y=arcschxy = \operatorname{arcsch} x

逆双曲線余割 y=arcschxy = \operatorname{arcsch} x

arcschx\operatorname{arcsch} x(逆双曲線余割)は、双曲線余割 cschx=1sinhx\operatorname{csch} x = \dfrac{1}{\sinh x} の逆関数です1csch\operatorname{csch}x0x \neq 0 の各枝を y0y \neq 0 へ単調に写すので、逆関数の定義域も x0x \neq 0、値域も y0y \neq 0 になります。

定義と閉形式

cschy=x\operatorname{csch} y = xsinhy=1x\sinh y = \dfrac{1}{x} と同じですから、arcschx=arsinh1x\operatorname{arcsch} x = \operatorname{arsinh}\dfrac{1}{x} です。対数で書くと次のようになります。

arcschx=ln(1x+1x2+1)\operatorname{arcsch} x = \ln\left(\frac{1}{x} + \sqrt{\frac{1}{x^{2}} + 1}\right)

arsinh\operatorname{arsinh} が実数全体で定義されるので、1x\dfrac{1}{x} が定まりさえすれば値が決まります。それが定義域 x0x \neq 0 の理由です。

定義域と値域

  • 定義域は x0x \neq 0
  • 値域は y0y \neq 0
  • 各枝で単調に減少する
  • 奇関数

対称性と漸近線

csch\operatorname{csch} 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arcschx\operatorname{arcsch} x
x0+x \to 0^{+}+\to +\infty
x0x \to 0^{-}\to -\infty
x±x \to \pm\infty0\to 0

yy 軸が垂直漸近線、xx 軸が水平漸近線です。

増減と凹凸

導関数は 1x1+x2-\dfrac{1}{|x|\sqrt{1+x^{2}}} で、定義域上つねに負ですからどちらの枝でも単調に減少します。二階導関数の符号は xx と同じで、x>0x > 0 では下に凸、x<0x < 0 では上に凸となり、変曲点はありません。

発散の遅さ

もとの cschx\operatorname{csch} x が原点付近で 1x\dfrac{1}{x} のように激しく発散したのに対し、逆関数のこちらは ln2x\ln\dfrac{2}{x} 程度でしか発散しません。

xxarcschx\operatorname{arcsch} x
0.0010.0017.6009\approx 7.6009
0.50.51.4436\approx 1.4436
11ln(1+2)0.8814\ln(1+\sqrt{2}) \approx 0.8814
220.4812\approx 0.4812

arcsch(0.001)7.6009\operatorname{arcsch}(0.001) \approx 7.6009ln20007.6009\ln 2000 \approx 7.6009 と一致します。xx10001000 分の 11 にしても値は 88 程度にしかならないわけで、対数の増え方の遅さがそのまま出ています。逆関数をとると発散の激しさが対数に置き換わるという、一般的な事情の具体例になっています。

遠方での振る舞い

x|x| が大きいところでは 1x\dfrac{1}{x} が小さくなり、arsinhuu\operatorname{arsinh} u \approx u が使えるので arcschx1x\operatorname{arcsch} x \approx \dfrac{1}{x} となります。

範囲cschx\operatorname{csch} xarcschx\operatorname{arcsch} x
原点付近1x\approx \dfrac{1}{x}(反比例)ln2x\approx \ln\dfrac{2}{x}(対数)
遠方2ex\approx 2e^{-x}(指数減衰)1x\approx \dfrac{1}{x}(反比例)

もとの関数と逆関数で、原点付近と遠方の役割がちょうど入れ替わっています。

逆双曲線関数の全体像

これで逆双曲線関数は六つが出そろいます。もとの双曲線関数の値域が、そのまま逆関数の定義域に移ってきています。

関数定義域値域
arsinhx\operatorname{arsinh} xすべての実数すべての実数
arcoshx\operatorname{arcosh} xx1x \geq 1y0y \geq 0
artanhx\operatorname{artanh} x1<x<1-1 < x < 1すべての実数
arcothx\operatorname{arcoth} xx>1|x| > 1y0y \neq 0
arsechx\operatorname{arsech} x0<x10 < x \leq 1y0y \geq 0
arcschx\operatorname{arcsch} xx0x \neq 0y0y \neq 0

接頭辞の ar は area の略で、双曲線扇形の面積を表すことに由来します。三角関数側の arc が円弧の長さを指すのと対をなす名前です。

  1. Inverse hyperbolic functions、Wikipedia