y=arcoth⁡xy = \operatorname{arcoth} x

逆双曲線余接 y=arcoth⁡xy = \operatorname{arcoth} x

arcoth⁡x\operatorname{arcoth} x(逆双曲線余接)は、双曲線余接 coth⁡x=cosh⁡xsinh⁡x\coth x = \dfrac{\cosh x}{\sinh x} の逆関数です1。coth⁡\coth は x≠0x \neq 0 の各枝を ∣y∣>1|y| > 1 の範囲へ単調に写すので、その逆関数の定義域は ∣x∣>1|x| > 1 になります。

定義と閉形式

y=arcoth⁡xy = \operatorname{arcoth} x は x=coth⁡yx = \coth y を満たす yy です。対数を使うと次のように書けます。

arcoth⁡x=12ln⁡x+1x−1\operatorname{arcoth} x = \frac{1}{2}\ln\frac{x+1}{x-1}

真数 x+1x−1\dfrac{x+1}{x-1} が正になるのは x>1x > 1 または x<−1x < -1 のときで、これが定義域と一致します。

定義域と値域

  • 定義域は x<−1x < -1 または x>1x > 1
  • 値域は y≠0y \neq 0
  • 各枝で単調に減少する
  • 奇関数

−1≤x≤1-1 \leq x \leq 1 には値がありません。値域から 00 が抜けるのは、coth⁡\coth が 00 という値をとらないことの裏返しです。

対称性と漸近線

coth⁡\coth が奇関数なので逆関数も奇関数で、グラフは原点に関して点対称です。

近づき方arcoth⁡x\operatorname{arcoth} x
x→1+x \to 1^{+}→+∞\to +\infty
x→−1−x \to -1^{-}→−∞\to -\infty
x→±∞x \to \pm\infty→0\to 0

x=1x = 1 と x=−1x = -1 が垂直漸近線、xx 軸が水平漸近線です。

増減と凹凸

導関数は ddxarcoth⁡x=11−x2\dfrac{d}{dx}\operatorname{arcoth} x = \dfrac{1}{1-x^{2}} です。定義域では x2>1x^{2} > 1 なので分母は負、つまり導関数はつねに負で、どちらの枝でも単調に減少します。

二階導関数は 2x(1−x2)2\dfrac{2x}{(1-x^{2})^{2}} で符号は xx と同じですから、x>1x > 1 では下に凸、x<−1x < -1 では上に凸となり、変曲点はありません。

特徴的な値

xxarcoth⁡x\operatorname{arcoth} x
1.51.512ln⁡5≈0.8047\dfrac{1}{2}\ln 5 \approx 0.8047
2212ln⁡3≈0.5493\dfrac{1}{2}\ln 3 \approx 0.5493
3312ln⁡2≈0.3466\dfrac{1}{2}\ln 2 \approx 0.3466
1010≈0.1003\approx 0.1003

逆双曲線正接との関係

導関数の式 11−x2\dfrac{1}{1-x^{2}} は、逆双曲線正接 artanh⁡x\operatorname{artanh} x の導関数とまったく同じです。違うのは定義域で、二つの関数が同じ式を互いに補い合う範囲で担当しています。

項目artanh⁡x\operatorname{artanh} xarcoth⁡x\operatorname{arcoth} x
定義域∣x∣<1|x| < 1∣x∣>1|x| > 1
値域すべての実数y≠0y \neq 0
導関数11−x2\dfrac{1}{1-x^{2}}11−x2\dfrac{1}{1-x^{2}}
増減単調増加各枝で単調減少

この事情から、積分 ∫dx1−x2\int \dfrac{dx}{1-x^{2}} の答えは区間によって書き分けることになります。もっとも、絶対値をつければ両方をまとめられます。

∫dx1−x2=12ln⁡∣1+x1−x∣+C\int \frac{dx}{1-x^{2}} = \frac{1}{2}\ln\left|\frac{1+x}{1-x}\right| + C

逆数を通じた関係

arcoth⁡x=artanh⁡1x\operatorname{arcoth} x = \operatorname{artanh}\frac{1}{x}

∣x∣>1|x| > 1 のとき ∣1x∣<1\left|\dfrac{1}{x}\right| < 1 ですから、右辺はちょうど artanh⁡\operatorname{artanh} の定義域に収まります。coth⁡\coth が tanh⁡\tanh の逆数であることが、逆関数の側では引数の逆数として現れる形です。

  1. Inverse hyperbolic functions、Wikipedia