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Die Gudermannfunktion, benannt nach Christoph Gudermann (1798 - 1852), stellt eine Verbindung zwischen den trigonometrischen- und den hyperbolischen Funktionen her, ohne dabei die komplexen Zahlen zu benutzen.

Sie ist definiert durch:

{\rm gd}(x)\, :=\int_0^x \frac{\mathrm dt}{\cosh t}
=2\arctan \left(\tanh\frac{x}{2}\right)

Für reelle x gilt sogar:

{\rm gd}(x)\, =\,\dots \,
=\arctan \left(\sinh x\right)
=2\arctan \left(e^x\right)-{\pi\over2}.
Die Umkehrfunktion der Gudermannfunktion ist definiert durch

\operatorname{arcgd}(x) :={\rm gd}^{-1}(x)=\int_0^x \frac{\mathrm dt}{\cos t}\,
=\operatorname{arccosh}(\sec x)\,
=\operatorname{arctanh}(\sin x)\,
=\ln\left(\sec(x)(1+\sin(x))\right)\,
=\ln(\tan x+\sec x)\,
=\ln\left(\tan\left(\frac{\pi}{4}+\frac{x}{2}\right)\right)\,
=\frac{1}{2}\ln\left(\frac{1+\sin x}{1-\sin x} \right).\,

Die Ableitung der Gudermannfunktion und deren Umkehrung ist:

{\mathrm d \over \mathrm dx}\,\mbox{gd}(x)=\mbox{sech}(x),

{\mathrm d \over \mathrm dx}\,\operatorname{arcgd}(x)=\sec(x).

Besonders bemerkenswert sind die Identitäten:

\tanh\frac{x}{2} = \tan \frac{\mbox{gd}(x)}{2}.\,
\operatorname{gd}\left({\imath}\cdot x \right) = {\imath} \cdot \operatorname{arcgd}\left(x\right)

Die Verbindung von Kreis- und Hyperbelfunktionen ist gewährleistet durch:

\sinh(x)=\tan(\mbox{gd}(x))\
\cosh(x)=\sec(\mbox{gd}(x))\

\tanh(x)=\sin(\mbox{gd}(x))\
\mbox{sech}(x)=\cos(\mbox{gd}(x))\

\mbox{csch}(x)=\cot(\mbox{gd}(x))\
\coth(x)=\csc(\mbox{gd}(x))\

Daraus ergibt sich folgender Zusammenhang mit der Exponentialfunktion:

{| \exp\left(x\right) =\frac{1}{\cos\left(\operatorname{gd}\left(x\right)\right)}+\tan\left(\operatorname{gd}\left(x\right)\right)=\sec\left(\operatorname{gd}\left(x\right)\right)+\tan\left(\operatorname{gd}\left(x\right)\right) =\tan\left(\frac{\pi}{4}+\frac{\operatorname{gd}\left(x\right)}{2}\right) =\frac{1+\sin\left(\operatorname{gd}\left(x\right)\right)}{\cos\left(\operatorname{gd}\left(x\right)\right)}

Praktische Anwendung


Mit der Gudermannfunktion bzw deren Umkehrung kann man Latitude φ und Longitude λ der Mercator-Projektion berechnen.

Quellen


Gudermannian function

Trigonometrie

 

This article is licensed under the GNU Free Documentation License. It uses material from the "Gudermannfunktion".

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