y=sgnx 符号関数 y=sgnx のグラフ
y=sgnx は符号関数と呼ばれ、実数 x の符号だけを取り出して 3 つの値のいずれかを返します1。
sgnx=⎩⎨⎧10−1(x>0)(x=0)(x<0) | x | sgnx |
|---|
| 3.5 | 1 |
| 0 | 0 |
| −2 | −1 |
定義域と値域
定義域はすべての実数ですが、値域は −1、0、1 のわずか 3 個の値だけです。グラフは x<0 で高さ −1、x>0 で高さ 1 の水平な半直線が 2 本あり、原点にだけ高さ 0 の点が孤立して置かれた形になります。
対称性
sgn(−x)=−sgnx が成り立つので、原点に関して点対称な奇関数です。sgn(0)=0 もこの対称性と矛盾しません。原点で 0 をとるのは、奇関数であるための必然だともいえます。
不連続点と跳び
不連続なのは原点ただ一点です。左からの極限は −1、右からの極限は +1 で、両者が食い違うため跳びの幅は 2 になります。関数値そのものはその中間の 0 です。原点以外ではどこも定数なので連続で、導関数は 0 です。
絶対値との関係
符号関数は絶対値と深く結びついています。
∣x∣sgnx=x⋅sgnx=∣x∣x(x=0) 下の式は x=0 でのみ使えます。また絶対値 ∣x∣ を微分すると、x=0 の範囲で sgnx になります。角をもつ関数を微分すると跳びをもつ関数になる、という対応です。
階段関数との関係
ヘヴィサイドの階段関数 H(x) とは、次の関係にあります2。
sgnx=2H(x)−1 0 と 1 の二値をとる階段関数を、縦に 2 倍して 1 だけ下げたものが符号関数です。値域が −1 から 1 の対称な形になるので、向きを表すのに使いやすくなります。
応用
- 絶対値の計算と、場合分けを式にまとめる用途
- 制御工学のオン・オフ制御
- 機械学習で符号によって分類する場面
値の大きさより向きが問題になる場面で活躍します。
- Sign function、Wikipedia
- Heaviside step function、Wikipedia