y=artanhxy = \operatorname{artanh} x

逆双曲線正接 y=artanhxy = \operatorname{artanh} x

artanhx\operatorname{artanh} x(逆双曲線正接、area hyperbolic tangent)は、双曲線正接 tanhx\tanh x の逆関数です1tanh\tanh は全実数を開区間 (1,1)(-1, 1) へ単調に写すため、その逆関数の定義域は (1,1)(-1, 1) になります。

定義と閉形式

y=artanhxy = \operatorname{artanh} xx=tanhyx = \tanh y を満たす yy です。対数を用いると次のように書けます。

artanhx=12ln1+x1x\operatorname{artanh} x = \frac{1}{2}\ln\frac{1 + x}{1 - x}

この式は 1+x1x>0\dfrac{1 + x}{1 - x} > 0、すなわち 1<x<1-1 < x < 1 で意味をもちます。

定義域と値域

  • 定義域は開区間 (1,1)(-1, 1)
  • 値域はすべての実数
  • 単調に増加する
  • 奇関数

両端 x=±1x = \pm 1 は含みません。tanh\tanh±1\pm 1 という値に決して達しなかったことの裏返しです。

対称性と増減

artanh(x)=artanhx\operatorname{artanh}(-x) = -\operatorname{artanh} x が成り立つ奇関数で、グラフは原点対称です。導関数は次のとおりです。

ddxartanhx=11x2\frac{d}{dx}\operatorname{artanh} x = \frac{1}{1 - x^2}

定義域内では分母が正なのでつねに正となり、単調に増加します。

漸近線

近づき方artanhx\operatorname{artanh} x
x1x \to 1^{-}+\to +\infty
x1+x \to -1^{+}\to -\infty

直線 x=1x = 1x=1x = -1 が垂直漸近線です。有界だった tanh\tanh の逆関数なので、狭い区間のなかで値が限りなく大きくなります。

特徴的な値

xxartanhx\operatorname{artanh} x
0000
0.50.512ln30.5493\dfrac{1}{2}\ln 3 \approx 0.5493
0.90.91.4722\approx 1.4722
0.990.992.6467\approx 2.6467

原点付近では artanhxx\operatorname{artanh} x \approx x ですが、端に近づくと急に立ち上がります。ただし発散は対数的なので、xx0.990.99 から 0.9990.999 にしても値は 3.83.8 程度にしかなりません。

級数展開

原点のまわりの展開は奇数次の項だけからなり、x<1|x| < 1 で収束します。

artanhx=x+x33+x55+\operatorname{artanh} x = x + \frac{x^3}{3} + \frac{x^5}{5} + \cdots

arctanx\arctan x の展開と係数は同じで、符号が交互に入れ替わらない点だけが違います。

応用

  • 統計学のフィッシャーの zz 変換(相関係数の変換)2
  • 特殊相対性理論における速度の合成(ラピディティ)
  • 積分 dx1x2\int \frac{dx}{1 - x^2} の結果

ラピディティでは、速度の合成が artanh\operatorname{artanh} を通すと単なる足し算になります。有界な速度の世界を、無限に広がる直線へ引き伸ばす座標変換だと見ることができます。

  1. Inverse hyperbolic functions、Wikipedia
  2. Fisher transformation、Wikipedia