Английская Википедия:Cis (mathematics)

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Шаблон:Short description Шаблон:Lowercase title Шаблон:Redir Шаблон:Use dmy dates Шаблон:Math is a mathematical notation defined by Шаблон:Math,[nb 1] where Шаблон:Math is the cosine function, Шаблон:Mvar is the imaginary unit and Шаблон:Math is the sine function. Шаблон:Mvar is the argument of the complex number (angle between line to point and x-axis in polar form). The notation is less commonly used in mathematics than Euler's formula, Шаблон:Nowrap which offers an even shorter notation for Шаблон:Nowrap but cis(x) is widely used as a name for this function in software libraries.

Overview

The Шаблон:Math notation is a shorthand for the combination of functions on the right-hand side of Euler's formula:

<math>e^{ix} = \cos x + i\sin x,</math>

where Шаблон:Math. So,

<math>\operatorname{cis} x = \cos x + i\sin x,</math>[1][2][3][4]

i.e. "Шаблон:Math" is an acronym for "Шаблон:Math".

It connects trigonometric functions with exponential functions in the complex plane via Euler's formula. While the domain of definition is usually <math>x \in \mathbb{R}</math>, complex values <math>z \in \mathbb{C}</math> are possible as well:

<math>\operatorname{cis} z = \cos z + i\sin z,</math>

so the Шаблон:Math function can be used to extend Euler's formula to a more general complex version.[5]

The function is mostly used as a convenient shorthand notation to simplify some expressions,[6][7][8] for example in conjunction with Fourier and Hartley transforms,[9][10][11] or when exponential functions shouldn't be used for some reason in math education.

In information technology, the function sees dedicated support in various high-performance math libraries (such as Intel's Math Kernel Library (MKL)[12] or MathCW[13]), available for many compilers, programming languages (including C, C++,[14] Common Lisp,[15][16] D,[17] Fortran,[18] Haskell,[19] Julia,[20] and Rust[21]), and operating systems (including Windows, Linux,[18] macOS and HP-UX[22]). Depending on the platform the fused operation is about twice as fast as calling the sine and cosine functions individually.[17][3]

Mathematical identities

Derivative

<math>\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}z}\operatorname{cis} z = i\operatorname{cis} z = ie^{iz}</math>[1][23]

Integral

<math>\int\operatorname{cis} z \,\mathrm{d}z = -i\operatorname{cis} z = -ie^{iz}</math>[1]

Other properties

These follow directly from Euler's formula.

<math>\cos(x) = \frac{\operatorname{cis}(x) + \operatorname{cis}(-x)}{2} = \frac{e^{ix} + e^{-ix}}{2}</math>
<math>\sin(x) = \frac{\operatorname{cis}(x) - \operatorname{cis}(-x)}{2i}= \frac{e^{ix} - e^{-ix}}{2i}</math>
<math>\operatorname{cis}(x+y) = \operatorname{cis} x\,\operatorname{cis} y</math>[24]
<math>\operatorname{cis}(x-y) = {\operatorname{cis} x \over \operatorname{cis} y}</math>

The identities above hold if Шаблон:Mvar and Шаблон:Mvar are any complex numbers. If Шаблон:Mvar and Шаблон:Mvar are real, then

<math>|\operatorname{cis} x - \operatorname{cis} y| \le |x-y|.</math>[24]

History

The Шаблон:Math notation was first coined by William Rowan Hamilton in Elements of Quaternions (1866)[25][26] and subsequently used by Irving Stringham (who also called it "sector of Шаблон:Math") in works such as Uniplanar Algebra (1893),[27][28] James Harkness and Frank Morley in their Introduction to the Theory of Analytic Functions (1898),[28][29] or by George Ashley Campbell (who also referred to it as "cisoidal oscillation") in his works on transmission lines (1901) and Fourier integrals (1928).[30][31][32]

Шаблон:AnchorIn 1942, inspired by the Шаблон:Math notation, Ralph V. L. Hartley introduced the Шаблон:Math (for cosine-and-sine) function for the real-valued Hartley kernel, a meanwhile established shortcut in conjunction with Hartley transforms:[33][34]

<math>\operatorname{cas} x = \cos x + \sin x.</math>

Шаблон:AnchorTwo hyperbolic function shortcuts have been defined as:[35]

<math>\operatorname{cish} x = \cosh x + i\sinh x</math>
<math>\operatorname{sich} x = \sinh x + i\cosh x</math>

Motivation

The Шаблон:Math notation is sometimes used to emphasize one method of viewing and dealing with a problem over another.[36] The mathematics of trigonometry and exponentials are related but not exactly the same; exponential notation emphasizes the whole, whereas Шаблон:Math and Шаблон:Math notations emphasize the parts. This can be rhetorically useful to mathematicians and engineers when discussing this function, and further serve as a mnemonic (for Шаблон:Math).[32]

The Шаблон:Math notation is convenient for math students whose knowledge of trigonometry and complex numbers permit this notation, but whose conceptual understanding does not yet permit the notation Шаблон:Math. As students learn concepts that build on prior knowledge, it is important not to force them into levels of math for which they are not yet prepared: the usual proof that Шаблон:Math requires calculus, which the student may not have studied before encountering the expression Шаблон:Math.

This notation was more common when typewriters were used to convey mathematical expressions.

See also

Notes

Шаблон:Reflist

References

Шаблон:Reflist


Ошибка цитирования Для существующих тегов <ref> группы «nb» не найдено соответствующего тега <references group="nb"/>

  1. 1,0 1,1 1,2 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Weisstein_cis не указан текст
  2. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Simmons_2014_1 не указан текст
  3. 3,0 3,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Rationale_2003_C не указан текст
  4. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Amann-Escher_2006 не указан текст
  5. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Moskowitz_2002 не указан текст
  6. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Swokowski_2011 не указан текст
  7. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Reis_2011 не указан текст
  8. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Weitz_2016 не указан текст
  9. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Byrnes_2004 не указан текст
  10. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Kammler_2008 не указан текст
  11. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Lorenzo-Hartley_2016 не указан текст
  12. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Intel_MKL не указан текст
  13. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Beebe_2017 не указан текст
  14. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Intel_2007_C++ не указан текст
  15. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Lisp не указан текст
  16. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Lisp_2005 не указан текст
  17. 17,0 17,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок D_2011 не указан текст
  18. 18,0 18,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Intel_2008_Fortran не указан текст
  19. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Haskell не указан текст
  20. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Julia не указан текст
  21. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Rust не указан текст
  22. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок HP_2007_UX не указан текст
  23. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Fuchs_2011_2 не указан текст
  24. 24,0 24,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Fuchs_2011_1 не указан текст
  25. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Hamilton_1866 не указан текст
  26. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Hamilton_1899 не указан текст
  27. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Stringham_1893 не указан текст
  28. 28,0 28,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Cajori_1929 не указан текст
  29. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Harkness_Morley_1898 не указан текст
  30. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Campbell_1901 не указан текст
  31. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Campbell_1911 не указан текст
  32. 32,0 32,1 Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Campbell_1928 не указан текст
  33. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Hartley_1942 не указан текст
  34. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Bracewell_1999 не указан текст
  35. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Ahangar_2017 не указан текст
  36. Ошибка цитирования Неверный тег <ref>; для сносок Diehl-Leupp_2010 не указан текст