Funções hiperbólicas e integrais impróprios

Definições hiperbólicas, inversas e critérios para integrais em intervalos infinitos ou com singularidades.

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Funções hiperbólicas

sinh⁡x=ex−e−x2,cosh⁡x=ex+e−x2,tanh⁡x=sinh⁡xcosh⁡x,cosh⁡2x−sinh⁡2x=1.\sinh x=\frac{e^x-e^{-x}}2,\quad \cosh x=\frac{e^x+e^{-x}}2,\quad \tanh x=\frac{\sinh x}{\cosh x},\quad \cosh^2x-\sinh^2x=1.
  • sinh⁡\sinh é ímpar, crescente, com imagem R\mathbb R; cosh⁡\cosh é par, com mínimo um e imagem [1,+∞[[1,+\infty[.
  • tanh⁡\tanh tem imagem ]−1,1[]-1,1[. As três funções estão definidas em todo o real.
  • As derivadas são cosh⁡x\cosh x, sinh⁡x\sinh x e 1/cosh⁡2x1/\cosh^2x, respetivamente.
InversaExpressãoDomínioDerivada interior
arsinh⁡x\operatorname{arsinh}xln⁡(x+x2+1)\ln(x+\sqrt{x^2+1})R\mathbb R1/1+x21/\sqrt{1+x^2}
arcosh⁡x\operatorname{arcosh}xln⁡(x+x2−1)\ln(x+\sqrt{x^2-1})[1,+∞[[1,+\infty[1/x2−11/\sqrt{x^2-1}, x>1x>1
artanh⁡x\operatorname{artanh}x12ln⁡((1+x)/(1−x))\frac12\ln((1+x)/(1-x))]−1,1[]-1,1[1/(1−x2)1/(1-x^2)

O ramo de arcosh⁡\operatorname{arcosh} devolve valores não negativos. Outras inversas hiperbólicas.

Integrais impróprios

Um intervalo ilimitado ou uma singularidade exige limites de integrais próprios:

∫a∞f=lim⁡R→∞∫aRf.\int_a^{\infty}f=\lim_{R\to\infty}\int_a^Rf.
  • Numa singularidade interior, separa os dois lados e exige ambos finitos. Em toda a reta, trata as duas caudas separadamente.
  • ∫1∞x−pdx\int_1^{\infty}x^{-p}dx converge exatamente para p>1p>1.
  • ∫01x−pdx\int_0^1x^{-p}dx converge exatamente para p<1p<1.
  • Para f,g>0f,g>0 perto do extremo, f/g→L∈]0,+∞[f/g\to L\in]0,+\infty[ dá a mesma natureza. Uma majorante convergente garante convergência; uma minorante divergente força divergência.

Em ∫0∞dx/[x(1+x)]\int_0^{\infty}dx/[\sqrt x(1+x)], o comportamento é x−1/2x^{-1/2} em zero e x−3/2x^{-3/2} no infinito; ambos convergem e o valor é π\pi.

Séries, restos e sinais

Se ff é positiva, contínua e eventualmente decrescente, com f(n)=anf(n)=a_n, a série e ∫N∞f\int_N^{\infty}f têm a mesma natureza. Para uma série convergente, com NN já na região onde ff é positiva e decrescente,

∫N+1∞f≤∑n=N+1∞an≤∫N∞f.\int_{N+1}^{\infty}f\le\sum_{n=N+1}^{\infty}a_n\le\int_N^{\infty}f.

Assim, ∑n=2∞1/[n(ln⁡n)p]\sum_{n=2}^{\infty}1/[n(\ln n)^p] converge exatamente para p>1p>1.

∫−11dx/x\int_{-1}^1dx/x diverge: os lados não convergem separadamente. O cancelamento simétrico dá um valor principal, que é outro conceito. Convergência de ∫∣f∣\int|f| garante convergência absoluta; divergência do módulo não decide um integral com sinais.

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