(cosθ,sinθ) が θ を変化させるにつれて単位円 x2+y2=1 を描くように、**双曲線関数(hyperbolic functions)**は単位双曲線 x2−y2=1 をパラメータ表示する:点 (cosht,sinht) はすべての実数 t 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′′=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)と双曲線正弦(hyperbolic sine)**を次で定義する:
coshx:=2ex+e−x,sinhx:=2ex−e−x.(1)
coshx は指数関数の偶数部、sinhx は奇数部と考えられる——ex=coshx+sinhx かつ e−x=coshx−sinhx 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:
tanhx:=coshxsinhx,cothx:=sinhxcoshx,
sechx:=coshx1,cschx:=sinhx1.
sinh0=0 なので、cothx と cschx は x=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:
cosh2x−sinh2x=1.
導出。 定義 (1) を代入すると:
cosh2x−sinh2x=(2ex+e−x)2−(2ex−e−x)2=4(ex+e−x)2−(ex−e−x)2.
代数的恒等式 (a+b)2−(a−b)2=4ab を a=ex, b=e−x で使うと分子は 4exe−x=4e0=4 になる。4 で割ると 1 が得られる。□
これは円の恒等式 cos2θ+sin2θ=1 と対応しており、(cosht,sinht) がすべての実数 t で x2−y2=1 を満たすことを確認している。
加法公式
すべての実数 x と y に対して:
cosh(x+y)=coshxcoshy+sinhxsinhy,
sinh(x+y)=sinhxcoshy+coshxsinhy.
定義 (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)=cosxcosy−sinxsiny, sin(x+y)=sinxcosy+cosxsiny と比較すると: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(cosh2−sinh2=1 に対して cos2+sin2=1)の直接の帰結だ。
導関数
定義 (1) を x に関して項ごとに微分すると:
(coshx)′=2ex−e−x=sinhx,(sinhx)′=2ex+e−x=coshx.
sinh と cosh は互いの導関数だ——符号の変化を伴って交互になる sin と cos と対照的に、こちらは単純に入れ替わる。
tanh については商の微分法を適用し、基本恒等式を使う:
(tanhx)′=cosh2x(sinhx)′coshx−sinhx(coshx)′=cosh2xcosh2x−sinh2x=cosh2x1=sech2x.
基本恒等式を再度使うと sech2x=1−tanh2x という別形が得られるので:
(tanhx)′=sech2x=1−tanh2x.
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.
cosh と sinh の性質
- cosh は偶関数(even):cosh(−x)=coshx。AM–GM 不等式より ex+e−x≥2ex⋅e−x=2 なので、すべての x∈R で coshx≥1 であり、等号は x=0 のときだけ成立する。y=coshx 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 は奇関数(odd):sinh(−x)=−sinhx。(sinhx)′=coshx≥1>0 なので R 全体で狭義単調増加であり、値域は R だ。
- tanh は奇関数かつ狭義単調増加で、R から開区間 (−1,1) への全射だ。x→±∞ のとき e−∣x∣→0 なので tanhx→±1 となり、y=±1 が水平漸近線になる。
逆双曲線関数
sinh は R 上で狭義単調増加だから大域的な逆関数をもつ。cosh は [0,∞) に制限するとそこで狭義単調増加になる。tanh は自然な定義域が R で値域が (−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=2ex−e−x と置き x について解く。両辺に 2ex を掛けると:
e2x−2yex−1=0.
これは ex についての2次方程式だ。2次方程式の公式より ex=y±y2+1。ex>0 かつ y2+1>∣y∣ なので正の根だけが有効だ。対数をとると:
arsinhx:=ln(x+x2+1),x∈R.
arcosh
y=coshx=2ex+e−x(x≥0)と置き解く。2ex を掛けると:
e2x−2yex+1=0,
よって ex=y±y2−1。これは y≥1 を要求する。x≥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:
arcoshx:=ln(x+x2−1),x≥1.
artanh
y=tanhx=ex+e−xex−e−x と置き解く。u=e2x と書くと:
y=u+1u−1⟹y(u+1)=u−1⟹u=1−y1+y.
u=e2x なので対数をとると 2x=ln1−y1+y、したがって:
artanhx:=21ln1−x1+x,∣x∣<1.
制限 ∣x∣<1 は tanh の値域と一致し、対数の中の 1+x と 1−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) を微分すると:
(arsinhx)′=x+x2+11⋅(1+x2+1x)=x+x2+11⋅x2+1x+x2+1=x2+11.
arsinh′(x)=x2+11,x∈R.
arcosh の導関数
x>1 で arcoshx=ln(x+x2−1) を微分すると:
(arcoshx)′=x+x2−11⋅(1+x2−1x)=x+x2−11⋅x2−1x+x2−1=x2−11.
arcosh′(x)=x2−11,x>1.
artanh の導関数
∣x∣<1 で artanhx=21ln(1+x)−21ln(1−x) と書いて微分すると:
(artanhx)′=21⋅1+x1+21⋅1−x1=21⋅(1+x)(1−x)(1−x)+(1+x)=1−x21.
artanh′(x)=1−x21,∣x∣<1.
逆三角関数の arctan′(x)=1+x21 と比較すると違いは分母の符号だけだ——これは cosh2−sinh2=1 と cos2+sin2=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 | coshx |
| coshx | sinhx |
| tanhx | sech2x |
| cothx | −csch2x |
| sechx | −sechxtanhx |
| cschx | −cschxcothx |
まとめ
- 双曲線関数は指数関数を通じて定義される:coshx:=2ex+e−x、sinhx:=2ex−e−x、tanhx:=coshxsinhx。
- 基本恒等式 cosh2x−sinh2x=1 はピタゴラスの恒等式と対応し、(cosht,sinht) が単位双曲線上にあることを示す。
- 導関数:(sinhx)′=coshx、(coshx)′=sinhx、(tanhx)′=sech2x。
- cosh は偶関数で coshx≥1;sinh は奇関数で値域が R の狭義単調増加;tanh は R から (−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)(R 上で定義)。
- arcoshx=ln(x+x2−1)([1,∞) 上で定義)。
- artanhx=21ln1−x1+x((−1,1) 上で定義)。
- その導関数 x2+11、x2−11、1−x21 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。