いろは3025218 views
英語617403 views
高校化学2933198 views
数学講師2913151 views
高校生物553211 views
高校国語790013 views
Computer370048 views
中学理科1633649 views
小学社会311570 views
りんご220229 views
Help
Tools

English

双曲線関数 sinh と cosh(三角関数とよく似た微分の規則)

指数関数を つ組み合わせると、三角関数によく似た関数ができます[1]。

読み方はハイパボリックサイン、ハイパボリックコサイン。双曲線関数と呼ばれます。

薄い 本を足したものが 、引いたものが 。右へ行くほど、どちらも に近づきます。

は偶関数で最小値が 、 は奇関数で原点を通ります。 と の偶奇と同じ組み合わせです。

微分すると入れかわる

定義の式をそのまま微分します。指数関数の微分だけで済みます。

三角関数と違い、負号が付きません[1]。 回微分すると元に戻ります。

三角関数は 回で戻り、双曲線関数は 回で戻る。この違いが、あとで効いてきます。

基本の関係

乗して引くと になります[1]。

計算は展開するだけです。。

三角関数では でした。足し算が引き算に変わっただけの形です。

名前の由来

点 は単位円 の上にありました。点 は の上にあります[1]。

これは双曲線です。円に対応する関数が三角関数、双曲線に対応する関数が双曲線関数、という名づけになっています。

点は双曲線の右半分だけを動きます。 なので、左側には行きません。

は角ではありません。三角関数の が角だったのに対し、こちらは面積に対応する量です。

tanh の微分

と同じように、商として定義します。

商の微分で計算し、基本の関係を使うと つの形が出ます[1]。

は と のあいだに収まり、 でその値に近づきます。水平漸近線を 本もつ形です。

はどれか。

__RESULT__

定義の を微分すると になります。三角関数と違い、負号は付きません。

懸垂線

両端を持った鎖やロープが垂れ下がる形は、放物線ではなく のグラフです。

微分すると 、もう一度微分すると 。曲がり方が高さに比例する形になっています。

薄い曲線が放物線です。中央付近ではほとんど重なり、外へ行くほど離れていきます。

見た目が似ているので混同されがちですが、別の曲線です。 の展開の 次までが、その放物線にあたります。

三角関数との対応

に対し、。符号だけが違います。
、。双曲線側では負号が消えます。
三角関数は 回で元に戻り、双曲線関数は 回で戻ります。
加法定理も似た形になります。。
複素数を通せば という関係で結ばれます[3]。

公式を覚え直すというより、三角関数の公式の符号を確かめながら使う形になります。

の値はどれか。

  • によって変わる
__RESULT__

定義を代入して展開すると、 になります。 によらず です。

押さえるところ

定義は指数関数の和と差を で割った形です。
微分では負号が付かず、 と が入れかわります。
乗の差が 。単位双曲線の上に乗ります。
の微分は です。
鎖が垂れ下がる形が 。放物線とは別の曲線です[2]。

高校では扱いませんが、指数関数の微分だけで全部が導けます。三角関数との対応を確かめながら追うと、公式が減って見えます。

参考文献

Hyperbolic functions - Wikipedia
Derivatives of Exponential and Logarithmic Functions - Calculus Volume 1, OpenStax
Eulersche Formel - Wikipedia(ドイツ語)
$e^x$ と $e^{-x}$ を足して 2 で割れば $\cosh$、引けば $\sinh$。微分すると入れかわり、三角関数と違って負号が付きません。$\cosh^2 - \sinh^2 = 1$ から、点 $(\cosh t, \sinh t)$ が双曲線の上に乗ることも見えます。鎖が垂れ下がる懸垂線が $\cosh$ で、放物線と中央だけ重なる様子も図にしました。