Cosh

Cosh
Cosh

Le cosinus hyperbolique est, en mathématiques, une fonction hyperbolique.

Définition

La fonction cosinus hyperbolique, notée

cosh

{\displaystyle \cosh }

(ou

ch

{\displaystyle \operatorname {ch} }

), est la fonction complexe suivante :

cosh

:

C

→

C

z

↦

e

z

+

e

−

z

2

{\displaystyle {\begin{matrix}\cosh :&\mathbb {C} &\to &\mathbb {C} \\&z&\mapsto &\displaystyle {\frac {\operatorname {e} ^{z}+\operatorname {e} ^{-z}}{2}}\end{matrix}}}

où

z

↦

e

z

{\displaystyle z\mapsto \operatorname {e} ^{z}}

est l'exponentielle complexe.

La fonction cosinus hyperbolique est donc la partie paire de l'exponentielle complexe. Elle se restreint en une fonction réelle d'une variable réelle.

La fonction cosinus hyperbolique restreinte à ℝ est en quelque sorte l'analogue dans la géométrie hyperbolique de la fonction cosinus (voir infra).

La notation Ch. x a été introduite par Vincenzo Riccati au XVIIIe siècle.

Propriétés

Propriétés générales

cosh est continue et même holomorphe donc de classe C∞ (c.-à-d. infiniment dérivable). Sa dérivée est la fonction sinus hyperbolique, notée sinh.

cosh est paire.

Les primitives de cosh sont sinh + C, où C est une constante d'intégration.

cosh est strictement croissante sur ℝ+.

Propriétés trigonométriques

Des définitions des fonctions cosinus et sinus hyperboliques, on peut déduire les égalités suivantes, valables pour tout complexe

z

{\displaystyle z}

et analogues aux formules d'Euler en trigonométrie circulaire :

e

z

=

cosh

⁡

z

+

sinh

⁡

z

et

e

−

z

=

cosh

⁡

z

−

sinh

⁡

z

,

donc

cosh

2

⁡

z

−

sinh

2

⁡

z

=

1.

{\displaystyle \operatorname {e} ^{z}=\cosh z+\sinh z\quad {\text{et}}\quad \operatorname {e} ^{-z}=\cosh z-\sinh z,\quad {\text{donc}}\quad \cosh ^{2}z-\sinh ^{2}z=1.}

Quand t décrit ℝ, de même que le point de coordonnées

(

cos

⁡

t

,

sin

⁡

t

)

{\displaystyle (\cos t,\sin t)}

parcourt un cercle d'équation

x

2

+

y

2

=

1

{\displaystyle x^{2}+y^{2}=1}

, celui de coordonnées

(

cosh

⁡

t

,

sinh

⁡

t

)

{\displaystyle (\cosh t,\sinh t)}

parcourt donc une branche d'une hyperbole équilatère d'équation

x

2

−

y

2

=

1

{\displaystyle x^{2}-y^{2}=1}

.

D'autre part, pour tous nombres complexes

x

{\displaystyle x}

et

y

{\displaystyle y}

:

cosh

⁡

(

i

x

)

=

e

i

x

+

e

−

i

x

2

=

cos

⁡

x

{\displaystyle \cosh(\mathrm {i} x)={\frac {\operatorname {e} ^{\mathrm {i} x}+\operatorname {e} ^{-\mathrm {i} x}}{2}}=\cos x}

;

cosh

⁡

x

=

cos

⁡

(

i

x

)

{\displaystyle \cosh x=\cos(\mathrm {i} x)}

;

cosh

⁡

(

x

+

y

)

=

cosh

⁡

x

cosh

⁡

y

+

sinh

⁡

x

sinh

⁡

y

{\displaystyle \cosh(x+y)=\cosh x\cosh y+\sinh x\sinh y}

, d'où

cosh

⁡

2

x

=

cosh

2

⁡

x

+

sinh

2

⁡

x

=

1

+

2

sinh

2

⁡

x

=

2

cosh

2

⁡

x

−

1

{\displaystyle \cosh 2x=\cosh ^{2}x+\sinh ^{2}x=1+2\sinh ^{2}x=2\cosh ^{2}x-1}

cosh

2

⁡

(

x

2

)

=

1

+

cosh

⁡

x

2

{\displaystyle \cosh ^{2}\left({\frac {x}{2}}\right)={\frac {1+\cosh x}{2}}}

.

L'utilisation de formules trigonométriques telles que

tan

⁡

(

2

t

)

=

2

tan

⁡

t

1

−

tan

2

⁡

t

{\displaystyle \tan(2t)={\frac {2\tan t}{1-\tan ^{2}t}}}

permet aussi d'obtenir des relations plus anecdotiques, telle que (pour tout réel

x

{\displaystyle x}

) :

cosh

⁡

x

=

1

sin

⁡

(

2

arctan

⁡

(

e

x

)

)

{\displaystyle \cosh x={\frac {1}{\sin(2\arctan(\operatorname {e} ^{x}))}}}

;

voir également l'article Gudermannien.

Développement en série de Taylor

La série de Taylor de la fonction cosh converge sur ℂ tout entier et est donnée par :

cosh

⁡

z

=

1

+

z

2

2

!

+

z

4

4

!

+

z

6

6

!

+

⋯

=

∑

n

=

0

∞

z

2

n

(

2

n

)

!

{\displaystyle \cosh z=1+{\frac {z^{2}}{2!}}+{\frac {z^{4}}{4!}}+{\frac {z^{6}}{6!}}+\cdots =\sum _{n=0}^{\infty }{\frac {z^{2n}}{(2n)!}}}

.

Polynômes de Tchebychev

Soit

T

n

{\displaystyle T_{n}}

le n-ième polynôme de Tchebychev. En prolongeant aux complexes la relation (vraie pour tout réel t)

T

n

(

cos

⁡

t

)

=

cos

⁡

(

n

t

)

{\displaystyle T_{n}(\cos t)=\cos(nt)}

, on obtient pour tout complexe z la relation

T

n

(

cosh

⁡

z

)

=

cosh

⁡

(

n

z

)

{\displaystyle T_{n}(\cosh z)=\cosh(nz)}

.

Valeurs

Quelques valeurs de

cosh

{\displaystyle \cosh }

:

cosh

⁡

0

=

1

{\displaystyle \cosh 0=1}

;

cosh

⁡

1

=

e

2

+

1

2

e

{\displaystyle \cosh 1={\frac {\operatorname {e} ^{2}+1}{2\mathrm {e} }}}

;

cosh

⁡

i

=

cos

⁡

1

{\displaystyle \cosh \mathrm {i} =\cos 1}

.

Zéros

Tous les zéros de cosh sont des imaginaires purs. Plus précisément, pour tout nombre complexe

z

{\displaystyle z}

,

cosh

⁡

z

=

0

⇔

z

∈

i

π

(

Z

+

1

2

)

.

{\displaystyle \cosh z=0\Leftrightarrow z\in \mathrm {i} \pi \left(\mathbb {Z} +{\frac {1}{2}}\right).}

En effet, soit

z

=

x

+

i

y

{\displaystyle z=x+\mathrm {i} y}

avec

x

,

y

{\displaystyle x,y}

réels. On a alors

cosh

⁡

z

=

cosh

⁡

x

cos

⁡

y

+

i

sinh

⁡

x

sin

⁡

y

{\displaystyle \cosh z=\cosh x\cos y+\mathrm {i} \sinh x\sin y}

, donc

cosh

⁡

z

=

0

⇔

(

cos

⁡

y

=

0

et

sinh

⁡

x

=

0

)

⇔

(

y

∈

{

π

/

2

+

k

π

∣

k

∈

Z

}

et

x

=

0

)

{\displaystyle \cosh z=0\Leftrightarrow \left(\cos y=0{\text{ et }}\sinh x=0\right)\Leftrightarrow \left(y\in \{\pi /2+k\pi \mid k\in \mathbb {Z} \}{\text{ et }}x=0\right)}

.

Fonction réciproque

Sur [0, +∞[, cosh est continue et strictement croissante ; sa valeur en 0 est 1 et sa limite en +∞ est +∞. C'est donc une bijection de [0, +∞[ dans [1, +∞[. Sa bijection réciproque, notée arcosh (ou argch), est nommée « argument cosinus hyperbolique » ou « arc cosinus hyperbolique ».

Sur ℂ, il s'agit d'une fonction multivaluée complexe. Sa branche principale est généralement choisie en posant comme coupure la demi-droite ]–∞, 1].

arcosh

⁡

z

=

ln

⁡

(

z

+

z

+

1

z

−

1

)

.

{\displaystyle \operatorname {arcosh} z=\ln \left(z+{\sqrt {z+1}}{\sqrt {z-1}}\right).}

Pour x∈ [1, +∞[, il existe deux réels dont le cosh vaut x :

arcosh

⁡

x

=

ln

⁡

(

x

+

x

2

−

1

)

et

−

arcosh

⁡

x

=

ln

⁡

(

x

−

x

2

−

1

)

.

{\displaystyle \operatorname {arcosh} x=\ln \left(x+{\sqrt {x^{2}-1}}\right)\quad {\text{et}}\quad -\operatorname {arcosh} x=\ln \left(x-{\sqrt {x^{2}-1}}\right).}

En effet, en posant

t

=

arcosh

⁡

x

{\displaystyle t=\operatorname {arcosh} x}

et en utilisant que

cosh

2

⁡

t

−

sinh

2

⁡

t

=

1

{\displaystyle \cosh ^{2}t-\sinh ^{2}t=1}

et

t

>

0

{\displaystyle t>0}

, on obtient

e

t

=

cosh

⁡

t

+

sinh

⁡

t

=

x

+

x

2

−

1

et

e

−

t

=

cosh

⁡

t

−

sinh

⁡

t

=

x

−

x

2

−

1

.

{\displaystyle \operatorname {e} ^{t}=\cosh t+\sinh t=x+{\sqrt {x^{2}-1}}\quad {\text{et}}\quad \operatorname {e} ^{-t}=\cosh t-\sinh t=x-{\sqrt {x^{2}-1}}.}

La fonction

arcosh

{\displaystyle \operatorname {arcosh} }

est dérivable sur ]1, +∞[ et

∀

x

∈

]

1

,

+

∞

[

arcosh

′

⁡

x

=

1

x

2

−

1

.

{\displaystyle \forall x\in ]1,+\infty [\quad \operatorname {arcosh} 'x={\dfrac {1}{\sqrt {x^{2}-1}}}.}

Utilisation

Géométrie hyperbolique

En géométrie hyperbolique, de nombreuses formules sont les analogues des formules correspondantes en trigonométrie sphérique, en remplaçant les fonctions circulaires par les fonctions hyperboliques correspondantes ; ainsi, la formule fondamentale de la trigonométrie sphérique (ou loi des cosinus),

cos

⁡

c

=

cos

⁡

a

cos

⁡

b

+

sin

⁡

a

sin

⁡

b

cos

⁡

γ

,

{\displaystyle \cos c=\cos a\,\cos b+\sin a\,\sin b\,\cos \gamma ~,}

devient, pour un triangle hyperbolique, cosh(c) = cosh(a) cosh(b) - sinh(a) sinh(b) cos(γ) (pour la signification des lettres, se reporter aux articles détaillés).

Physique

La courbe représentative de la fonction

cosh

{\displaystyle \cosh }

sur ℝ décrit une chaînette, c’est-à-dire la forme d'un câble homogène fixé aux deux extrémités et soumis à la pesanteur.

Architecture

Le cosinus hyperbolique correspond en architecture à l'arc caténaire issu au départ de l'ingénierie des ponts suspendus. Antoni Gaudí a été l'un des premiers à l'utiliser massivement en architecture commune avec en particulier deux de ses œuvres les plus connues : la crypte de la Colonia Güell et la Sagrada Família.

La Gateway Arch à Saint-Louis dans le Missouri possède la forme d'une chaînette renversée. Elle s'élève à 192 m en son centre et enjambe 192 m à sa base. Les points de cette arche satisfont approximativement l'équation

y

=

−

39

cosh

⁡

(

x

39

)

+

231

{\displaystyle y=-39\cosh \left({\frac {x}{39}}\right)+231}

pour –96 < x < 96.

Notes et références

Voir aussi

Sinus hyperbolique

Tangente hyperbolique

Portail de l'analyse

La liste des mots commençant par Cosh est la suivante :