y=tanh⁡xy = \tanh x

双曲線正接関数 y=tanh⁡xy = \tanh x のグラフ

双曲線正接関数 y=tanh⁡xy = \tanh x は、双曲線正弦と双曲線余弦の比として定義されます1。

tanh⁡x=sinh⁡xcosh⁡x=ex−e−xex+e−x\tanh x = \frac{\sinh x}{\cosh x} = \frac{e^x - e^{-x}}{e^x + e^{-x}}

「ハイパボリックタンジェント」と読み、三角関数の正接 tan⁡x\tan 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
  • 値域は開区間 (−1,1)(-1, 1)
  • 単調に増加する
  • 奇関数

分母の cosh⁡x\cosh x はつねに 11 以上で決して 00 にならないため、すべての実数で定義されます。tan⁡x\tan x が漸近線をもち値域が実数全体だったのとは対照的に、tanh⁡x\tanh x はなめらかで有界です。

対称性

tanh⁡(−x)=−tanh⁡x\tanh(-x) = -\tanh x が成り立つ奇関数で、グラフは原点に関して点対称です。

増減

導関数は次のとおりです。

ddxtanh⁡x=sech⁡2x=1−tanh⁡2x\frac{d}{dx}\tanh x = \operatorname{sech}^2 x = 1 - \tanh^2 x

つねに正なので実数全体で狭義単調増加します。原点で最も急な傾き 11 をもち、両端に向かうほど傾きがゆるやかになる、なめらかな S 字型の曲線を描きます。

二階導関数は −2tanh⁡x sech⁡2x-2\tanh x\,\operatorname{sech}^2 x で、符号が変わるのは原点だけです。変曲点は (0,0)(0, 0) ただ一つで、そこが対称の中心でもあります。

漸近線と特徴的な値

xxtanh⁡x\tanh x
→−∞\to -\infty→−1\to -1
0000
11≈0.7616\approx 0.7616
22≈0.9640\approx 0.9640
33≈0.9951\approx 0.9951
→+∞\to +\infty→1\to 1

直線 y=1y = 1 と y=−1y = -1 が水平漸近線です。曲線はこれらの線を越えることはありません。x=3x = 3 ですでに 0.9950.995 を超えており、飽和が非常に速いことが分かります。

シグモイド関数との関係

ロジスティックシグモイド σ(x)=11+e−x\sigma(x) = \dfrac{1}{1 + e^{-x}} とは、次の関係で結ばれています2。

tanh⁡x=2σ(2x)−1\tanh x = 2\sigma(2x) - 1

横に 12\dfrac{1}{2} 縮め、縦に 22 倍して 11 だけ下げたものが tanh⁡\tanh です。値域が (0,1)(0, 1) か (−1,1)(-1, 1) かという違いだけで、形は同じものだといえます。

応用

  • ニューラルネットワークの活性化関数
  • 値をある範囲に収める飽和関数
  • 磁化や信号の応答を表すモデル
  • 特殊相対性理論における速度の合成(ラピディティ)
  1. Hyperbolic functions、Wikipedia
  2. Logistic function、Wikipedia