引入

有定义, 是什么?

为什么把三角函数推广到复数后,会出现”模可以大于 “的现象?

双曲函数与三角函数,为什么长得那么像?

正文

定义

利用 欧拉公式 ,可以把三角函数推广到复数域:

这个定义不是人为规定。它由欧拉公式反解得到:

两式相减得 ,相加得 。

正切

分母为零时无定义,即 的点。

当 为实数时

若 ,代入定义:

回到原来的正弦函数。这说明复定义是实定义的推广,而不是另一个函数。

当 为纯虚数时

取 ( 为实数):

于是

这两个值可以任意大。实数域中 ,复数域中这个界不再成立。

函数实数域复数域
无上界
零点仍是
周期仍是

零点与周期保持不变,但有界性丢失。这是复推广中最重要的变化。

与双曲函数的关系

三角函数双曲函数

两条曲线只差一个虚数单位。这个对应关系解释了为什么双曲函数的公式与三角函数几乎同构,只是符号有规律地变化。

恒等式三角双曲
平方关系
加法定理

注意平方关系的符号相反:一个加一个减。这来自 。

复三角函数的性质

性质说明
解析性在整个复平面上解析( 除极点外)
周期性仍为 ( 为 )
无界性不再有
零点与实数情形相同

“解析”是复变函数中的强条件,比实可导强得多。复三角函数满足这个条件,所以性质非常好。

为什么需要复推广

场合用途
交流电路用 表示正弦信号
信号处理傅里叶变换的核心
量子力学波函数是复值函数
微分方程 的解可写成

用复指数代替三角函数,可以把”乘除”变成”指数加减”,大幅简化计算。这是工程中普遍采用复表示的原因。

常见误区

错误说法问题
”复三角函数是另一套函数”是实情形的推广
” 对复数也成立”不成立
”双曲函数与三角函数无关”差一个虚数单位
”复三角函数没有周期”仍有周期
”定义是随意规定的”由欧拉公式反解得到

引出

为什么复三角函数失去有界性,却保留周期性与零点?

复变函数的”解析”比实可导强在哪里?

双曲函数在哪些实际问题中出现?