x < e y + e y, d.h. cosh(x) < cosh(y). e y e x e x e y Beh.: Auf (, 0] ist die Funktion cosh streng monoton fallend. Dies folgt aus.i) zusammen mit dem eben Gezeigten. Für alle x < y 0 gilt nämlich cosh(x) cosh(y).i) cosh( x) cosh( y) 0 y< x > 0. Beh: Die Funktion sinh ist auf R streng monoton wachsend. Dies ergibt sich aus der Monotonie von R R, x e x. Ist nämlich x < y, so haben wir e x < e y und e y < e x wegen y < x. Daraus folgt e x + e y < e y + e x bzw. e x e x < e y e y, also sinh(x) < sinh(y). Wegen e x (x ) und e x 0 (x ) sind lim cosh(x) lim x x (ex + e x ) und lim sinh(x) lim x x (ex e x ). Wegen e x 0 (x ) und e x (x ) sind lim cosh(x) x lim x (ex + e x ) und lim sinh(x) x lim x (ex e x ). 4

5 Zu 4.) Da cosh(0) und cosh auf [0, ) monoton wachsend ist, gilt cosh([0, )) [, ). Aus cosh(0), cosh(n) > en > n n und der Stetigkeit von cosh folgt nach dem Zwischenwertsatz [, n] cosh([0, )) für jedes n N. Daher ist [, ) [, n] n cosh([0, )) cosh([0, )). n Insgesamt haben wir cosh([0, )) [, ) gezeigt. Da die Funktion cosh auf [0, ) streng monoton ist, besitzt cosh auf [0, ) eine Umkehrfunktion cosh([0, )) [0, ). Zu deren Bestimmung lösen wir die Gleichung y cosh(x), wobei x [0, ) und y cosh([0, )) [, ), nach x auf y cosh(x) y ex + e x e x e x y e x + (e x ) e x y (e x ) e x y + y + y (e x y) y e x y y. Wegen e x (ex + e x ) (ex + e x ) cosh(x) y f ur x 0 ist dies äquivalent zu e x y y e x y + y x ln ( y + y ). Daher ist die Umkehrfunktion von cosh: [0, ) [, ) gegeben durch [, ) [0, ), y ln ( y + y ). Diese nennt man Areacosinus und schreibt Arcosh. Auch auf (, 0] ist cosh streng monoton, so dass es eine eindeutig bestimmte Umkehrfunktion cosh((, 0]) (, 0] gibt. Es ist cosh((, 0]) [, ). Wie zuvor erhalten wir für x 0 und y (Diesmal ist e x (ex + e x ) (ex + e x ) cosh(x) y) y cosh(x) e x y y (e x y) y e x y y x ln ( y y ). Also hat cosh: (, 0] [, ) die Umkehrfunktion [, ) (, 0], y ln ( y y ). Da sinh: R R streng monoton wachsend ist und sinh(r) R (Dies kann man mit einem ähnlichen Argument wie bei cosh zeigen) gilt, existiert die Umkehrfunktion von sinh: R R, welche mit Arsinh (Areasinus) bezeichnet wird. Für jedes x R gilt y Arsinh x x sinh y x ey e y e y 0 xe y e y e y xe y x e y e y (e y ) xe y + x x + (e y x) x + e y x x + e y x + x + oder e y x x + > x x <x x0 e y >0 e y x + x + y ln ( x + x + ). Also ist Arsinh: R R, x ln ( x + x + ) die Umkehrfunktion von sinh: R R. Zu 5.) Für jedes x R gilt cosh(x) (ex + e x ) (e i(ix) + e i(ix) ) cos(ix), sinh(x) (ex e x ) i i (e i(ix) e i(ix) ) i sin(ix). 5

6 Zu 6.) Cosinus hyperbolicus (cosh) Sinus hyperbolicus (sinh) 6

7 Areacosinus (Arcosh) Areasinus (Arsinh) 7