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双曲線の媒介変数表示と双曲線関数(高校数学の二次曲線)

双曲線 を媒介変数で書くには、 の代わりになる関係式が要ります。

移項すると 。右辺が 、左辺が引き算という形が、双曲線の式とそっくりです。

に近づくと点は下へ、 に近づくと上へ飛んでいきます。この区間では なので 。右の枝だけを走ります。

枝が分かれる理由

の符号は の符号で決まります。

なので 、右の枝
なので 、左の枝

では となり、 が定義できません。この値がちょうど つの枝の境目にあたります。

媒介変数の範囲を書き忘れると、どちらの枝か分からない答案になります。範囲を必ず添えます。

消去して確かめる

から から

たしかに双曲線の式に戻りました。

上下に開く場合

右辺が の双曲線 では、 の役割が入れ替わります。

代入すると で合います。上の枝と下の枝が の符号で分かれる点は同じです。

もう 1 つの書き方

を使わずに、指数関数で書く道もあります。

この を、それぞれ双曲線余弦 、双曲線正弦 といいます。

が横、 が縦。点は右の枝だけをなぞります。 はつねに 以上なので、左の枝には届きません。

双曲線関数の性質

三角関数とよく似た関係が成り立ちます。

確かめてみます。。引くと です。

の引き算版、という関係。名前に「双曲線」が付くのは、この式が双曲線の方程式そのものだからです。

三角関数との対応

三角関数

。点 は単位円を回る。 は円の中心角にあたる。

双曲線関数

。点 は双曲線 の右の枝を走る。 は角度ではない。

の意味が違う点に注意します。三角関数の は角度ですが、双曲線関数の は角度ではありません。原点と点で挟まれた領域の面積の 倍にあたる量です。

微分すると入れ替わる

を微分すると を微分すると に戻ります。

三角関数では と符号が付きましたが、こちらは付きません。 回微分するともとに戻る点は共通です。

例で使う

, が表す曲線を求めます。

, に入れます。

, の双曲線でした。 の範囲が なら右の枝だけです。

もう 1 つの例

, なら , を代入して

, の双曲線です。 なので 、右の枝だけを表しています。

懸垂線との違い

は、ひもの両端を持って垂らしたときの形にも現れます。 のグラフがそれで、懸垂線と呼ばれます。

放物線に似ていますが別の曲線です。 を展開すると で、 が小さいうちは に近い。だから見た目が放物線に寄ります。

双曲線の媒介変数としての と、グラフとしての は別の話です。同じ関数が つの顔を持っている、と見ておきます。

1 + tan²t = 1/cos²t を移項すると、右辺 1 の引き算という双曲線とそっくりな形が現れます。x = a/cos t、y = b tan t がその表示で、cos t の符号が右の枝と左の枝を分ける。指数関数で書く cosh と sinh も紹介し、cosh²t - sinh²t = 1 の確かめ、三角関数との対応、微分で入れ替わる性質まで扱いました。