최근 수정 시각 : 2024-10-11 16:02:27

구데르만 함수

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1. 개요2. 성질3. 역함수4. 그래프 개형5. 항등식6. 극한값 및 미적분7. 복소수 범위로의 확장
7.1. 덧셈 정리7.2. 대칭성7.3. 주기성

1. 개요

구데르만 함수(Gudermannian function; [math(\rm gd)])는 람베르트[1]가 발견한 후 독일의 수학자 구데르만이 체계적으로 정리한 특수함수의 일종으로, 실수 [math(\psi)]에 대해 다음과 같이 정의된다.
[math(\displaystyle \operatorname{gd}(\psi) = \underline\phi \equiv \int_0^\psi \operatorname{sech}t{\rm\,d}t)]
이때, [math(\underline\phi = \phi/{\rm rad})]이다. 결과값으로 각도와 관련된 값이 나오는 이유는 위 적분식의 결과가 역탄젠트값이기 때문이다. 쌍곡선 함수의 발견과 동시에 구데르만 함수를 도입했던 람베르트는 해당 적분값을 초월각(transzendenter Winkel; transcendent angle)이라고 했었다.
[math(\begin{aligned}\int_0^\psi \operatorname{sech}t{\rm\,d}t &= \int_0^\psi\frac{\cosh t{\rm\,d}t}{\cosh^2t} \\ &= \int_0^\psi \frac{\cosh t{\rm\,d}t}{\sinh^2t+1} \\ &= \!\biggl[\arctan(\sinh t)\biggr]_0^\psi \\ &= \arctan(\sinh\psi)\end{aligned})]
역탄젠트 함수의 특성에 따라 구데르만 함수의 치역 [math(\underline\phi)]의 범위는 [math(-\cfrac\pi2 < \underline\phi < \cfrac\pi2)]로 제한된다.

2. 성질

쌍곡선 함수의 배편각 공식에 따르면 [math(\cosh t = \cosh^2\cfrac t2 + \sinh^2\cfrac t2)]이므로, 다음과 같이 적분하면 역탄젠트의 변수가 다르게 표현된 결과를 얻을 수도 있다.
[math(\begin{aligned} \int_0^\psi \operatorname{sech}t{\rm\,d}t &= \int_0^\psi \frac{{\rm\,d}t}{\cosh^2\dfrac t2 + \sinh^2\dfrac t2} \\ &= \int_0^\psi \frac{2{\rm\,d}{\left(\dfrac t2\right)}}{\cosh^2\dfrac t2 + \sinh^2\dfrac t2} \\ &= \int_0^\psi \frac{2\operatorname{sech}^2\dfrac t2{\rm\,d}{\left(\dfrac t2\right)}}{1+\tanh^2\dfrac t2} \\ &= \biggl[2\arctan{\left(\tanh\frac t2\right)}\biggr]_0^\psi \\ &= 2\arctan{\left(\tanh\frac\psi2\right)}\end{aligned})]
위 식으로부터 구데르만 함수의 중요한 특징을 알 수 있는데, 삼각함수와 쌍곡선함수를 서로 연관짓는 함수라는 것이다. 즉 [math(\operatorname{gd}(\psi) = \underline\phi)]이므로
[math(\tan\dfrac{\underline\phi}2 = \tanh\dfrac\psi2)]
상기 탄젠트 값 및 쌍곡 탄젠트 값을 보통 [math(s)]로 나타낸다. 이 변수 [math(s)]를 이용하면 삼각함수와 역삼각함수의 값을 [math(s)]만으로 나타낼 수 있다. 우선 [math(\tan^2\cfrac{\underline\phi}2 + 1 = \sec^2\cfrac{\underline\phi}2)]이므로 [math(\cos^2\cfrac{\underline\phi}2 = \cfrac1{1+s^2})], [math(\sin^2\cfrac{\underline\phi}2 = \cfrac{s^2}{1+s^2})]이다. 배각 공식에 따라 [math(\cos\underline\phi = \cfrac{1-s^2}{1+s^2})], [math(\sin\underline\phi = \cfrac{2s}{1+s^2})], [math(\tan\underline\phi = \cfrac{2s}{1-s^2})]로 구할 수 있고 여기에 [math(s = \tanh\cfrac\psi2)]를 대입하면 각각 [math(\cos\underline\phi = \operatorname{sech}\psi)], [math(\sin\underline\phi = \tanh\psi)], [math(\tan\underline\phi = \sinh\psi)]를 얻을 수 있다.
이를 정리하면 다음과 같다.
[math(\begin{aligned} \frac{1-s^2}{1+s^2} = \cos\underline\phi = \operatorname{sech}\psi && \frac{1+s^2}{1-s^2} = \sec\underline\phi = \cosh\psi \\
\frac{2s}{1+s^2} = \sin\underline\phi = \tanh\psi && \frac{1+s^2}{2s} = \csc\underline\phi = \coth\psi \\
\frac{2s}{1-s^2} = \tan\underline\phi = \sinh\psi && \frac{1-s^2}{2s} = \cot\underline\phi = \operatorname{csch}\psi \\
\end{aligned})]

3. 역함수

바로 위의 성질 문단의 결과로부터 [math(\sin\underline\phi = \tanh\psi \Leftrightarrow \psi = \operatorname{artanh}(\sin\underline\phi) ~ \biggl(-\cfrac\pi2 < \underline\phi < \cfrac\pi2\biggr))]이며 양변을 [math(\underline\phi)]에 대해 미분하면
[math(\begin{aligned} \frac{{\rm d}\psi}{{\rm d}\underline\phi} &= \frac{\cos\underline\phi}{1-\sin^2\underline\phi} \\ &= \frac{\cos\underline\phi}{\cos^2\underline\phi} \\ &= \sec\underline\phi\end{aligned})]
따라서 구데르만 함수의 역함수 [math(\rm igd)]는 [math(\underline\phi)]의 범위에서 다음과 같이 표현할 수 있으며, 람베르트의 이름을 따서 Lambertian function[2]이라고 부르기도 한다.
[math(\displaystyle \psi = \operatorname{igd}(\underline\phi) = \operatorname{gd}^{-1}(\underline\phi) = \int_0^{\underline\phi} \sec \underline\theta{\rm\,d}\underline\theta)]

4. 그래프 개형

구데르만 함수 및 그 역함수는 원점 대칭함수(기함수)이다.

그래프는 다음과 같으며, [math(\rm(a))]와 [math(\rm(b))]는 각각 [math(y=\operatorname{gd}(x))], [math(y=\operatorname{igd}(x))]의 그래프이다.

파일:Plotting_Gudermannian function.png
[math(y=\operatorname{gd}(x))]와 같은 개형의 그래프를 시그모이드라고 한다.

5. 항등식

이 두 함수는 다음과 같이 나타낼 수도 있다.
[math(\begin{aligned}
\operatorname{gd}(\psi) &= \arctan(\sinh\psi) \\
&= \operatorname{arccot}(\operatorname{csch}\psi) \\
&= \operatorname{arcsec}(\cosh\psi) \\
&= \arccos(\operatorname{sech}\psi) \\
&= \arcsin(\tanh\psi) \\
&= \operatorname{arccsc}(\coth\psi) \\
&= 2\arctan{\left(\tanh\frac\psi2\right)} \\
&= 2\arctan(e^\psi) -\dfrac\pi2 \\
\\
\operatorname{igd}(\underline\phi) &= \operatorname{artanh}(\sin\underline\phi) \\
&= \operatorname{arcoth}(\csc\underline\phi) \\
&= \operatorname{arsech}(\cos\underline\phi) \\
&= \operatorname{arcosh}(\sec\underline\phi) \\
&= \operatorname{arsinh}(\tan\underline\phi) \\
&= \operatorname{arcsch}(\cot\underline\phi) \\
&= 2\operatorname{artanh}{\left(\tan\dfrac{\underline\phi}2\right)} \\
&= \ln(\sec\underline\phi + \tan\underline\phi) \\
&= \ln{\left\{\tan{\left(\frac{\underline\phi}2 + \frac\pi4\right)}\right\}}
\end{aligned} )]
각 항등식의 마지막 식은 쌍곡선 함수의 정의식을 정적분하여 얻어지는 관계식으로 다음과 같이 용이하게 유도할 수 있다.
  • [math(\underline\phi = \operatorname{gd}(\psi) = 2\arctan(e^\psi) -\dfrac\pi2)]
    [math(\psi = \operatorname{igd}(\underline\phi) = \ln \biggl\{ \tan \biggl(\dfrac{\underline\phi}2 + \dfrac\pi4\biggr) \!\biggr\})]

정의식에서 쌍곡선 함수의 정의를 그대로 대입하자.

[math(\begin{aligned}
\operatorname{gd}(\psi) &= \int_0^\psi \operatorname{sech}t{\rm\,d}t = \int_0^\psi \frac1{\cosh t}{\rm\,d}t \\
&= \int_0^\psi \frac2{e^t+e^{-t}}{\rm\,d}t = 2\int_0^\psi \frac{{e^t}{\rm\,d}t}{e^{2t}+1} \\
&= 2\int_0^\psi \frac{{\rm d}(e^t)}{e^{2t}+1} \\
&= 2\biggl[ \arctan(e^t) \biggr]_0^\psi \\
&= 2\arctan(e^\psi) -\frac\pi2
\end{aligned} )]

위 결과로부터 [math(\operatorname{gd}(\psi) = \underline\phi)]라 놓고 역함수를 취하면 [math(\operatorname{igd}(\underline\phi))]의 마지막 항등식이 얻어진다.
}}}||
  • [math(\operatorname{igd}(\underline\phi) = \ln(\sec\underline\phi + \tan\underline\phi))]
    증명: [math(\operatorname{igd}(\underline\phi))]의 정의에 따라 [math(\sec\underline\phi)]를 [math([0,\,\underline\phi])] 범위에서 정적분하면 [math(\ln{\left|\sec\underline\phi + \tan\underline\phi\right|})]인데 [math(-\cfrac\pi2<\underline\phi<\cfrac\pi2)]이므로 [math(\sec\underline\phi + \tan\underline\phi>0)]가 되어 절댓값을 벗겨낼 수 있다.

구데르만 역함수는 타원 적분과도 관계가 있다.
  • [math(\operatorname{igd}(\underline\phi) = F(\underline\phi,\,1) \qquad)] ([math(F(\underline\phi,\,k))]는 제1종 타원 적분)

제1종 타원 적분 [math(F(underlinephi,,k))]에 [math(k=1)]을 대입하면 된다.

[math(\displaystyle \begin{aligned}
F(\underline\phi,\,k) &= \int_0^{\underline\phi} \frac1{\sqrt{1-k^2\sin^2\underline\theta}}{\rm\,d}\underline\theta \\
\Rightarrow \quad F(\underline\phi,\,1) &= \int_0^{\underline\phi} \frac1{\sqrt{1-\sin^2\underline\theta}}{\rm\,d}\underline\theta \\
&= \int_0^{\underline\phi} \sec\underline\theta{\rm\,d}\underline\theta \\
&= \operatorname{igd}(\underline\phi)
\end{aligned} )]

}}}||

6. 극한값 및 미적분


[math(\displaystyle \begin{aligned}
\lim_{\psi \to \pm\infty} \operatorname{gd}(\psi) &= \pm \frac\pi2 \\
\lim_{\underline\phi \to \pm\pi/2} \operatorname{igd}(\underline\phi) &= \pm \infty
\end{aligned} )]}}}
  • [math(\displaystyle \int_0^{\pi/2} \operatorname{igd}(\underline\phi){\rm\,d}\underline\phi = 2G \approx 1.8319311884 \qquad)] ([math(G)]는 카탈랑 상수)

구데르만 역함수의 표현식을 그대로 대입한다. 이때 각 적분 변수의 구간 관계 [math(0\le\underline\theta\le\underline\phi\le\cfrac\pi2)]에 유의하여 중적분의 순서를 교환한다.

[math(\displaystyle \begin{aligned}
\int_0^{\pi/2} \operatorname{igd}(\underline\phi){\rm\,d}\underline\phi &= \int_0^{\pi/2} \int_0^{\underline\phi} \sec\underline\theta{\rm\,d}\underline\theta{\rm\,d}\underline\phi \\
&= \int_0^{\pi/2} \int_{\underline\theta}^{\pi/2}{\rm\,d}\underline\phi \cdot \sec\underline\theta{\rm\,d}\underline\theta \\
&= \int_0^{\pi/2}{\left( \frac\pi2-\underline\theta \right)}\frac{{\rm d}\underline\theta}{\cos\underline\theta}
\end{aligned} )]

[math(\dfrac\pi2-\underline\theta=\underline\alpha)]로 치환하자.

[math(\displaystyle \begin{aligned}
\int_0^{\pi/2} \operatorname{igd}(\underline\phi){\rm\,d}\underline\phi &= \int_0^{\pi/2}{\left( \frac\pi2-\underline\theta \right)}\frac{{\rm\,d}\underline\theta}{\cos\underline\theta} \\
&= \int_{\pi/2}^0 \underline\alpha \cdot \frac{-{\rm d}\underline\alpha}{\sin\underline\alpha} \\
&= \int_0^{\pi/2} \frac{\underline\alpha}{\sin\underline\alpha}{\rm\,d}\underline\alpha \\
&= 2G \qquad \blacksquare
\end{aligned} )]

[math(\displaystyle \int_0^{\pi/2} \frac{\underline\alpha}{\sin\underline\alpha}{\rm\,d}\underline\alpha = 2G)]인 이유는 카탈랑 상수 문서의 항등식 문단에 증명되어 있다.
}}}||

7. 복소수 범위로의 확장

위 두 함수는 해석적 연속을 통해 다음과 같이 정의역을 모든 복소수 [math(z)]로 확장할 수 있다.

[math(z = x + iy)]라고 할 때, [math(\sinh(iy) = i\sin y)], [math(\tanh(iy) = i\tan y)]이므로 [math(z \mapsto w = \operatorname{gd}(z))]인 복소 구데르만 함수 [math(\operatorname{gd}(z))]에 대하여 복소로그함수와 마찬가지로 [math(z)]의 허수부 [math(\Im(z))]는 주기가 [math(2\pi)]인 주기함수이기 때문에 [math(-\pi<\Im(z)\le\pi)]로 분지 절단을 해야 잘 정의된다. [math(w)]도 마찬가지로 [math(w = u + iv)]라고 할 때, [math(w \mapsto z = \operatorname{igd}(w))]인 복소 역구데르만 함수 [math(\operatorname{igd}(w))]는 [math(w)]의 실수부 [math(\Re(w))]가 [math(-\pi<\Re(w)\le\pi)]로 분지 절단이 돼야 잘 정의된다.
[math(\begin{aligned}
w = \operatorname{gd}(z) &\equiv 2\arctan{\left(\tanh\frac z2\right)} && (-\pi<\Im(z)\le\pi)\\
z = \operatorname{igd}(w) &\equiv 2\operatorname{artanh}{\left(\tan\frac w2\right)} && (-\pi<\Re(w)\le\pi)
\end{aligned})]

위 관계식과 성질 항목의 [math(\tan\underline\phi = \sinh\psi)]와 항등식 항목의 [math(\psi = \ln(\sec\underline\phi+\tan\underline\phi))] (단 [math(\underline\phi = u + iv)], [math(\psi = x + iy)])를 이용하면 [math(u(x,\,y))], [math(v(x,\,y))], [math(x(u,\,v))], [math(y(u,\,v))]를 각각 구할 수 있다.
  1. [math(\tan\cfrac{u + iv}2 = \tanh\cfrac{x + iy}2)]
    삼각함수와 쌍곡선함수의 덧셈 공식을 적용한다.
    [math(\dfrac{\tan\dfrac u2 + i\tanh\dfrac v2}{1-i\tan\dfrac u2\tanh\dfrac v2} = \dfrac{\tanh\dfrac x2 + i\tan\dfrac y2}{1 + i\tanh\dfrac x2\tan\dfrac y2})]

    각 변의 분모를 유리화하면
\frac{{\left(\tan\dfrac u2 + i\tanh\dfrac v2\right)}{\left(1+i\tan\dfrac u2\tanh\dfrac v2\right)}}{1+\tan^2\dfrac u2\tanh^2\dfrac v2} &= \frac{{\left(\tanh\dfrac x2 + i\tan\dfrac y2\right)}{\left(1-i\tanh\dfrac x2\tan\dfrac y2\right)}}{1 + \tanh^2\dfrac x2\tan^2\dfrac y2} \\
=\frac{\tan\dfrac u2\operatorname{sech}^2\dfrac v2 + i\sec^2\dfrac u2\tanh\dfrac v2}{1+\tan^2\dfrac u2\tanh^2\dfrac v2} &= \frac{\tanh\dfrac x2\sec^2\dfrac y2 + i\operatorname{sech}^2\dfrac x2\tan\dfrac y2}{1 + \tanh^2\dfrac x2\tan^2\dfrac y2}
\end{aligned})] ||
양변의 실수부와 허수부가 각각 같으므로 각각의 편각을 구하면[3]
\frac{\sinh\dfrac v2\cosh\dfrac v2}{\sin\dfrac u2\cos\dfrac u2} &= \frac{\sin\dfrac y2\cos\dfrac y2}{\sinh\dfrac x2\cosh\dfrac x2} \\
\therefore \frac{\sinh v}{\sin u} &= \frac{\sin y}{\sinh x}
\end{aligned})] ||
  1. [math(\tan(u + iv) = \sinh(x + iy))]
    각각 덧셈 공식을 적용한 뒤 좌변에는 유리화를 적용하고
    [math(\dfrac{\tan u\operatorname{sech}^2v + i\sec^2u\tanh v}{1+\tan^2u\tanh^2v} = \sinh x\cos y + i\cosh x\sin y)]

    각각의 편각을 구하고 1.의 결과를 이용하면
\frac{\sinh v\cosh v}{\sin u\cos u} &= \frac{\sin y}{\sinh x}\frac{\cosh v}{\cos u} \\ &= \frac{\tan y}{\tanh x} \\ \therefore \frac{\cosh v}{\cos u} &= \frac{\cosh x}{\cos y}
\end{aligned})] ||
  1. [math(x + iy = \ln\{\sec(u + iv) + \tan(u + iv)\} = \ln\dfrac{1 + \sin(u + iv)}{\cos(u + iv)})]
    양변에 지수함수를 취하고 우변의 분자, 분모에 [math(\cos(u - iv))]를 각각 곱한 뒤 곱을 합으로 고치는 공식을 적용하면
e^{x + iy} &= e^x(\cos y + i\sin y) \\ &= \frac{\{1 + \sin(u + iv)\}\cos(u - iv)}{\cos(u + iv)\cos(u - iv)} \\ &= \frac{\cos(u - iv) + \dfrac12(\sin2u + i\sinh2v)}{\dfrac12(\cos2u + \cosh2v)} \\ &= \frac{2\cos u\cosh v + 2i\sin u\sinh v + \sin2u + i\sinh2v}{\cos2u + \cosh2v} \\ &= \frac{2(\sin u + \cosh v)(\cos u + i\sinh v)}{\cos2u + \cosh2v}
\end{aligned})] ||
마찬가지로 편각을 구하면
[math(\therefore \dfrac{\sinh v}{\cos u} = \tan y)]
1.과 3.의 결과를 연립하면 [math(\tan u = \cfrac{\sinh x}{\cos y})], 2.와 3.의 결과를 연립하면 [math(\tanh v = \dfrac{\sin y}{\cosh x})], 이 [math(\tanh v)]의 관계와 1.의 결과를 연립하면 [math(\tanh x = \dfrac{\sin u}{\cosh v})]가 얻어진다.

이를 정리하면 다음과 같다.
[math(\begin{aligned}
\begin{cases} u = \arctan\cfrac{\sinh x}{\cos y} \\ v = \operatorname{artanh}\cfrac{\sin y}{\cosh x} \end{cases} && \begin{cases}x = \operatorname{artanh}\cfrac{\sin u}{\cosh v} \\ y = \arctan\cfrac{\sinh v}{\cos u} \end{cases}
\end{aligned} \\ \tan u\tanh v = \tanh x\tan y)]
이때, [math(\begin{cases} \cosh(iy) = \cos y \\ \sinh(iy) = i\sin y \\ \tan(iv) = i\tanh v\end{cases})], [math(\begin{cases}\cos(iv) = \cosh v \\ \sin(iv) = i\sinh v \\ \tanh(iy) = i\tan y\end{cases})]라는 점을 감안하면 위 관계식은 다음과 같이 일관된 함수식으로 나타낼 수도 있다.
[math(\begin{aligned}
\begin{cases} u = \arctan\cfrac{\sinh x}{\cosh(iy)} \\ iv = \arctan\cfrac{\sinh(iy)}{\cosh x} \end{cases} && \begin{cases}x = \operatorname{artanh}\cfrac{\sin u}{\cos(iv)} \\ iy = \operatorname{artanh}\cfrac{\sin(iv)}{\cos u} \end{cases}
\end{aligned} \\ \tan u\tan(iv) = \tanh x\tanh(iy))]

7.1. 덧셈 정리

  • [math(\begin{cases} \operatorname{gd}(z + w) = u + v \\ \operatorname{igd}(u + v) = z + w\end{cases})]에 대하여
    [math(\begin{aligned} \begin{cases}u = \arctan\cfrac{\sinh z}{\cosh w} \\ v = \arctan\cfrac{\sinh w}{\cosh z}\end{cases} && \begin{cases} z = \operatorname{artanh}\cfrac{\sin u}{\cos v} \\ w = \operatorname{artanh}\cfrac{\sin v}{\cos u} \end{cases}\end{aligned})]

    상기 복소 구데르만 함수/역함수의 성질로부터 유도된다.

7.2. 대칭성

  • [math(\operatorname{gd}(-z) = -\operatorname{gd}(z))]
    [math(\operatorname{igd}(-w) = -\operatorname{igd}(w))]
  • [math(\operatorname{gd}(iz) = i\operatorname{gd}^{-1}(z))]
    [math(\operatorname{gd}^{-1}(iw) = i\operatorname{gd}(w))]
    [math(\tan\cfrac w2 = \tanh\cfrac z2)]를 이용해서 간단하게 증명할 수 있다. 위 성질은 삼각함수와 쌍곡선함수의 기함수([math(\sin)], [math(\tan)], [math(\sinh)], [math(\tanh)])가 갖는 성질과 매우 유사함을 알 수 있다.
  • [math(\operatorname{gd}(\overline z) = \overline{\operatorname{gd}(z)})]
    [math(\operatorname{gd}^{-1}(\overline w) = \overline{\operatorname{gd}^{-1}(w)})]
  • [math(\operatorname{gd}(-\overline z) = -\overline{\operatorname{gd}(z)})]
    [math(\operatorname{gd}^{-1}(-\overline w) = -\overline{\operatorname{gd}^{-1}(w)})]
    이전 항목의 [math(\begin{aligned}
\begin{cases} u = \arctan\cfrac{\sinh x}{\cosh(iy)} \\ iv = \arctan\cfrac{\sinh(iy)}{\cosh x} \end{cases} && \begin{cases}x = \operatorname{artanh}\cfrac{\sin u}{\cos(iv)} \\ iy = \operatorname{artanh}\cfrac{\sin(iv)}{\cos u} \end{cases}
\end{aligned})]를 이용하면 쉽게 증명이 된다.

7.3. 주기성

아래 식에서 [math({\bold 1}_{\R^-})]는 음수일 경우 1, 그 외에는 0을 띠는 지시함수다.
  • [math(\operatorname{gd}(z + 2\pi i) = \operatorname{gd}(z))]
    [math(\operatorname{igd}(w + 2\pi) = \operatorname{igd}(w))]
  • [math(\operatorname{gd}(z\pm\pi i) = (-1)^{{\bold 1}_{\R^-}(\Re(z))} \pi - \operatorname{gd}(z) = \begin{cases} \pi - \operatorname{gd}(z) && (\Re(z) \ge 0) \\ -\pi - \operatorname{gd}(z) && (\Re(z) <0) \end{cases})]
    정의식
    [math(\operatorname{gd}(z) = 2\arctan\biggl(\tanh\cfrac z2\biggr) \quad (-\pi<\Im(z)\le\pi))]

    을 이용해서 유도할 수 있다.
    [math(\begin{aligned} \operatorname{gd}(z\pm\pi i) &= 2\arctan{\left(\tanh\frac{z\pm\pi i}2\right)} \\ &= \lim\limits_{\underline\phi\to\pm\pi}2\arctan{\left(\frac{\tanh\dfrac z2 + i\tan\dfrac{\underline\phi}2}{1+i\tanh\dfrac z2\tan\dfrac{\underline\phi}2}\right)} \\ &= \lim\limits_{\underline\phi\to\pm\pi}2\arctan{\left(\frac{\tanh\dfrac z2\cot\dfrac{\underline\phi}2 + i}{\cot\dfrac{\underline\phi}2+i\tanh\dfrac z2}\right)} \\ &= 2\arctan{\left(\coth\dfrac z2\right)}\end{aligned})]

    이때
    [math(\arctan\biggl(\cfrac1x\biggr) = \begin{cases} \operatorname{arccot}x = \cfrac\pi2 - \arctan x && (x>0) \\ \operatorname{arccot}x-\pi = -\cfrac\pi2 - \arctan x && (x<0) \end{cases})]

    를 적용하면
    [math(\begin{aligned} \operatorname{gd}(z\pm\pi i) &= 2\arctan{\left(\coth\dfrac z2\right)} \\ &= \begin{cases} 2\biggl\{\cfrac\pi2 - \arctan\biggl(\tanh\cfrac z2\biggr)\biggr\} && (\Re(z)>0) \\ 2\biggl\{-\cfrac\pi2 - \arctan\biggl(\tanh\cfrac z2\biggr)\biggr\} && (\Re(z)<0) \end{cases} \end{aligned})]

    이때 [math(z = 0)]도 [math(\tanh\cfrac z2)]의 정의역에 포함되므로 편의상 양수 범위에 포함시켜서
    [math(\begin{aligned} \operatorname{gd}(z\pm\pi i) &= \begin{cases} \pi - \operatorname{gd}(z) && (\Re(z)\ge0) \\ -\pi - \operatorname{gd}(z) && (\Re(z)<0) \end{cases}\end{aligned})]

    조각적 정의지시함수를 이용해 아래처럼 하나의 식으로 표현할 수 있다.
    [math(\operatorname{gd}(z\pm\pi i) = (-1)^{{\bold 1}_{\R^-}(\Re(z))} \pi - \operatorname{gd}(z))]

  • [math(\operatorname{igd}(w\pm\pi) = \begin{cases} \pi i - \operatorname{igd}(w) && (\Im(w) \ge 0) \\ -\pi i- \operatorname{igd}(w) && (\Im(w) <0)\end{cases})]
    [math(\operatorname{gd}^{-1}(w) = \operatorname{gd}^{-1}(i(-wi)) = i\operatorname{gd}(-wi))]임을 상기하면
    [math(\begin{aligned} \operatorname{igd}(w\pm\pi) &= i\operatorname{gd}(-wi\mp\pi i) \\ &= \begin{cases} \pi i - i\operatorname{gd}(-wi) && (\Re(-wi)\ge0) \\ -\pi i -i\operatorname{gd}(-wi) && (\Re(-wi)<0)\end{cases} \\ &= \begin{cases} \pi i -\operatorname{igd}(w) && (\Im(w)\ge0) \\ -\pi i -\operatorname{igd}(w) && (\Im(w)<0)\end{cases}\end{aligned})]
  • [math(\operatorname{gd}(\pm\pi i + \overline z) = (-1)^{{\bold 1}_{\R^-}(\Re(z))} \pi - \overline{\operatorname{gd}(z)} = \begin{cases} \pi - \overline{\operatorname{gd}(z)} && (\Re(z) \ge 0) \\ -\pi - \overline{\operatorname{gd}(z)} && (\Re(z) <0) \end{cases})]
    [math(\operatorname{igd}(\pm\pi + \overline w) = (-1)^{{\bold 1}_{\R^-}(\Im(w))} \pi i - \overline{\operatorname{igd}(w)} = \begin{cases} \pi i - \overline{\operatorname{igd}(w)} && (\Im(w) \ge 0) \\ -\pi i- \overline{\operatorname{igd}(w)} && (\Im(w) <0)\end{cases})]
    상기 성질과 대칭성 항목의 성질을 종합하면 쉽게 유도할 수 있다.

[1] 람베르트 W 함수의 그 람베르트이다.[2] 람베르트가 고안한 다른 함수인 람베르트 W 함수와 혼동에 유의할 것.[3] 각 식의 꼴이 [math(\cfrac{\alpha + i\beta}A = \cfrac{\gamma + i\delta}B)]인데 편각을 구할 때 분모가 공통이므로 [math(\cfrac\beta\alpha = \cfrac\delta\gamma)]로 계산해주면 된다.