双曲線関数とその逆関数

Basis
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前提知識

(cosθ,sinθ)(\cos\theta, \sin\theta)θ\theta を変化させるにつれて単位円 x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 を描くように、**双曲線関数(hyperbolic functions)**は単位双曲線 x2y2=1x^2 - y^2 = 1 をパラメータ表示する:点 (cosht,sinht)(\cosh t, \sinh t) はすべての実数 tt に対してその双曲線上にある。幾何学的な描像のほか、これらは微分方程式 y=yy'' = y の解として自然に現れ、垂れ下がるケーブルの形(カテナリー(catenary))を記述し、特殊相対性理論のローレンツ変換にも登場する。三角関数と違って周期をもたない——直接指数関数から構成されるからだ。

定義

**双曲線余弦(hyperbolic cosine)双曲線正弦(hyperbolic sine)**を次で定義する:

coshxex+ex2,sinhxexex2.(1)\cosh x \coloneqq \frac{e^x + e^{-x}}{2}, \qquad \sinh x \coloneqq \frac{e^x - e^{-x}}{2}. \tag{1}

coshx\cosh x は指数関数の偶数部sinhx\sinh x奇数部と考えられる——ex=coshx+sinhxe^x = \cosh x + \sinh x かつ ex=coshxsinhxe^{-x} = \cosh x - \sinh x が成り立つからだ。

残りの4つの双曲線関数はこの2つの比として定義される:

tanhxsinhxcoshx,cothxcoshxsinhx,\tanh x \coloneqq \frac{\sinh x}{\cosh x}, \qquad \operatorname{coth} x \coloneqq \frac{\cosh x}{\sinh x}, sechx1coshx,cschx1sinhx.\operatorname{sech} x \coloneqq \frac{1}{\cosh x}, \qquad \operatorname{csch} x \coloneqq \frac{1}{\sinh x}.

sinh0=0\sinh 0 = 0 なので、cothx\operatorname{coth} xcschx\operatorname{csch} xx=0x = 0 で未定義であることに注意。

基本恒等式

双曲線関数間の中心的な代数的関係は:

cosh2xsinh2x=1.\cosh^2 x - \sinh^2 x = 1.

導出。 定義 (1)(1) を代入すると:

cosh2xsinh2x=(ex+ex2) ⁣2(exex2) ⁣2=(ex+ex)2(exex)24.\cosh^2 x - \sinh^2 x = \left(\frac{e^x + e^{-x}}{2}\right)^{\!2} - \left(\frac{e^x - e^{-x}}{2}\right)^{\!2} = \frac{(e^x + e^{-x})^2 - (e^x - e^{-x})^2}{4}.

代数的恒等式 (a+b)2(ab)2=4ab(a + b)^2 - (a - b)^2 = 4aba=exa = e^x, b=exb = e^{-x} で使うと分子は 4exex=4e0=44e^x e^{-x} = 4e^0 = 4 になる。44 で割ると 11 が得られる。\square

これは円の恒等式 cos2θ+sin2θ=1\cos^2\theta + \sin^2\theta = 1 と対応しており、(cosht,sinht)(\cosh t,\, \sinh t) がすべての実数 ttx2y2=1x^2 - y^2 = 1 を満たすことを確認している。

加法公式

すべての実数 xxyy に対して:

cosh(x+y)=coshxcoshy+sinhxsinhy,\cosh(x + y) = \cosh x \cosh y + \sinh x \sinh y, sinh(x+y)=sinhxcoshy+coshxsinhy.\sinh(x + y) = \sinh x \cosh y + \cosh x \sinh y.

定義 (1)(1) を代入して展開することでこれらを確認できる。円関数の公式 cos(x+y)=cosxcosysinxsiny\cos(x+y) = \cos x\cos y - \sin x\sin y, sin(x+y)=sinxcosy+cosxsiny\sin(x+y) = \sin x\cos y + \cos x\sin y と比較すると:cosh\cosh の加法公式はコサインの公式に比べて符号が - から ++ に変わっている。この符号の違いは基本恒等式の符号の差(cosh2sinh2=1\cosh^2 - \sinh^2 = 1 に対して cos2+sin2=1\cos^2 + \sin^2 = 1)の直接の帰結だ。

導関数

定義 (1)(1)xx に関して項ごとに微分すると:

(coshx)=exex2=sinhx,(sinhx)=ex+ex2=coshx.(\cosh x)' = \frac{e^x - e^{-x}}{2} = \sinh x, \qquad (\sinh x)' = \frac{e^x + e^{-x}}{2} = \cosh x.

sinh\sinhcosh\cosh は互いの導関数だ——符号の変化を伴って交互になる sin\sincos\cos と対照的に、こちらは単純に入れ替わる。

tanh\tanh については商の微分法を適用し、基本恒等式を使う:

(tanhx)=(sinhx)coshxsinhx(coshx)cosh2x=cosh2xsinh2xcosh2x=1cosh2x=sech2x.(\tanh x)' = \frac{(\sinh x)'\cosh x - \sinh x\,(\cosh x)'}{\cosh^2 x} = \frac{\cosh^2 x - \sinh^2 x}{\cosh^2 x} = \frac{1}{\cosh^2 x} = \operatorname{sech}^2 x.

基本恒等式を再度使うと sech2x=1tanh2x\operatorname{sech}^2 x = 1 - \tanh^2 x という別形が得られるので:

(tanhx)=sech2x=1tanh2x.(\tanh x)' = \operatorname{sech}^2 x = 1 - \tanh^2 x.

残り3つの関数の導関数は商の微分法と連鎖律から従う:

(cothx)=csch2x,(sechx)=sechxtanhx,(cschx)=cschxcothx.(\operatorname{coth} x)' = -\operatorname{csch}^2 x, \qquad (\operatorname{sech} x)' = -\operatorname{sech} x\tanh x, \qquad (\operatorname{csch} x)' = -\operatorname{csch} x\operatorname{coth} x.

cosh\coshsinh\sinh の性質

  • cosh\cosh偶関数(even)cosh(x)=coshx\cosh(-x) = \cosh x。AM–GM 不等式より ex+ex2exex=2e^x + e^{-x} \geq 2\sqrt{e^x \cdot e^{-x}} = 2 なので、すべての xRx \in \mathbb{R}coshx1\cosh x \geq 1 であり、等号は x=0x = 0 のときだけ成立する。y=coshxy = \cosh x のグラフはカテナリー——重力の下で垂れ下がる一様な柔軟なチェーンの形だ。
  • sinh\sinh奇関数(odd)sinh(x)=sinhx\sinh(-x) = -\sinh x(sinhx)=coshx1>0(\sinh x)' = \cosh x \geq 1 > 0 なので R\mathbb{R} 全体で狭義単調増加であり、値域は R\mathbb{R} だ。
  • tanh\tanh は奇関数かつ狭義単調増加で、R\mathbb{R} から開区間 (1,1)(-1, 1) への全射だ。x±x \to \pm\infty のとき ex0e^{-|x|} \to 0 なので tanhx±1\tanh x \to \pm 1 となり、y=±1y = \pm 1 が水平漸近線になる。

逆双曲線関数

sinh\sinhR\mathbb{R} 上で狭義単調増加だから大域的な逆関数をもつ。cosh\cosh[0,)[0, \infty) に制限するとそこで狭義単調増加になる。tanh\tanh は自然な定義域が R\mathbb{R} で値域が (1,1)(-1, 1) だ。

注目すべき特徴は、3つの逆関数すべてが対数を使った**閉じた形の式(closed-form expression)**をもつことだ。

arsinh

y=sinhx=exex2y = \sinh x = \dfrac{e^x - e^{-x}}{2} と置き xx について解く。両辺に 2ex2e^x を掛けると:

e2x2yex1=0.e^{2x} - 2y\,e^x - 1 = 0.

これは exe^x についての2次方程式だ。2次方程式の公式より ex=y±y2+1e^x = y \pm \sqrt{y^2 + 1}ex>0e^x > 0 かつ y2+1>y\sqrt{y^2+1} > |y| なので正の根だけが有効だ。対数をとると:

arsinhxln ⁣(x+x2+1),xR.\operatorname{arsinh} x \coloneqq \ln\!\left(x + \sqrt{x^2 + 1}\right), \qquad x \in \mathbb{R}.

arcosh

y=coshx=ex+ex2y = \cosh x = \dfrac{e^x + e^{-x}}{2}x0x \geq 0)と置き解く。2ex2e^x を掛けると:

e2x2yex+1=0,e^{2x} - 2y\,e^x + 1 = 0,

よって ex=y±y21e^x = y \pm \sqrt{y^2 - 1}。これは y1y \geq 1 を要求する。x0x \geq 0 に対応するのは大きい方の根なので ++ 符号を選ぶ。対数をとると:

arcoshxln ⁣(x+x21),x1.\operatorname{arcosh} x \coloneqq \ln\!\left(x + \sqrt{x^2 - 1}\right), \qquad x \geq 1.

artanh

y=tanhx=exexex+exy = \tanh x = \dfrac{e^x - e^{-x}}{e^x + e^{-x}} と置き解く。u=e2xu = e^{2x} と書くと:

y=u1u+1y(u+1)=u1u=1+y1y.y = \frac{u - 1}{u + 1} \quad\Longrightarrow\quad y(u + 1) = u - 1 \quad\Longrightarrow\quad u = \frac{1 + y}{1 - y}.

u=e2xu = e^{2x} なので対数をとると 2x=ln ⁣1+y1y2x = \ln\!\dfrac{1+y}{1-y}、したがって:

artanhx12ln1+x1x,x<1.\operatorname{artanh} x \coloneqq \frac{1}{2}\ln\frac{1 + x}{1 - x}, \qquad |x| < 1.

制限 x<1|x| < 1tanh\tanh の値域と一致し、対数の中の 1+x1 + x1x1 - x を両方正に保つ。

逆双曲線関数の導関数

対数表示を直接微分するか逆関数定理を使うかで求められる。両方の方法を以下に示す。

arsinh の導関数

arsinhx=ln ⁣(x+x2+1)\operatorname{arsinh} x = \ln\!\left(x + \sqrt{x^2+1}\right) を微分すると:

(arsinhx)=1x+x2+1(1+xx2+1)=1x+x2+1x+x2+1x2+1=1x2+1.(\operatorname{arsinh} x)' = \frac{1}{x + \sqrt{x^2+1}} \cdot \left(1 + \frac{x}{\sqrt{x^2+1}}\right) = \frac{1}{x + \sqrt{x^2+1}} \cdot \frac{x + \sqrt{x^2+1}}{\sqrt{x^2+1}} = \frac{1}{\sqrt{x^2+1}}. arsinh(x)=1x2+1,xR.\operatorname{arsinh}'(x) = \frac{1}{\sqrt{x^2 + 1}}, \qquad x \in \mathbb{R}.

arcosh の導関数

x>1x > 1arcoshx=ln ⁣(x+x21)\operatorname{arcosh} x = \ln\!\left(x + \sqrt{x^2-1}\right) を微分すると:

(arcoshx)=1x+x21(1+xx21)=1x+x21x+x21x21=1x21.(\operatorname{arcosh} x)' = \frac{1}{x + \sqrt{x^2-1}} \cdot \left(1 + \frac{x}{\sqrt{x^2-1}}\right) = \frac{1}{x + \sqrt{x^2-1}} \cdot \frac{x + \sqrt{x^2-1}}{\sqrt{x^2-1}} = \frac{1}{\sqrt{x^2-1}}. arcosh(x)=1x21,x>1.\operatorname{arcosh}'(x) = \frac{1}{\sqrt{x^2 - 1}}, \qquad x > 1.

artanh の導関数

x<1|x| < 1artanhx=12ln(1+x)12ln(1x)\operatorname{artanh} x = \dfrac{1}{2}\ln(1+x) - \dfrac{1}{2}\ln(1-x) と書いて微分すると:

(artanhx)=1211+x+1211x=12(1x)+(1+x)(1+x)(1x)=11x2.(\operatorname{artanh} x)' = \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{1+x} + \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{1-x} = \frac{1}{2} \cdot \frac{(1-x) + (1+x)}{(1+x)(1-x)} = \frac{1}{1 - x^2}. artanh(x)=11x2,x<1.\operatorname{artanh}'(x) = \frac{1}{1 - x^2}, \qquad |x| < 1.

逆三角関数arctan(x)=11+x2\arctan'(x) = \dfrac{1}{1+x^2} と比較すると違いは分母の符号だけだ——これは cosh2sinh2=1\cosh^2 - \sinh^2 = 1cos2+sin2=1\cos^2 + \sin^2 = 1 の符号の違いを反映している。

導関数の一覧

6つの双曲線関数の導関数をまとめておく:

関数導関数
sinhx\sinh xcoshx\cosh x
coshx\cosh xsinhx\sinh x
tanhx\tanh xsech2x\operatorname{sech}^2 x
cothx\operatorname{coth} xcsch2x-\operatorname{csch}^2 x
sechx\operatorname{sech} xsechxtanhx-\operatorname{sech} x\tanh x
cschx\operatorname{csch} xcschxcothx-\operatorname{csch} x\operatorname{coth} x

まとめ

  • 双曲線関数は指数関数を通じて定義される:coshxex+ex2\cosh x \coloneqq \dfrac{e^x+e^{-x}}{2}sinhxexex2\sinh x \coloneqq \dfrac{e^x-e^{-x}}{2}tanhxsinhxcoshx\tanh x \coloneqq \dfrac{\sinh x}{\cosh x}
  • 基本恒等式 cosh2xsinh2x=1\cosh^2 x - \sinh^2 x = 1 はピタゴラスの恒等式と対応し、(cosht,sinht)(\cosh t, \sinh t) が単位双曲線上にあることを示す。
  • 導関数(sinhx)=coshx(\sinh x)' = \cosh x(coshx)=sinhx(\cosh x)' = \sinh x(tanhx)=sech2x(\tanh x)' = \operatorname{sech}^2 x
  • cosh\cosh偶関数coshx1\cosh x \geq 1sinh\sinh奇関数で値域が R\mathbb{R} の狭義単調増加;tanh\tanhR\mathbb{R} から (1,1)(-1, 1) への全射。
  • 逆双曲線関数は対数を使った閉じた形で代数的に導かれる:
    • arsinhx=ln ⁣(x+x2+1)\operatorname{arsinh} x = \ln\!\left(x + \sqrt{x^2+1}\right)R\mathbb{R} 上で定義)。
    • arcoshx=ln ⁣(x+x21)\operatorname{arcosh} x = \ln\!\left(x + \sqrt{x^2-1}\right)[1,)[1, \infty) 上で定義)。
    • artanhx=12ln1+x1x\operatorname{artanh} x = \dfrac{1}{2}\ln\dfrac{1+x}{1-x}(1,1)(-1, 1) 上で定義)。
  • その導関数 1x2+1\dfrac{1}{\sqrt{x^2+1}}1x21\dfrac{1}{\sqrt{x^2-1}}11x2\dfrac{1}{1-x^2} は逆三角関数の導関数と密接に対応しており、違いは平方根の中と分母の符号だけだ。