Tal como se hizo en la sección anterior, vamos a extender la serie de Taylor de la función real f(x)=exf(x)=ex, al plano complejo, reemplazando la variable xx, por el imaginario puro z=iθz=iθ y de esta manera obtener eiθ=1+iθ+(iθ)22!+(iθ)33!+⋯+(iθ)nn!eiθ=1+iθ+(iθ)22!+(iθ)33!+⋯+(iθ)nn! Note que las potencias pares son reales, mientras que las potencias impares son imaginarias eiθ=1+iθ−θ22!−iθ33!+θ44!+iθ55!−θ66!−iθ77!+θ88!+⋯eiθ=1+iθ−θ22!−iθ33!+θ44!+iθ55!−θ66!−iθ77!+θ88!+⋯Separando las partes reales de las imaginarias se tiene eiθ=(1−θ22!+θ44!−θ66!+θ88!−⋯+(−1)nθ2n2n!+⋯)+i(θ−θ33!+θ55!−θ77!+⋯+(−1)nθ2n+1(2n+1)!+⋯)=(∞∑n=0(−1)n(2n)!θ2n)+i(∞∑n=0(−1)n(2n+1)!θ2n+1)=cosθ+isinθObteniendo de esta manera la fórmula de Euler eiθ=cosθ+isinθUna consecuencia de esto es el teorema de De Moivre (cosθ+isinθ)n=cosnθ+isinnθEn efecto, aplicando propiedades de la exponencial y la formula de Euler, el resultado es evidente: (cosθ+isinθ)n=(eiθ)n=einθ=cosnθ+isinnθ
Funciones trigonométricas
La fórmula de Euler también permite interpretar las funciones seno y coseno como meras variaciones de la función exponencial:sinθ=eiθ−e−iθ2icosθ=eiθ+e−iθ2A partir de estas igualdades, es posible extender las funciones trigonométricas sobre el plano complejo: sinz=eiz−e−iz2icosz=eiz+e−iz2 Estas funciones trigonométricas cumplen con propiedades de sus similares aplicadas a los números reales. En efecto, sean los números complejos z y w, entonces son válidas las siguientes igualdades:
- cos2z+sin2z=1 Identidad pitagórica.
- cos(−z)=cos(z) Paridad de la función coseno.
- sin(−z)=−sin(z) Paridad de la función seno.
- sin(z+w)=sin(z)cos(w)+sin(w)cos(z) seno de la suma de dos ángulos.
- cos(z+w)=cos(z)cos(w)−sin(w)sin(z) coseno de la suma de dos ángulos.
Así como se han extendido las funciones trigonométricas, se pueden extender sus inversas. Veamos un ejemplo con la inversa del seno sin−1z=−iln(iz±√1−z2) Por definición de función inversa sin(sin−1(z))=z y consideremos la variable w=sin−1(z), por tanto z=sinw=eiw−e−iw2i.Reescribiendo la ecuación a su forma cuadrática, se tiene ei2w−2izeiw−1=0.Resolviendo en términos de eiw tenemos eiw=2iz±√−4z2+42=iz±√1−z2.Finalmente, despejando a w se llega al resultado
sin−1z=−iln(iz±√1−z2).
De manera similar se pueden extender
Funciones hiperbólicas inversas
- cos−1z=−iln(z±√z2−1)
- tan−1z=i2ln(i+zi−z)
Funciones hiperbólicas
Las funciones hiperbólicas de seno y coseno se pueden extender de manera directa a partir de su definición (de click aquí para mas información) reemplazando la variable real x por la variable compleja z, teniendo de esta manera:sinhz=ez−e−z2coshz=ez+e−z2De manera similar a las funciones trigonométricas complejas, las funciones hiperbólicas cumplen con propiedades de sus similares aplicadas a los números reales. En efecto, sean los números complejos z y w, entonces son válidas las siguientes igualdades:
- cosh2z−sinh2z=1 Identidad pitagórica.
- cosh(−z)=cosh(z) Paridad de la función coseno.
- sinh(−z)=−sinh(z) Paridad de la función seno.
- sinh(z+w)=sinh(z)cosh(w)+sinh(w)cosh(z) seno de la suma de dos variables.
- cosh(z+w)=cosh(z)cosh(w)+sinh(w)sinh(z) coseno de la suma de dos variables.
De manera análoga, se pueden extender las funciones hiperbólicas inversas. Veamos un ejemplo con la inversa del seno hiperbólico sinh−1z=ln(z+√z2+1) Por definición de función inversa sinh(sinh−1(z))=z y consideremos la variable w=sinh−1(z), por tanto z=sinhw=ew−e−w2.Reescribiendo la ecuación a su forma cuadrática, se tiene e2w−2zew−1=0.Resolviendo en términos de ew tenemos ew=2z+√4z2+42=z+√z2+1.Finalmente, despejando a w se llega al resultado
sinh−1z=ln(z+√z2+1).
De manera similar se pueden extender
- cosh−1z=ln(z+√z2−1)
- tanh−1z=12ln(1+z1−z)
Ejemplo 1 Muestre que la función sinz se puede escribir de la forma sinz=u(x,y)+iv(x,y). En efecto, extendiendo la función sinz al plano complejo, se tiene: sinz=eiz−e−iz2i=ei(x+iy)−e−i(x+iy)2i=e−y(cosx+isinx)−ey(cosx−isinx)2i=sinx(ey+e−y2)+icosx(ey−e−y2)=sinxcoshy+icosxsinhy✓
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