y=arsechxy = \operatorname{arsech} x

逆双曲線正割 y=arsechxy = \operatorname{arsech} x

arsechx\operatorname{arsech} x(逆双曲線正割)は、双曲線正割 sechx=1coshx\operatorname{sech} x = \dfrac{1}{\cosh x} の逆関数です1sech\operatorname{sech} は偶関数なので実数全体では一対一になりません。そこで x0x \geq 0 の部分に制限すると、値が 11 から 00 へ単調に減るので逆関数が定まります。

定義と閉形式

sechy=x\operatorname{sech} y = xcoshy=1x\cosh y = \dfrac{1}{x} と同じですから、arsechx=arcosh1x\operatorname{arsech} x = \operatorname{arcosh}\dfrac{1}{x} です。対数で書くと次のようになります。

arsechx=ln1+1x2x\operatorname{arsech} x = \ln\frac{1 + \sqrt{1-x^{2}}}{x}

定義域と値域

  • 定義域は 0<x10 < x \leq 1
  • 値域は y0y \geq 0
  • 単調に減少する
  • 偶でも奇でもない

sech\operatorname{sech} の値域が (0,1](0, 1] だったので、逆関数の定義域はその区間になります。x=1x = 1 のとき y=0y = 0 で、x0+x \to 0^{+} では ln2x+\ln\dfrac{2}{x} \to +\infty となるため、yy 軸が垂直漸近線です。

増減

導関数は次のとおりです。

ddxarsechx=1x1x2\frac{d}{dx}\operatorname{arsech} x = -\frac{1}{x\sqrt{1-x^{2}}}

定義域上つねに負ですから単調に減少します。x1x \to 1^{-} では 1x20\sqrt{1-x^{2}} \to 0 より導関数が発散するので、点 (1,0)(1, 0) での接線は垂直です。曲線は右端で縦に立ち上がり、左へ向かって yy 軸に沿って伸びていきます。

凹凸

二階導関数は 12x2x2(1x2)3/2\dfrac{1-2x^{2}}{x^{2}(1-x^{2})^{3/2}} です。分母は正なので符号は 12x21-2x^{2} で決まり、x=12x = \dfrac{1}{\sqrt{2}} の前後で切り替わります。変曲点はこの一点だけで、そこでの値は arcosh2=ln(1+2)0.881\operatorname{arcosh}\sqrt{2} = \ln(1+\sqrt{2}) \approx 0.881 です。左側では下に凸、右側では上に凸になります。

特徴的な値

xxarsechx\operatorname{arsech} x
0.10.12.9932\approx 2.9932
0.50.5ln(2+3)1.3170\ln(2+\sqrt{3}) \approx 1.3170
12\dfrac{1}{\sqrt{2}}ln(1+2)0.8814\ln(1+\sqrt{2}) \approx 0.8814
1100

他の逆双曲線関数との違い

関数定義域
arsinhx\operatorname{arsinh} xすべての実数
arcoshx\operatorname{arcosh} xx1x \geq 1
artanhx\operatorname{artanh} x1<x<1-1 < x < 1
arsechx\operatorname{arsech} x0<x10 < x \leq 1

arsech\operatorname{arsech} だけが有界な区間を受けもちます。もとの sech\operatorname{sech} が偶関数で有界だったことが、逆関数の側では定義域の狭さと、値を正に限る制限として現れています。

追跡線との関係

追跡線(トラクトリックス)は次の式で与えられますが、第一項がまさにこの関数です2

y=ln1+1x2x1x2=arsechx1x2y = \ln\frac{1+\sqrt{1-x^{2}}}{x} - \sqrt{1-x^{2}} = \operatorname{arsech} x - \sqrt{1-x^{2}}

長さ一定のひもで引かれる物体の軌跡が、逆双曲線正割から半円を引いた形になっているわけです。追跡線を回転させた擬球が負の定曲率をもつことと合わせて、この関数は非ユークリッド幾何の側からも顔を出します。

  1. Inverse hyperbolic functions、Wikipedia
  2. Tractrix、Wikipedia