y=cschxy = \operatorname{csch} x

双曲線余割関数 y=cschxy = \operatorname{csch} x のグラフ

双曲線余割関数 y=cschxy = \operatorname{csch} x は、双曲線正弦の逆数として定義されます1

cschx=1sinhx=2exex\operatorname{csch} x = \frac{1}{\sinh x} = \frac{2}{e^{x} - e^{-x}}

三角関数の余割 cscx\csc x に対応する双曲線関数です。双曲線正割 sechx=1coshx\operatorname{sech} x = \dfrac{1}{\cosh x} と対をなしますが、coshx\cosh x が決して 00 にならないのに対し sinhx\sinh x は原点で 00 になるため、性質はまったく違ってきます。

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

sech\operatorname{sech} が全実数で定義され値域が (0,1](0, 1] に収まる有界な関数だったのとは対照的に、こちらは定義域が二つに割れ、値も限りなく大きくなります。

対称性と符号

sinh\sinh が奇関数なので、その逆数であるこの関数も奇関数で、グラフは原点に関して点対称です。x>0x > 0 では y>0y > 0x<0x < 0 では y<0y < 0 となり、曲線は第 11 象限と第 33 象限に現れます。

増減

導関数は ddxcschx=cschxcothx\dfrac{d}{dx}\operatorname{csch} x = -\operatorname{csch} x \coth x です。x>0x > 0 では cschx\operatorname{csch} xcothx\coth x も正なので導関数は負、x<0x < 0 では両方とも負なので積が正になり全体では負です。したがってどちらの枝でも単調に減少し、極値はありません。

凹凸と漸近線

二階導関数は cosh2x+1sinh3x\dfrac{\cosh^{2}x + 1}{\sinh^{3}x} で、分子はつねに正ですから符号は sinh3x\sinh^{3}x、すなわち xx の符号と一致します。x>0x > 0 では下に凸、x<0x < 0 では上に凸で、変曲点はありません。

近づき方cschx\operatorname{csch} 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。

二つの顔

原点の近くでは sinhxx\sinh x \approx x なので反比例とほとんど区別がつかず、遠方では指数的に 00 へ落ちます。

範囲近似
原点付近cschx1x\operatorname{csch} x \approx \dfrac{1}{x}
xx が大きいcschx2ex\operatorname{csch} x \approx 2e^{-x}

実際 csch(0.001)999.9998\operatorname{csch}(0.001) \approx 999.9998 で、1x=1000\dfrac{1}{x} = 1000 とほぼ同じです。原点付近は反比例、遠方は指数減衰という二つの顔をもつ関数です。

xxcschx\operatorname{csch} x
0.50.51.9190\approx 1.9190
110.8509\approx 0.8509
220.2757\approx 0.2757
330.0998\approx 0.0998

恒等式と積分

三角関数の csc2θcot2θ=1\csc^{2}\theta - \cot^{2}\theta = 1 に対応して、次が成り立ちます。

coth2xcsch2x=1\coth^{2}x - \operatorname{csch}^{2}x = 1

また cothxcschx=tanhx2\coth x - \operatorname{csch} x = \tanh\dfrac{x}{2} という半角の関係もあります。不定積分は三角関数の場合とそのまま対応しています。

cschxdx=lntanhx2+C\int \operatorname{csch} x\,dx = \ln\left|\tanh\frac{x}{2}\right| + C
  1. Hyperbolic functions、Wikipedia