Die Funktionen lassen sich durch die folgenden Formeln ausdrücken:
Areasinus hyperbolicus:
Definition über den natürlichen Logarithmus
ln
{\displaystyle \ln }
:
arsinh
(
x
)
=
ln
(
x
+
x
2
+
1
)
{\displaystyle \operatorname {arsinh} (x)=\ln \left(x+{\sqrt {x^{2}+1}}\right)}
mit
x
∈
R
{\displaystyle \,x\in \mathbb {R} }
Definition über ein Integral:
arsinh
(
x
)
=
∫
0
1
x
x
2
y
2
+
1
d
y
{\displaystyle \operatorname {arsinh} (x)=\int _{0}^{1}{\frac {x}{\sqrt {x^{2}y^{2}+1}}}\,\mathrm {d} y}
mit
x
∈
R
{\displaystyle \,x\in \mathbb {R} }
Areakosinus hyperbolicus:
arcosh
(
x
)
=
ln
(
x
+
x
2
−
1
)
{\displaystyle \operatorname {arcosh} (x)=\ln \left(x+{\sqrt {x^{2}-1}}\right)}
für
x
≥
1
{\displaystyle x\geq 1}
Graph der Funktion arsinh(x)
Graph der Funktion arcosh(x)
Areasinus hyperbolicus
Areakosinus hyperbolicus
Definitionsbereich
−
∞
<
x
<
+
∞
{\displaystyle -\infty <x<+\infty }
1
≤
x
<
+
∞
{\displaystyle 1\leq x<+\infty }
Wertebereich
−
∞
<
f
(
x
)
<
+
∞
{\displaystyle -\infty <f(x)<+\infty }
0
≤
f
(
x
)
<
+
∞
{\displaystyle 0\leq f(x)<+\infty }
Periodizität
keine
keine
Monotonie
streng monoton steigend
streng monoton steigend
Symmetrien
Punktsymmetrie zum Ursprung, ungerade Funktion
keine
Asymptote
f
(
x
)
→
±
ln
(
2
|
x
|
)
{\displaystyle f(x)\to \pm \ln(2|x|)}
für
x
→
±
∞
{\displaystyle x\to \pm \infty }
f
(
x
)
→
ln
(
2
x
)
{\displaystyle f(x)\to \ln(2x)}
für
x
→
+
∞
{\displaystyle x\to +\infty }
Nullstellen
x
=
0
{\displaystyle x=0}
x
=
1
{\displaystyle x=1}
Sprungstellen
keine
keine
Polstellen
keine
keine
Extrema
keine
keine
Wendepunkte
x
=
0
{\displaystyle x=0}
keine
Wie bei allen trigonometrischen und hyperbolischen Funktionen gibt es auch Reihenentwicklungen. Dabei treten die Doppelfakultät und die Verallgemeinerung des Binomialkoeffizienten auf.
Die Reihenentwicklungen lauten:
arsinh
(
x
)
=
x
∑
k
=
0
∞
(
2
k
−
1
)
!
!
(
−
x
2
)
k
(
2
k
)
!
!
(
2
k
+
1
)
=
∑
k
=
0
∞
(
−
1
2
k
)
x
2
k
+
1
2
k
+
1
=
x
−
1
2
x
3
3
+
1
⋅
3
2
⋅
4
x
5
5
−
1
⋅
3
⋅
5
2
⋅
4
⋅
6
x
7
7
+
⋯
für
|
x
|
<
1
arsinh
(
x
)
=
sgn
(
x
)
⋅
[
ln
(
2
|
x
|
)
−
∑
k
=
1
∞
(
2
k
−
1
)
!
!
2
k
(
2
k
)
!
!
(
−
x
2
)
k
]
für
|
x
|
>
1
arcosh
(
x
)
=
ln
(
2
x
)
−
∑
k
=
1
∞
(
2
k
−
1
)
!
!
2
k
⋅
(
2
k
)
!
!
x
−
2
k
{\displaystyle {\begin{alignedat}{2}\operatorname {arsinh} (x)&=x\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {(2k-1)!!(-x^{2})^{k}}{(2k)!!(2k+1)}}=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {{\binom {-{\frac {1}{2}}}{k}}x^{2k+1}}{2k+1}}&{}\\&=x-{\frac {1}{2}}{\frac {x^{3}}{3}}+{\frac {1\cdot 3}{2\cdot 4}}{\frac {x^{5}}{5}}-{\frac {1\cdot 3\cdot 5}{2\cdot 4\cdot 6}}{\frac {x^{7}}{7}}+\cdots &{\text{ für }}|x|<1\\\operatorname {arsinh} (x)&=\operatorname {sgn} (x)\cdot \left[\ln(2|x|)-\sum _{k=1}^{\infty }{\frac {(2k-1)!!}{2k(2k)!!(-x^{2})^{k}}}\right]&{\text{ für }}|x|>1\\\operatorname {arcosh} (x)&=\ln(2x)-\sum _{k=1}^{\infty }{\frac {(2k-1)!!}{2k\cdot (2k)!!}}x^{-2k}&{}\end{alignedat}}}
Reguläre Areafunktionen arsinh und arcosh
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Die Ursprungsstammfunktion des Areasinus hyperbolicus lautet wie folgt:
∫
0
x
arsinh
(
y
)
d
y
=
x
⋅
arsinh
(
x
)
−
x
2
+
1
{\displaystyle \int _{0}^{x}\operatorname {arsinh} (y)\ \mathrm {d} y=x\cdot \operatorname {arsinh} (x)-{\sqrt {x^{2}+1}}}
Somit gilt:
d
d
x
[
x
⋅
arsinh
(
x
)
−
x
2
+
1
]
=
arsinh
(
x
)
{\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} x}}{\bigl [}x\cdot \operatorname {arsinh} (x)-{\sqrt {x^{2}+1}}{\bigr ]}=\operatorname {arsinh} (x)}
Die durch den Punkt (1|0) verlaufende Stammfunktion und des Areakosinus hyperbolicus lautet so:
∫
1
x
arcosh
(
y
)
d
y
=
x
⋅
arcosh
(
x
)
−
x
2
−
1
{\displaystyle \int _{1}^{x}\operatorname {arcosh} (y)\ \mathrm {d} y=x\cdot \operatorname {arcosh} (x)-{\sqrt {x^{2}-1}}}
Somit gilt:
d
d
x
[
x
⋅
arcosh
(
x
)
−
x
2
−
1
]
=
arcosh
(
x
)
{\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} x}}{\bigl [}x\cdot \operatorname {arcosh} (x)-{\sqrt {x^{2}-1}}{\bigr ]}=\operatorname {arcosh} (x)}
Die Ursprungsstammfunktion des kardinalischen Areasinus Hyperbolicus ist dilogarithmisch beschaffen:
∫
0
x
1
y
arsinh
(
y
)
d
y
=
1
2
Li
2
[
1
−
(
x
2
+
1
−
x
)
2
]
+
1
2
arsinh
(
x
)
2
{\displaystyle \int _{0}^{x}{\frac {1}{y}}\operatorname {arsinh} (y)\,\mathrm {d} y={\frac {1}{2}}\operatorname {Li} _{2}{\bigl [}1-{\bigl (}{\sqrt {x^{2}+1}}-x{\bigr )}^{2}{\bigr ]}+{\frac {1}{2}}\operatorname {arsinh} (x)^{2}}
Eng verwandt sind diese Ursprungsstammfunktionen aus den Abwandlungen des Areasinus Hyperbolicus Cardinalis:
∫
0
x
arsinh
(
y
)
y
y
2
+
1
d
y
=
2
Li
2
(
x
x
2
+
1
+
1
)
−
1
2
Li
2
(
x
2
+
1
−
1
x
2
+
1
+
1
)
{\displaystyle \int _{0}^{x}{\frac {\operatorname {arsinh} (y)}{y\,{\sqrt {y^{2}+1}}}}\,\mathrm {d} y=2\operatorname {Li} _{2}{\biggl (}{\frac {x}{{\sqrt {x^{2}+1}}+1}}{\biggr )}-{\frac {1}{2}}\operatorname {Li} _{2}{\biggl (}{\frac {{\sqrt {x^{2}+1}}-1}{{\sqrt {x^{2}+1}}+1}}{\biggr )}}
∫
0
x
arsinh
(
y
)
y
(
y
2
+
1
)
d
y
=
Li
2
(
x
x
2
+
1
)
−
1
4
Li
2
(
x
2
x
2
+
1
)
=
{\displaystyle \int _{0}^{x}{\frac {\operatorname {arsinh} (y)}{y\,(y^{2}+1)}}\,\mathrm {d} y=\operatorname {Li} _{2}{\biggl (}{\frac {x}{\sqrt {x^{2}+1}}}{\biggr )}-{\frac {1}{4}}\operatorname {Li} _{2}{\biggl (}{\frac {x^{2}}{x^{2}+1}}{\biggr )}=}
=
Li
2
[
1
−
(
x
2
+
1
−
x
)
2
]
−
1
4
Li
2
[
1
−
(
x
2
+
1
−
x
)
4
]
{\displaystyle =\operatorname {Li} _{2}{\bigl [}1-{\bigl (}{\sqrt {x^{2}+1}}-x{\bigr )}^{2}{\bigr ]}-{\frac {1}{4}}\operatorname {Li} _{2}{\bigl [}1-{\bigl (}{\sqrt {x^{2}+1}}-x{\bigr )}^{4}{\bigr ]}}
Die Integrale der Kehrwerte von Areasinus Hyperbolicus und Areakosinus Hyperbolicus beinhalten die Integralhyperbelfunktionen und sind somit nicht elementar darstellbar.
Die Ursprungsstammfunktion des reziproken Kardinalischen Areasinus Hyperbolicus ist direkt die Hälfte vom Integralsinus Hyperbolicus vom Doppelten des Areasinus Hyperbolicus:
∫
0
x
y
arsinh
(
y
)
d
y
=
1
2
Shi
[
2
arsinh
(
x
)
]
{\displaystyle \int _{0}^{x}{\frac {y}{\operatorname {arsinh} (y)}}\,\mathrm {d} y={\frac {1}{2}}\operatorname {Shi} {\bigl [}2\operatorname {arsinh} (x){\bigr ]}}
∫
1
x
y
arcosh
(
y
)
d
y
=
1
2
Shi
[
2
arcosh
(
x
)
]
{\displaystyle \int _{1}^{x}{\frac {y}{\operatorname {arcosh} (y)}}\,\mathrm {d} y={\frac {1}{2}}\operatorname {Shi} {\bigl [}2\operatorname {arcosh} (x){\bigr ]}}
∫
1
x
1
arcosh
(
y
)
d
y
=
Shi
[
arcosh
(
x
)
]
{\displaystyle \int _{1}^{x}{\frac {1}{\operatorname {arcosh} (y)}}\,\mathrm {d} y=\operatorname {Shi} {\bigl [}\operatorname {arcosh} (x){\bigr ]}}
Das Integral aus dem Kehrwert des Areasinus Hyperbolicus ist eine Komposition aus dem Integralkosinus Hyperbolicus:
∫
1
x
1
arsinh
(
y
)
d
y
=
Chi
[
arsinh
(
x
)
]
−
Chi
[
arsinh
(
1
)
]
{\displaystyle \int _{1}^{x}{\frac {1}{\operatorname {arsinh} (y)}}\,\mathrm {d} y=\operatorname {Chi} {\bigl [}\operatorname {arsinh} (x){\bigr ]}-\operatorname {Chi} {\bigl [}\operatorname {arsinh} (1){\bigr ]}}
Dabei sind die Integralhyperbelfunktionen so definiert:
Shi
(
x
)
=
∫
0
1
1
y
sinh
(
x
y
)
d
y
{\displaystyle \operatorname {Shi} (x)=\int _{0}^{1}{\frac {1}{y}}\sinh(xy)\,\mathrm {d} y}
Chi
(
x
)
=
γ
+
ln
|
x
|
+
∫
0
1
1
y
[
cosh
(
x
y
)
−
1
]
d
y
{\displaystyle \operatorname {Chi} (x)=\gamma +\ln |x|+\int _{0}^{1}{\frac {1}{y}}{\bigl [}\cosh(xy)-1{\bigr ]}\,\mathrm {d} y}
Folgende bestimmten Integrale aus den Produkten des Areasinus Hyperbolicus sind gültig:
∫
0
1
/
2
1
x
arsinh
(
x
)
d
x
=
π
2
20
{\displaystyle \int _{0}^{1/2}{\frac {1}{x}}\operatorname {arsinh} (x)\,\mathrm {d} x={\frac {\pi ^{2}}{20}}}
∫
0
∞
arsinh
(
x
)
x
x
2
+
1
d
x
=
π
2
4
{\displaystyle \int _{0}^{\infty }{\frac {\operatorname {arsinh} (x)}{x{\sqrt {x^{2}+1}}}}\,\mathrm {d} x={\frac {\pi ^{2}}{4}}}
∫
0
∞
arsinh
(
x
)
x
(
x
2
+
1
)
d
x
=
π
2
8
{\displaystyle \int _{0}^{\infty }{\frac {\operatorname {arsinh} (x)}{x(x^{2}+1)}}\,\mathrm {d} x={\frac {\pi ^{2}}{8}}}
Folgende bestimmten Integrale aus den Produkten vom Kehrwert des Areasinus Hyperbolicus sind gültig:
∫
0
∞
x
(
x
2
+
1
)
3
/
2
arsinh
(
x
)
d
x
=
4
G
π
{\displaystyle \int _{0}^{\infty }{\frac {x}{(x^{2}+1)^{3/2}\operatorname {arsinh} (x)}}\,\mathrm {d} x={\frac {4\,G}{\pi }}}
∫
0
∞
x
(
x
2
+
1
)
2
arsinh
(
x
)
d
x
=
7
ζ
(
3
)
π
2
{\displaystyle \int _{0}^{\infty }{\frac {x}{(x^{2}+1)^{2}\operatorname {arsinh} (x)}}\,\mathrm {d} x={\frac {7\,\zeta (3)}{\pi ^{2}}}}
Der Buchstabe G stellt die Catalan-Konstante und der Ausdruck
ζ
(
3
)
{\displaystyle \zeta (3)}
stellt die Apéry-Konstante dar.
arsinh
u
±
arsinh
v
=
arsinh
(
u
1
+
v
2
±
v
1
+
u
2
)
{\displaystyle \operatorname {arsinh} u\pm \operatorname {arsinh} v=\operatorname {arsinh} \left(u{\sqrt {1+v^{2}}}\pm v{\sqrt {1+u^{2}}}\right)}
arcosh
u
±
arcosh
v
=
arcosh
(
u
v
±
(
u
2
−
1
)
(
v
2
−
1
)
)
{\displaystyle \operatorname {arcosh} u\pm \operatorname {arcosh} v=\operatorname {arcosh} \left(uv\pm {\sqrt {(u^{2}-1)(v^{2}-1)}}\right)}
arsinh
u
+
arcosh
v
=
arsinh
(
u
v
+
(
1
+
u
2
)
(
v
2
−
1
)
)
=
arcosh
(
v
1
+
u
2
+
u
v
2
−
1
)
{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {arsinh} u+\operatorname {arcosh} v&=\operatorname {arsinh} \left(uv+{\sqrt {(1+u^{2})(v^{2}-1)}}\right)\\&=\operatorname {arcosh} \left(v{\sqrt {1+u^{2}}}+u{\sqrt {v^{2}-1}}\right)\end{aligned}}}
arcosh
(
2
x
2
−
1
)
=
2
arcosh
(
x
)
für
x
≥
1
arcosh
(
4
x
3
−
3
x
)
=
3
arcosh
(
x
)
für
x
≥
1
arcosh
(
8
x
4
−
8
x
2
+
1
)
=
4
arcosh
(
x
)
für
x
≥
1
arcosh
(
16
x
3
−
20
x
3
+
5
x
)
=
5
arcosh
(
x
)
für
x
≥
1
arcosh
(
2
x
2
+
1
)
=
2
arsinh
(
x
)
für
x
≥
0
arsinh
(
4
x
3
+
3
x
)
=
3
arsinh
(
x
)
für
x
∈
R
arcosh
(
8
x
4
+
8
x
2
+
1
)
=
4
arsinh
(
x
)
für
x
≥
0
arsinh
(
16
x
5
+
20
x
3
+
5
x
)
=
5
arsinh
(
x
)
für
x
∈
R
{\displaystyle {\begin{aligned}\operatorname {arcosh} (2x^{2}-1)=2\operatorname {arcosh} (x)\qquad {\text{ für }}x\geq 1\\\operatorname {arcosh} (4x^{3}-3x)=3\operatorname {arcosh} (x)\qquad {\text{ für }}x\geq 1\\\operatorname {arcosh} (8x^{4}-8x^{2}+1)=4\operatorname {arcosh} (x)\qquad {\text{ für }}x\geq 1\\\operatorname {arcosh} (16x^{3}-20x^{3}+5x)=5\operatorname {arcosh} (x)\qquad {\text{ für }}x\geq 1\\\operatorname {arcosh} (2x^{2}+1)=2\operatorname {arsinh} (x)\qquad {\text{ für }}x\geq 0\\\operatorname {arsinh} (4x^{3}+3x)=3\operatorname {arsinh} (x)\qquad {\text{ für }}x\in \mathbb {R} \\\operatorname {arcosh} (8x^{4}+8x^{2}+1)=4\operatorname {arsinh} (x)\qquad {\text{ für }}x\geq 0\\\operatorname {arsinh} (16x^{5}+20x^{3}+5x)=5\operatorname {arsinh} (x)\qquad {\text{ für }}x\in \mathbb {R} \end{aligned}}}
Grundsätzlich kann der Areasinus hyperbolicus über die bekannte Formel
arsinh
(
x
)
=
ln
(
x
+
x
2
+
1
)
{\displaystyle \operatorname {arsinh} (x)=\ln \left(x+{\sqrt {x^{2}+1}}\right)}
berechnet werden, wenn die natürliche Logarithmusfunktion
ln
x
{\displaystyle \ln x}
zur Verfügung steht. Es gibt jedoch folgende Probleme:
Große, positive Operanden lösen einen Überlauf aus, obwohl das Endergebnis immer darstellbar ist.
Für Operanden nahe an 0 kommt es zu einer numerischen Auslöschung, womit das Ergebnis ungenau wird.
Zunächst einmal soll der Operand
x
{\displaystyle x}
positiv gemacht werden:
arsinh
x
=
−
arsinh
(
−
x
)
{\displaystyle \operatorname {arsinh} x=-\operatorname {arsinh} (-x)}
für
x
<
0
{\displaystyle x<0}
angewandt.
Für
x
≥
0
{\displaystyle x\geq 0}
können dann folgende Fälle unterschieden werden:
Fall 1:
x
{\displaystyle x}
ist eine große, positive Zahl mit
x
≥
10
k
2
{\displaystyle x\geq {10}^{\frac {k}{2}}}
:
arsinh
x
=
ln
2
+
ln
x
,
{\displaystyle \operatorname {arsinh} x=\ln {2}+\ln {x},}
wobei
k
{\displaystyle k}
die Anzahl der signifikanten Dezimalziffern des verwendeten Zahlentyps ist, was zum Beispiel beim 64-Bit-Gleitkommatyp double 16 ist.
Diese Formel ergibt sich aus folgender Überlegung:
10
k
{\displaystyle {10}^{k}}
ist die kleinste positive Zahl, ab der die letzte Vorkommastelle nicht mehr gespeichert ist, weshalb
10
k
+
1
≈
10
k
{\displaystyle {10}^{k}+{1}\approx {10}^{k}}
gilt. Jetzt soll dasjenige
x
{\displaystyle x}
berechnet werden, ab dem gilt:
x
2
+
1
≈
x
2
{\displaystyle x^{2}+1\approx {x}^{2}}
. Dies gilt für
x
2
≥
10
k
{\displaystyle {x}^{2}\geq {10}^{k}}
, woraus
x
≥
10
k
2
{\displaystyle {x}\geq {10}^{\frac {k}{2}}}
folgt. Somit kann man in der bekannten Formel für den Areasinus hyperbolicus
x
2
+
1
{\displaystyle x^{2}+1}
durch
x
2
{\displaystyle x^{2}}
ersetzen:
arsinh
(
x
)
=
ln
(
x
+
x
2
+
1
)
{\displaystyle \operatorname {arsinh} (x)=\ln \left(x+{\sqrt {x^{2}+1}}\right)}
≈
ln
(
x
+
x
2
)
=
ln
(
2
x
)
=
ln
2
+
ln
x
{\displaystyle \ln(x+{\sqrt {x^{2}}})=\ln({2x})=\ln {2}+\ln {x}}
Fall 2:
x
{\displaystyle x}
ist nahe an 0, z. B. für
x
<
0,125
{\displaystyle x<0{,}125}
:
Verwendung der Taylorreihe:
arsinh
x
=
x
−
1
2
x
3
3
+
1
⋅
3
2
⋅
4
x
5
5
−
1
⋅
3
⋅
5
2
⋅
4
⋅
6
x
7
7
+
⋯
{\displaystyle \operatorname {arsinh} x=x-{\frac {1}{2}}{\frac {x^{3}}{3}}+{\frac {1\cdot 3}{2\cdot 4}}{\frac {x^{5}}{5}}-{\frac {1\cdot 3\cdot 5}{2\cdot 4\cdot 6}}{\frac {x^{7}}{7}}+\dotsb }
Fall 3: Alle übrigen
x
{\displaystyle x}
:
arsinh
(
x
)
=
ln
(
x
+
x
2
+
1
)
{\displaystyle \operatorname {arsinh} (x)=\ln \left(x+{\sqrt {x^{2}+1}}\right)}
In gleicher Weise kann der Areacosinus hyperbolicus über die Formel
arcosh
(
x
)
=
ln
(
x
+
x
2
−
1
)
{\displaystyle \operatorname {arcosh} (x)=\ln \left(x+{\sqrt {x^{2}-1}}\right)}
berechnet werden. Auch hier entsteht jedoch das Problem mit den großen Operanden; die Lösung ist dieselbe wie beim Areasinus:
Fall 1:
x
{\displaystyle x}
ist eine große positive Zahl mit
x
≥
10
k
2
{\displaystyle x\geq {10}^{\frac {k}{2}}}
:
arcosh
x
=
ln
2
+
ln
x
,
{\displaystyle \operatorname {arcosh} x=\ln {2}+\ln {x},}
wobei
k
{\displaystyle k}
die Anzahl der signifikanten Dezimalziffern des verwendeten Zahlentyps ist.
Fall 2:
x
<
1
{\displaystyle x<1}
:
Das Ergebnis ist nicht definiert.
Fall 3: Alle übrigen
x
{\displaystyle x}
, d. h. für
1
≤
x
<
10
k
2
{\displaystyle 1\leq x<{10}^{\frac {k}{2}}}
:
arcosh
(
x
)
=
ln
(
x
+
x
2
−
1
)
{\displaystyle \operatorname {arcosh} (x)=\ln \left(x+{\sqrt {x^{2}-1}}\right)}