複雙曲函數(the complex hyperbolic functions)
雙曲函數 cosh 與 sinh 是指數函數的另一對子女:cosh t = (e^t + e^(-t)) / 2,sinh t = (e^t - e^(-t)) / 2。在實數線上它們描述懸鏈與成長;在複平面上同樣的公式把它們延拓,而它們原來正是三角函數的化身。
對複數 z 定義 cosh z = (e^z + e^(-z)) / 2 與 sinh z = (e^z - e^(-z)) / 2。由於是用 e^z 構造的,它們是整函數,sinh z 的導數是 cosh z,cosh z 的導數是 sinh z,且恆等式 cosh^2 z - sinh^2 z = 1 成立。把它們的公式與三角公式相比,便揭示出乾淨的對照表:cos z = cosh(i z)、sin z = -i sinh(i z),等價地 cosh z = cos(i z)、sinh z = -i sin(i z)。換言之,把輸入旋轉一個直角(乘以 i),就把三角的世界與雙曲的世界互換。這正是為什麼複正弦與複餘弦在離開實軸時指數增長:它們其實是側看的雙曲函數。
這張對照表能省下大量功夫。任何雙曲恆等式都是插入了 i 的三角恆等式,反之亦然,因此你永遠不必同時背兩張表。它也解釋了我們拆開 sin(x + i y) 與 cos(x + i y) 時出現的 cosh y 與 sinh y 因子:輸入的虛部正是直接餵給雙曲函數。雙曲函數也帶有由指數函數繼承而來、沿虛軸的 2 pi i 週期性。
在 z = 1 處驗證 cos z = cosh(i z):cosh(i) = (e^i + e^(-i)) / 2 = (cos 1 + i sin 1 + cos 1 - i sin 1) / 2 = cos 1。確實 cos 1 = cosh(i)。
把輸入旋轉 i,就把 cosh 直接帶到 cos 上。
留意對照表中的符號:cos z = cosh(i z) 沒有額外因子,但 sin z = -i sinh(i z) 有。漏掉 -i 是最常見的錯誤。