初等函數:指數、對數、冪與分支切割

複反三角函數(the complex inverse trigonometric functions)

在實數線上,由於 sin 與 cos 會重複,我們把它們限制在某個選定區間上以求反函數。在複平面上同樣的需求也出現,但由於三角函數是用指數函數構造的,它們的反函數可以用對數與平方根明白地寫出來,因而恰好繼承了這些多值函數的分支結構。

從 sin z = (e^(i z) - e^(-i z)) / (2 i) 出發,令 sin w = z。設 u = e^(i w),方程變成二次式 u^2 - 2 i z u - 1 = 0,其解 u = i z + sqrt(1 - z^2) 導出 arcsin z = -i log(i z + sqrt(1 - z^2))。同理 arccos z = -i log(z + sqrt(z^2 - 1)),而 arctan z = (1 / (2 i)) log((i - z) / (i + z)) = (i/2) log((i + z)/(i - z))。反雙曲函數也是同類的表達式:arcsinh z = log(z + sqrt(z^2 + 1))、arccosh z = log(z + sqrt(z^2 - 1))、arctanh z = (1/2) log((1 + z)/(1 - z))。

由於每個公式都含有一個對數(通常還有一個平方根),每個都是多值的,你藉由為對數與方根選定分支來使其單值。分支點來自平方根或對數內部歸零之處:arcsin 與 arccos 的分支點在 z = 1 與 z = -1,而 arctan 的分支點在 z = i 與 z = -i(即 i + z 或 i - z 歸零處)。用主對數與主方根可得主值,之後 arcsin、arccos、arctan 在適當切開的平面上是貨真價實的全純函數。要記住的是:這裡並不需要任何真正新的東西。複反三角函數與反雙曲函數不過是披著三角名稱的對數與平方根,所以它們的支割線正是你已經理解的那種記帳。

arcsin 2(實正弦從不達到的值):arcsin 2 = -i log(2 i + sqrt(1 - 4)) = -i log(2 i + i sqrt 3) = -i log(i(2 + sqrt 3)) = -i (ln(2 + sqrt 3) + i pi/2) = pi/2 - i ln(2 + sqrt 3)。

在複平面上 arcsin 2 是存在的;只是它不是實數。

這些函數是多值的,所以在你為對數與方根固定分支之前,arcsin z 與 arctan z 各自指稱許多值。計算機所用的主值選取是約定,而不同系統把割線安放在不同的地方。

又稱
arcsin zarccos zarctan zinverse hyperbolic functions