y=sech⁡xy = \operatorname{sech} x

双曲線正割関数 y=sech⁡xy = \operatorname{sech} x のグラフ

双曲線正割関数 y=sech⁡xy = \operatorname{sech} x は、双曲線余弦の逆数として定義されます1。

sech⁡x=1cosh⁡x=2ex+e−x\operatorname{sech} x = \frac{1}{\cosh x} = \frac{2}{e^x + e^{-x}}

「ハイパボリックセカント」と読み、三角関数の正割 sec⁡x\sec x に対応する双曲線関数です。

定義域と値域

  • 定義域はすべての実数
  • 値域は半開区間 (0,1](0, 1]
  • 最大値 11 を x=0x = 0 でとる
  • 偶関数

分母の cosh⁡x\cosh x はつねに 11 以上で 00 にならないため、すべての実数で定義されます。cosh⁡x≥1\cosh x \geq 1 より値は 11 以下に収まり、00 には到達しません。sec⁡x\sec x が漸近線をもち ∣y∣≥1|y| \geq 1 だったのとは正反対で、こちらは有界でなめらかです。

対称性

cosh⁡x\cosh x が偶関数なので、その逆数である sech⁡x\operatorname{sech} x も偶関数です。グラフは yy 軸に関して線対称になります。

増減と最大点

導関数は ddxsech⁡x=−sech⁡xtanh⁡x\dfrac{d}{dx}\operatorname{sech} x = -\operatorname{sech} x \tanh x です。sech⁡x\operatorname{sech} x は正なので符号は −tanh⁡x-\tanh x で決まり、x<0x < 0 で増加、x>0x > 0 で減少します。最大点は (0,1)(0, 1) です。

漸近線と減衰

x→±∞x \to \pm\infty のとき cosh⁡x→∞\cosh x \to \infty なので sech⁡x→0\operatorname{sech} x \to 0 となり、xx 軸が水平漸近線です。ただし値はつねに正なので、曲線は上側から 00 に近づきます。

遠方では cosh⁡x≈e∣x∣2\cosh x \approx \dfrac{e^{|x|}}{2} なので、次のように指数的に減衰します。

sech⁡x≈2e−∣x∣\operatorname{sech} x \approx 2e^{-|x|}
xxsech⁡x\operatorname{sech} x
0011
11≈0.6481\approx 0.6481
22≈0.2658\approx 0.2658
33≈0.0993\approx 0.0993

左右対称で中央が盛り上がり、両側へなめらかに減衰していく釣鐘型の曲線です。正規分布の密度関数にも似た形ですが、裾の減衰は指数的で、ガウス関数ほど急ではありません。

恒等式

cosh⁡2x−sinh⁡2x=1\cosh^2 x - \sinh^2 x = 1 の両辺を cosh⁡2x\cosh^2 x で割ると、次が得られます。

1−tanh⁡2x=sech⁡2x1 - \tanh^2 x = \operatorname{sech}^2 x

右辺は tanh⁡x\tanh x の導関数と一致します。三角関数の 1+tan⁡2x=sec⁡2x1 + \tan^2 x = \sec^2 x と、符号だけが違う対応になっています。

応用

なめらかな釣鐘型は、非線形波動を記述する方程式のソリトン解に現れます2。孤立波の波形は sech⁡\operatorname{sech} や sech⁡2\operatorname{sech}^2 の形で表されます。

  • KdV 方程式や非線形シュレーディンガー方程式のソリトン
  • 光ファイバー中を形を変えずに進む光パルス
  • 浅い水面を進む孤立波
  1. Hyperbolic functions、Wikipedia
  2. Soliton、Wikipedia