Funciones hiperbólicas senh, cosh y tanh: gráficas y derivadas
Las funciones hiperbólicas senh x, cosh x y tanh x: definiciones con exponenciales, gráficas, identidades, derivadas, integrales y ejemplos resueltos.
Funciones hiperbólicas Actualizado 3 min de lectura
De un vistazo
- Dominio de senh x
- (-\infty, \infty)
- Rango de senh x
- (-\infty, \infty)
- Derivada
- \cosh x
- Integral
- \cosh x + C
- Identidad clave
- \cosh^2 x - \sinh^2 x = 1
- Rango de cosh x y tanh x
- [1, \infty) y (-1, 1)
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Las funciones hiperbólicas \sinh x, \cosh x y \tanh x son combinaciones de e^x y e^{-x} que se comportan de forma muy parecida a las funciones trigonométricas. Comparten casi las mismas identidades y reglas de derivación, con algunos cambios de signo, y describen formas reales como un cable colgante.
Definiciones
Sumando las dos primeras se obtiene \cosh x + \sinh x = e^x, así que dividen la función exponencial natural en una parte par (\cosh) y una parte impar (\sinh). Las recíprocas se definen igual que sus primas trigonométricas: \operatorname{sech} x = \frac{1}{\cosh x}, \operatorname{csch} x = \frac{1}{\sinh x} y \coth x = \frac{1}{\tanh x}.
Gráficas de senh, cosh y tanh
| Función | Dominio | Rango | Simetría | Valor en 0 |
|---|---|---|---|---|
| \sinh x | todos los reales | todos los reales | impar | 0 |
| \cosh x | todos los reales | [1, \infty) | par | 1 |
| \tanh x | todos los reales | (-1, 1) | impar | 0 |
\tanh x tiene asíntotas horizontales y = 1 e y = -1, ya que \tanh x \to 1 cuando x \to \infty y \tanh x \to -1 cuando x \to -\infty.
Identidades hiperbólicas
La identidad central sale directamente de las definiciones:
Compárala con \cos^2 x + \sin^2 x = 1. Otras identidades útiles:
- 1 - \tanh^2 x = \operatorname{sech}^2 x
- \sinh(2x) = 2\sinh x\cosh x
- \cosh(2x) = \cosh^2 x + \sinh^2 x
Derivadas de las funciones hiperbólicas
| Función | Derivada |
|---|---|
| \sinh x | \cosh x |
| \cosh x | \sinh x |
| \tanh x | \operatorname{sech}^2 x |
Cada una se deduce de \frac{d}{dx}e^{-x} = -e^{-x}. Por ejemplo,
Para \tanh x, la regla del cociente da \frac{\cosh^2 x - \sinh^2 x}{\cosh^2 x} = \frac{1}{\cosh^2 x} = \operatorname{sech}^2 x.
Integrales de las funciones hiperbólicas
| Función | Integral |
|---|---|
| \sinh x | \cosh x + C |
| \cosh x | \sinh x + C |
| \tanh x | \ln(\cosh x) + C |
| \operatorname{sech}^2 x | \tanh x + C |
La integral de \tanh usa u = \cosh x: \int\frac{\sinh x}{\cosh x}\,dx = \ln|\cosh x| + C, y el valor absoluto se puede quitar porque \cosh x \ge 1.
Ejemplos resueltos
Ejemplo 1: regla de la cadena. \frac{d}{dx}\cosh(x^2) = 2x\sinh(x^2).
Ejemplo 2: evaluar. Calcula \cosh(\ln 2). Como e^{\ln 2} = 2 y e^{-\ln 2} = \frac{1}{2},
Ejemplo 3: una integral definida. \int_0^{1}\cosh x\,dx = \sinh 1 - \sinh 0 = \frac{e - e^{-1}}{2} \approx 1.175.
Ejemplo 4: sustitución (cambio de variable). \int\sinh(3x)\,dx = \frac{1}{3}\cosh(3x) + C.
Errores comunes
- Copiar el signo menos de la trigonometría. \frac{d}{dx}\cosh x = \sinh x, no -\sinh x.
- Usar la identidad trigonométrica. Es \cosh^2 x - \sinh^2 x = 1, con signo menos.
- Esperar periodicidad. Las funciones hiperbólicas nunca se repiten. \sinh y \cosh crecen como \frac{e^x}{2} para x grande.
- Confundir \sinh x con \sin x. Son funciones distintas; \sinh 0 = 0 como \sin 0, pero \sinh x no está acotada.
Dónde aparecen las funciones hiperbólicas
Un cable colgante adopta la forma de una catenaria, y = a\cosh\frac{x}{a}, y su longitud de arco es fácil de calcular porque 1 + \sinh^2 x = \cosh^2 x. La sustitución x = \sinh t es una alternativa a la sustitución trigonométrica para integrales con \sqrt{1 + x^2}. Las funciones hiperbólicas también tienen series de Taylor muy limpias: \sinh x = x + \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} + \cdots, la serie del seno con todos los signos positivos. Para repasar las derivadas exponenciales que hay detrás de todo esto, consulta derivadas de funciones exponenciales y logarítmicas.
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Regla de la cadena: e y ln
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