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【R】cosh関数の可視化

はじめに

 R言語で三角関数の定義や公式を可視化しようシリーズのスピンオフです。

 この記事では、cosh関数のグラフを作成します。

【前の内容】

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【他の記事一覧】

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【この記事の内容】

cosh関数の可視化

 双曲線関数の1つであるcosh関数(双曲線余弦関数・ハイパボリックコサイン関数・hyperbolic cosine function)をグラフで確認します。

 利用するパッケージを読み込みます。

# 利用パッケージ
library(tidyverse)
library(patchwork)
library(gganimate)
library(magick)

 この記事では、基本的にパッケージ名::関数名()の記法を使うので、パッケージを読み込む必要はありません。ただし、作図コードがごちゃごちゃしないようにパッケージ名を省略しているためggplot2を読み込む必要があります。
 また、ネイティブパイプ演算子|>を使っています。magrittrパッケージのパイプ演算子%>%に置き換えても処理できますが、その場合はmagrittrも読み込む必要があります。

定義式の確認

 まずは、cosh関数の定義式を確認します。

 cosh関数は、次の式で定義されます。

$$ \cosh x = \frac{ e^x + e^{-x} }{ 2 } $$

 $e^x$はネイピア数$e$を底とする自然指数関数です。

 cosh関数は、$\cosh x \geq 1$の値をとります。

cosh関数曲線の作図

 次に、cosh関数のグラフを作成します。

 作図用の変数の値を作成します。

# 作図用の変数の値を指定
theta_vec <- seq(from = -5, to = 5, by = 0.01)
head(theta_vec)
## [1] -5.00 -4.99 -4.98 -4.97 -4.96 -4.95

 作図に利用する変数$\theta$の範囲と間隔を指定してtheta_vecとします。

・作図コード(クリックで展開)

 cosh関数の曲線を描画するためのデータフレームを作成します。

# cosh曲線の描画用
cosh_df <- tibble::tibble(
  t = theta_vec, 
  cosh_t = cosh(theta_vec)
)
cosh_df
## # A tibble: 1,001 × 2
##        t cosh_t
##    <dbl>  <dbl>
##  1 -5      74.2
##  2 -4.99   73.5
##  3 -4.98   72.7
##  4 -4.97   72.0
##  5 -4.96   71.3
##  6 -4.95   70.6
##  7 -4.94   69.9
##  8 -4.93   69.2
##  9 -4.92   68.5
## 10 -4.91   67.8
## # … with 991 more rows

 $\theta$の値と$\cosh \theta$の値をデータフレームに格納します。cosh関数はcosh()で計算できます。

 cosh関数のグラフを作成します。

# cosh関数曲線を作図
ggplot() + 
  geom_line(data = cosh_df, mapping = aes(x = t, y = cosh_t), 
            size = 1) + # cosh曲線
  labs(title = "cosh function", 
       x = expression(theta), y = expression(cosh~theta))

 x軸を$\theta$、y軸を$\cosh \theta$として、geom_line()で折れ線グラフを描画します。

cosh関数のグラフ

 変数が$\theta = 0$のとき最小値$\cosh \theta = 1$になるのを確認できます。

双曲線の作図

 続いて、cosh関数の可視化に利用する単位双曲線(unit hyperbola)のグラフを作成します。双曲線については「【R】双曲線の作図 - からっぽのしょこ」を参照してください。

・作図コード(クリックで展開)

 作図に利用するデータフレームを作成します。

# 作図用の変数の値を指定
theta_vec <- seq(from = -2, to = 2, by = 0.002)

# 双曲線の描画用
hyperbola_df <- tibble::tibble(
  t = c(theta_vec, theta_vec), 
  sinh_t = c(sinh(theta_vec), sinh(theta_vec)), 
  cosh_t = c(cosh(theta_vec), -cosh(theta_vec)), 
  sign = rep(c("plus", "minus"), each = length(theta_vec))# 符号
)

# 軸の最大値を設定
axis_max <- hyperbola_df[["cosh_t"]] |> 
  max() |> 
  ceiling()

# 漸近線の描画用
asymptote_df <- tibble::tibble(
  x = seq(from = -axis_max, to = axis_max, length.out = 100) |> 
    rep(times = 2), 
  y = rep(c(1, -1), each = 100) * x, 
  slope = rep(c("plus", "minus"), each = 100) # 符号
)

# 正方形グリッドの描画用
square_df <- tibble::tibble(
  x = c(1, 1, -1, -1, 1), 
  y = c(1, -1, -1, 1, 1)
)

# 軸線の描画用
axis_df <- tibble::tibble(
  x_from = c(-axis_max, 0), 
  y_from = c(0, -axis_max), 
  x_to = c(axis_max, 0), 
  y_to = c(0, axis_max), 
  axis = c("x", "y")
)


 双曲線と補助線のグラフを作成します。

# 単位双曲線を作図
ggplot() + 
  geom_segment(data = axis_df, 
               mapping = aes(x = x_from, y = y_from, xend = x_to, yend = y_to, group = "axis"), 
               arrow = arrow(length = unit(10, units = "pt"))) + # 軸線
  geom_path(data = square_df, 
            mapping = aes(x = x, y = y), linetype = "dashed") + # 正方形グリッド
  geom_line(data = asymptote_df, 
            mapping = aes(x = x, y = y, group = slope), linetype = "dashed") + # 漸近線
  geom_path(data = hyperbola_df, 
            mapping = aes(x = cosh_t, y = sinh_t, group = sign), 
            size = 1) + # 双曲線
  theme(legend.text.align = 0.5) + # 凡例の体裁:(凡例表示用)
  coord_fixed(ratio = 1, 
              xlim = c(-axis_max, axis_max), ylim = c(-axis_max, axis_max)) + # 表示範囲
  labs(title = "unit hyperbola", 
       x = "x", y = "y")

単位双曲線のグラフ

 このグラフ上に双曲線関数を描画します。

双曲線上のcosh関数の可視化

 次は、単位双曲線上における双曲線関数(cosh・sinh)のグラフを作成します。

グラフの作成

 変数を固定したcosh関数をグラフで確認します。

 変数の値を設定します。

# 変数の値を指定
theta <- 1.5

 変数$\theta$の値を指定します。

・作図コード(クリックで展開)

 曲線上の点を描画するためのデータフレームを作成します。

# 曲線上の点の描画用
point_df <- tibble::tibble(
  t = theta, 
  cosh_t = cosh(theta), 
  sinh_t = sinh(theta)
)
point_df
## # A tibble: 1 × 3
##       t cosh_t sinh_t
##   <dbl>  <dbl>  <dbl>
## 1   1.5   2.35   2.13

 cosh曲線上の点のx軸の値$\theta$とy軸の値$\cosh \theta$、単位双曲線上の点のx軸の値$\cosh \theta$とy軸の値$\sinh \theta$を格納します。

 変数の値(の半分)を面積(塗りつぶし領域)として描画するためのデータフレームを作成します。

# 変数(面積)の描画用
variable_area_df <- tibble::tibble(
  x = seq(from = 0, to = cosh(theta), length.out = 50), 
  sign = dplyr::if_else(theta >= 0, true = 1, false = -1), # 符号
  curve = sign * sqrt(x^2 - 1), # x軸と双曲線上の線分
  straight = sinh(theta)/cosh(theta) * x # 原点と曲線上の点の線分
) |> 
  dplyr::mutate(
    curve = dplyr::if_else(is.na(curve), true = 0, false = curve)
  ) # 双曲線の範囲外を0に置換
variable_area_df
## # A tibble: 50 × 4
##         x  sign curve straight
##     <dbl> <dbl> <dbl>    <dbl>
##  1 0          1     0   0     
##  2 0.0480     1     0   0.0435
##  3 0.0960     1     0   0.0869
##  4 0.144      1     0   0.130 
##  5 0.192      1     0   0.174 
##  6 0.240      1     0   0.217 
##  7 0.288      1     0   0.261 
##  8 0.336      1     0   0.304 
##  9 0.384      1     0   0.348 
## 10 0.432      1     0   0.391 
## # … with 40 more rows

 「原点と双曲線上の点を結ぶ線分」と「$0 \leq x < 1$の範囲のx軸線($y = 0$の直線)と$1 \leq x \leq \cosh \theta$の範囲の双曲線」の範囲を塗りつぶします。ただし、双曲線について、$\theta > 0$のときは$y > 0$の範囲を塗りつぶすため$y = \sqrt{x^2 - 1}$、$\theta < 0$のときは$y < 0$の範囲を塗りつぶすため$y = - \sqrt{x^2 - 1}$を使います。
 x軸の値として$0$から$\cosh \theta$の範囲の値を作成してx列とします。
 thetaの正負によって符号を変更してsign列としておき、双曲線を計算してcurve列とします。ただし、$0$から$1$の範囲がNaNになるので0に置き換えます。
 原点と点$(\cosh \theta, \sinh \theta)$を結ぶ直線の傾きは$a = \frac{\sinh \theta}{\cosh \theta}$です。$y = a x$を計算してstraight列とします。

 双曲線関数を直線として描画するためのデータフレームを作成します。

# 関数ラベルのレベルを指定
fnc_level_vec <- c("cosh", "sinh")

# 双曲線関数の描画用
function_df <- tibble::tibble(
  x_from = c(0, 0, 0, cosh(theta)), 
  y_from = c(0, sinh(theta), 0, 0), 
  x_to = c(cosh(theta), cosh(theta), 0, cosh(theta)), 
  y_to = c(0, sinh(theta), sinh(theta), sinh(theta)), 
  fnc = c("cosh", "cosh", "sinh", "sinh") |> 
    factor(levels = fnc_level_vec) # 色分け用
  )
function_df
## # A tibble: 4 × 5
##   x_from y_from  x_to  y_to fnc  
##    <dbl>  <dbl> <dbl> <dbl> <fct>
## 1   0      0     2.35  0    cosh 
## 2   0      2.13  2.35  2.13 cosh 
## 3   0      0     0     2.13 sinh 
## 4   2.35   0     2.35  2.13 sinh

 関数を区別するためのfnc列の因子レベルをfnc_level_vecとして指定しておきます。因子レベルは、辺(線分)の描画順(重なり順)や色付け順に影響します。

 各線分の始点の座標をx_from, y_from列、終点の座標をx_to, y_to列とします。
 cosh関数は点$(\cosh \theta, \sinh \theta)$からy軸線への垂線、sinh関数は点$(\cosh \theta, \sinh \theta)$からx軸線への垂線に対応します。この例では、関数ごとの対応関係を分かりやすくするために、それぞれ平行移動した座標も描画します。

 関数名をラベルとして描画するためのデータフレームを作成します。

# 双曲線関数ラベルの描画用
function_label_df <- tibble::tibble(
  x = c(0.5*cosh(theta), 0), 
  y = c(0, 0.5*sinh(theta)), 
  angle = c(0, 90), 
  v = c(1, -0.5), 
  fnc = c("cosh", "sinh") |> 
    factor(levels = fnc_level_vec), # 色分け用
  fnc_label = c("cosh~theta", "sinh~theta") # 関数ラベル
)
function_label_df
## # A tibble: 2 × 6
##       x     y angle     v fnc   fnc_label 
##   <dbl> <dbl> <dbl> <dbl> <fct> <chr>     
## 1  1.18  0        0   1   cosh  cosh~theta
## 2  0     1.06    90  -0.5 sinh  sinh~theta

 関数を示す線分の中点に関数名を配置します。ギリシャ文字などの記号や数式を表示する場合は、expression()の記法を使います。
 ラベルの表示角度をangle列、上下の表示位置をv列として値を指定します。

 関数の値を表示するための文字列を作成します。

# 変数ラベルの描画用
function_label <- paste0(
  "list(", 
  "theta==", theta, 
  ", cosh~theta==", round(cosh(theta), digits = 2), 
  ", sinh~theta==", round(sinh(theta), digits = 2), 
  ")"
)
function_label
## [1] "list(theta==1.5, cosh~theta==2.35, sinh~theta==2.13)"

 等号は==、複数の(数式上の)変数を並べるにはlist(変数1, 変数2)とします。(プログラム上の)変数の値を使う場合は、文字列として作成しておきparse()text引数に渡します。

 双曲線上に双曲線関数を重ねたグラフを作成します。

# 双曲線関数を作図
ggplot() + 
  geom_segment(data = axis_df, 
               mapping = aes(x = x_from, y = y_from, xend = x_to, yend = y_to, group = "axis"), 
               arrow = arrow(length = unit(10, units = "pt"))) + # 軸線
  geom_line(data = asymptote_df, 
            mapping = aes(x = x, y = y, group = slope), 
            linetype = "dashed") + # 漸近線
  geom_path(data = hyperbola_df, 
            mapping = aes(x = cosh_t, y = sinh_t, group = sign), 
            size = 1) + # 双曲線
  geom_point(data = point_df, 
             mapping = aes(x = cosh_t, y = sinh_t), 
             size = 4) + # 双曲線上の点
  geom_ribbon(data = variable_area_df, 
              mapping = aes(x = x, ymin = curve, ymax = straight), 
              fill = "#00A968", alpha = 0.5) + # 変数(面積)
  geom_text(mapping = aes(x = 0.5, y = 0.25*tanh(theta), label = "frac(theta, 2)"), parse = TRUE, 
            size = 3) + # 変数ラベル
  geom_segment(data = function_df, 
               mapping = aes(x = x_from, y = y_from, xend = x_to, yend = y_to, color = fnc), 
               size = 1) + # 双曲線関数直線
  geom_text(data = function_label_df, 
            mapping = aes(x = x, y = y, label = fnc_label, color = fnc, angle = angle, vjust = v), parse = TRUE, 
            show.legend = FALSE) + # 双曲線関数ラベル
  coord_fixed(ratio = 1, 
              xlim = c(-axis_max, axis_max), ylim = c(-axis_max, axis_max)) + # 表示範囲
  labs(title = "hyperbolic functions", 
       subtitle = parse(text = function_label), 
       color = "function", 
       x = expression(cosh~theta), y = expression(sinh~theta))

 geom_segment()で線分を描画して、各関数の値を可視化します。
 geom_ribbon()で原点から曲線上の点の範囲を塗りつぶして、変数の値を可視化します。
 geom_label()でラベル(文字列)を描画します。この例では、変数ラベルを$(0.5, 0.25 \tanh \theta)$の位置に配置します。

双曲線におけるcosh関数の値

 双曲線上の点の座標は$(\cosh \theta, \sinh \theta)$なので、点のx軸の値がcosh関数の値に対応します。

アニメーションの作成

 続いて、変数の値を変化させたアニメーションで確認します。

 フレーム数を指定して、変数として用いる値を作成します。

# フレーム数を指定
frame_num <- 101

# 変数の値を作成
theta_i <- seq(from = -2, to = 2, length.out = frame_num) # 範囲を指定
head(theta_i)
## [1] -2.00 -1.96 -1.92 -1.88 -1.84 -1.80

 フレーム数frame_numを指定して、frame_num個の$\theta$の値を作成します。

・作図コード(クリックで展開)

 フレーム切替用のラベルとして使う文字列ベクトルを作成します。

# フレーム切替用ラベルを作成
frame_label_vec <- paste0(
  "θ = ", round(theta_i, digits = 2), 
  ", cosh θ = ", round(cosh(theta_i), digits = 2), 
  ", sinh θ = ", round(sinh(theta_i), digits = 2)
)
head(frame_label_vec)
## [1] "θ = -2, cosh θ = 3.76, sinh θ = -3.63"   
## [2] "θ = -1.96, cosh θ = 3.62, sinh θ = -3.48"
## [3] "θ = -1.92, cosh θ = 3.48, sinh θ = -3.34"
## [4] "θ = -1.88, cosh θ = 3.35, sinh θ = -3.2" 
## [5] "θ = -1.84, cosh θ = 3.23, sinh θ = -3.07"
## [6] "θ = -1.8, cosh θ = 3.11, sinh θ = -2.94"

 この例では、変数と関数の値をグラフに表示するために、フレームごとの値をフレーム切替用のラベル列として使います。
 theta_iの値と対応する関数の値を文字列結合します。

 曲線上の点を描画するためのデータフレームを作成します。

# 曲線上の点の描画用
anim_point_df <- tibble::tibble(
  t = theta_i, 
  cosh_t = cosh(theta_i), 
  sinh_t = sinh(theta_i), 
  frame_label = factor(frame_label_vec, levels = frame_label_vec) # フレーム切替用ラベル
)
anim_point_df
## # A tibble: 101 × 4
##        t cosh_t sinh_t frame_label                             
##    <dbl>  <dbl>  <dbl> <fct>                                   
##  1 -2      3.76  -3.63 θ = -2, cosh θ = 3.76, sinh θ = -3.63   
##  2 -1.96   3.62  -3.48 θ = -1.96, cosh θ = 3.62, sinh θ = -3.48
##  3 -1.92   3.48  -3.34 θ = -1.92, cosh θ = 3.48, sinh θ = -3.34
##  4 -1.88   3.35  -3.20 θ = -1.88, cosh θ = 3.35, sinh θ = -3.2 
##  5 -1.84   3.23  -3.07 θ = -1.84, cosh θ = 3.23, sinh θ = -3.07
##  6 -1.8    3.11  -2.94 θ = -1.8, cosh θ = 3.11, sinh θ = -2.94 
##  7 -1.76   2.99  -2.82 θ = -1.76, cosh θ = 2.99, sinh θ = -2.82
##  8 -1.72   2.88  -2.70 θ = -1.72, cosh θ = 2.88, sinh θ = -2.7 
##  9 -1.68   2.78  -2.59 θ = -1.68, cosh θ = 2.78, sinh θ = -2.59
## 10 -1.64   2.67  -2.48 θ = -1.64, cosh θ = 2.67, sinh θ = -2.48
## # … with 91 more rows

 変数$\theta$と関数$\cosh \theta, \sinh \theta$の値をフレーム切替用のラベルとあわせて格納します。

 変数の値(の半分)を面積(塗りつぶし領域)として描画するためのデータフレームを作成します。

# 変数(面積)の描画用
anim_variable_area_df <- tibble::tibble(
  t = theta_i, 
  frame_label = factor(frame_label_vec, levels = frame_label_vec) # フレーム切替用ラベル
) |> 
  dplyr::group_by(t, frame_label) |> # x軸の値の作成用
  dplyr::summarise(
    x = seq(from = 0, to = cosh(t), length.out = 50), .groups = "drop"
  ) |> # フレームごとにx軸の値を作成
  dplyr::mutate(
    sign = dplyr::if_else(t >= 0, true = 1, false = -1), # 符号
    curve = sign * sqrt(x^2 - 1), # x軸と双曲線上の線分
    curve = dplyr::if_else(is.na(curve), true = 0, false = curve), # 双曲線の範囲外を0に置換
    straight = sinh(t)/cosh(t) * x # 原点と曲線上の点の線分
  )
anim_variable_area_df
## # A tibble: 5,050 × 6
##        t frame_label                                x  sign curve straight
##    <dbl> <fct>                                  <dbl> <dbl> <dbl>    <dbl>
##  1    -2 θ = -2, cosh θ = 3.76, sinh θ = -3.63 0         -1     0   0     
##  2    -2 θ = -2, cosh θ = 3.76, sinh θ = -3.63 0.0768    -1     0  -0.0740
##  3    -2 θ = -2, cosh θ = 3.76, sinh θ = -3.63 0.154     -1     0  -0.148 
##  4    -2 θ = -2, cosh θ = 3.76, sinh θ = -3.63 0.230     -1     0  -0.222 
##  5    -2 θ = -2, cosh θ = 3.76, sinh θ = -3.63 0.307     -1     0  -0.296 
##  6    -2 θ = -2, cosh θ = 3.76, sinh θ = -3.63 0.384     -1     0  -0.370 
##  7    -2 θ = -2, cosh θ = 3.76, sinh θ = -3.63 0.461     -1     0  -0.444 
##  8    -2 θ = -2, cosh θ = 3.76, sinh θ = -3.63 0.537     -1     0  -0.518 
##  9    -2 θ = -2, cosh θ = 3.76, sinh θ = -3.63 0.614     -1     0  -0.592 
## 10    -2 θ = -2, cosh θ = 3.76, sinh θ = -3.63 0.691     -1     0  -0.666 
## # … with 5,040 more rows

 変数の値とフレーム切替用のラベルを格納して、変数の値(フレーム)ごとに(t, frame_label列でグループ化して)、塗りつぶし範囲の曲線と直線(下限と上限)の値を計算します。
 変数の値に応じてx軸の範囲($0 \leq x \leq \cosh \theta$)が変わるので、フレームごとにsummarise()x列の値を作成して計算に使います。

 変数ラベルを描画するためのデータフレームを作成します。

# 変数ラベルの描画用
anim_variable_label_df <- tibble::tibble(
  t = theta_i, 
  x = 0.5, 
  y = 0.25 * tanh(theta_i), 
  frame_label = factor(frame_label_vec, levels = frame_label_vec) # フレーム切替用ラベル
)
anim_variable_label_df
## # A tibble: 101 × 4
##        t     x      y frame_label                             
##    <dbl> <dbl>  <dbl> <fct>                                   
##  1 -2      0.5 -0.241 θ = -2, cosh θ = 3.76, sinh θ = -3.63   
##  2 -1.96   0.5 -0.240 θ = -1.96, cosh θ = 3.62, sinh θ = -3.48
##  3 -1.92   0.5 -0.239 θ = -1.92, cosh θ = 3.48, sinh θ = -3.34
##  4 -1.88   0.5 -0.239 θ = -1.88, cosh θ = 3.35, sinh θ = -3.2 
##  5 -1.84   0.5 -0.238 θ = -1.84, cosh θ = 3.23, sinh θ = -3.07
##  6 -1.8    0.5 -0.237 θ = -1.8, cosh θ = 3.11, sinh θ = -2.94 
##  7 -1.76   0.5 -0.236 θ = -1.76, cosh θ = 2.99, sinh θ = -2.82
##  8 -1.72   0.5 -0.234 θ = -1.72, cosh θ = 2.88, sinh θ = -2.7 
##  9 -1.68   0.5 -0.233 θ = -1.68, cosh θ = 2.78, sinh θ = -2.59
## 10 -1.64   0.5 -0.232 θ = -1.64, cosh θ = 2.67, sinh θ = -2.48
## # … with 91 more rows

 この例では、$x = 0.5$の位置に変数ラベルを配置します。塗りつぶし範囲のy軸の中点は$\frac{x \tanh \theta}{2}$で計算できます。

 双曲線関数を直線として描画するためのデータフレームを作成します。

# 双曲線関数の描画用
anim_function_df <- tibble::tibble(
  x_from = c(
    rep(0, times = frame_num), rep(0, times = frame_num), 
    rep(0, times = frame_num), cosh(theta_i)
  ), 
  y_from = c(
    rep(0, times = frame_num), sinh(theta_i), 
    rep(0, times = frame_num), rep(0, times = frame_num)
  ), 
  x_to = c(
    cosh(theta_i), cosh(theta_i), 
    rep(0, times = frame_num), cosh(theta_i)
  ), 
  y_to = c(
    rep(0, times = frame_num), sinh(theta_i), 
    sinh(theta_i), sinh(theta_i)
  ), 
  fnc = c("cosh", "cosh", "sinh", "sinh") |> 
    rep(each = frame_num) |> 
    factor(levels = fnc_level_vec), # 色分け用
  label_flag = c(TRUE, FALSE, TRUE, FALSE) |> 
    rep(each = frame_num), # # 関数ラベル用
  frame_label = frame_label_vec |> 
    rep(times = 4) |> 
    factor(levels = frame_label_vec) # フレーム切替用ラベル
)
anim_function_df
## # A tibble: 404 × 7
##    x_from y_from  x_to  y_to fnc   label_flag frame_label                     
##     <dbl>  <dbl> <dbl> <dbl> <fct> <lgl>      <fct>                           
##  1      0      0  3.76     0 cosh  TRUE       θ = -2, cosh θ = 3.76, sinh θ … 
##  2      0      0  3.62     0 cosh  TRUE       θ = -1.96, cosh θ = 3.62, sinh …
##  3      0      0  3.48     0 cosh  TRUE       θ = -1.92, cosh θ = 3.48, sinh …
##  4      0      0  3.35     0 cosh  TRUE       θ = -1.88, cosh θ = 3.35, sinh …
##  5      0      0  3.23     0 cosh  TRUE       θ = -1.84, cosh θ = 3.23, sinh …
##  6      0      0  3.11     0 cosh  TRUE       θ = -1.8, cosh θ = 3.11, sinh … 
##  7      0      0  2.99     0 cosh  TRUE       θ = -1.76, cosh θ = 2.99, sinh …
##  8      0      0  2.88     0 cosh  TRUE       θ = -1.72, cosh θ = 2.88, sinh …
##  9      0      0  2.78     0 cosh  TRUE       θ = -1.68, cosh θ = 2.78, sinh …
## 10      0      0  2.67     0 cosh  TRUE       θ = -1.64, cosh θ = 2.67, sinh …
## # … with 394 more rows

 「グラフの作成」と同様に、frame_num個の座標を格納します。
 関数ラベルを描画する辺(線分)をlabel_flag列に指定しておきます。

 関数名をラベルとして描画するためのデータフレームを作成します。

# 双曲線関数ラベルの描画用
anim_function_label_df <- anim_function_df |> 
  dplyr::filter(label_flag) |> # ラベル付けする辺を抽出
  dplyr::group_by(fnc, frame_label) |> # 中点の計算用
  dplyr::summarise(
    x = median(c(x_from, x_to)), 
    y = median(c(y_from, y_to)), .groups = "drop"
  ) |> # 線分の中点に配置
  tibble::add_column(
    angle = rep(c(0, 90), each = frame_num), 
    v = rep(c(1, -0.5), each = frame_num), 
    fnc_label = rep(c("cosh~theta", "sinh~theta"), each = frame_num) # 関数ラベル
  )
anim_function_label_df
## # A tibble: 202 × 7
##    fnc   frame_label                               x     y angle     v fnc_label
##    <fct> <fct>                                 <dbl> <dbl> <dbl> <dbl> <chr>    
##  1 cosh  θ = -2, cosh θ = 3.76, sinh θ = -3.63  1.88     0     0     1 cosh~the…
##  2 cosh  θ = -1.96, cosh θ = 3.62, sinh θ …     1.81     0     0     1 cosh~the…
##  3 cosh  θ = -1.92, cosh θ = 3.48, sinh θ …     1.74     0     0     1 cosh~the…
##  4 cosh  θ = -1.88, cosh θ = 3.35, sinh θ …     1.68     0     0     1 cosh~the…
##  5 cosh  θ = -1.84, cosh θ = 3.23, sinh θ …     1.61     0     0     1 cosh~the…
##  6 cosh  θ = -1.8, cosh θ = 3.11, sinh θ =…     1.55     0     0     1 cosh~the…
##  7 cosh  θ = -1.76, cosh θ = 2.99, sinh θ …     1.50     0     0     1 cosh~the…
##  8 cosh  θ = -1.72, cosh θ = 2.88, sinh θ …     1.44     0     0     1 cosh~the…
##  9 cosh  θ = -1.68, cosh θ = 2.78, sinh θ …     1.39     0     0     1 cosh~the…
## 10 cosh  θ = -1.64, cosh θ = 2.67, sinh θ …     1.34     0     0     1 cosh~the…
## # … with 192 more rows

 flag_label列がTRUEの列を取り出して、関数とフレームごとに(fnc, frame_label列でグループ化して)、中点の座標をmedian()で計算します。

 単位双曲線上の双曲線関数のアニメーションを作成します。

# 双曲線関数のアニメーションを作図
anim <- ggplot() + 
  geom_segment(data = axis_df, 
               mapping = aes(x = x_from, y = y_from, xend = x_to, yend = y_to, group = "axis"), 
               arrow = arrow(length = unit(10, units = "pt"))) + # 軸線
  geom_line(data = asymptote_df, 
            mapping = aes(x = x, y = y, group = slope), 
            linetype = "dashed") + # 漸近線
  geom_path(data = hyperbola_df, 
            mapping = aes(x = cosh_t, y = sinh_t, group = sign), 
            size = 1) + # 双曲線
  geom_point(data = anim_point_df, 
             mapping = aes(x = cosh_t, y = sinh_t), 
             size = 4) + # 双曲線上の点
  geom_ribbon(data = anim_variable_area_df, 
              mapping = aes(x = x, ymin = curve, ymax = straight), 
              fill = "#00A968", alpha = 0.5) + # 変数(面積)
  geom_text(data = anim_variable_label_df, 
            mapping = aes(x = x, y = y), label = "frac(theta, 2)", parse = TRUE, 
            size = 3) + # 変数ラベル
  geom_segment(data = anim_function_df, 
               mapping = aes(x = x_from, y = y_from, xend = x_to, yend = y_to, color = fnc), 
               size = 1) + # 双曲線関数直線
  geom_text(data = anim_function_label_df, 
            mapping = aes(x = x, y = y, label = fnc_label, color = fnc, angle = angle, vjust = v), parse = TRUE, 
            show.legend = FALSE) + # 双曲線関数ラベル
  gganimate::transition_manual(frames = frame_label) + # フレーム
  coord_fixed(ratio = 1, 
              xlim = c(-axis_max, axis_max), ylim = c(-axis_max, axis_max)) + # 表示範囲
  labs(title = "hyperbolic functions", 
       subtitle = "{current_frame}", 
       color = "function", 
       x = "x", y = "y")

# gif画像を作成
gganimate::animate(plot = anim, nframes = frame_num, fps = 10, width = 600, height = 600)

 gganimateパッケージを利用して、アニメーション(gif画像)を作成します。
 transition_manual()のフレーム制御の引数framesにフレーム(変数)ラベル列frame_labelを指定して、グラフを作成します。
 animate()plot引数にグラフオブジェクト、nframes引数にフレーム数frame_numを指定して、gif画像を作成します。また、fps引数に1秒当たりのフレーム数を指定できます。

双曲線における変数とcosh関数の値の関係


双曲線上の点とcosh曲線の関係の可視化

 最後は、双曲線上におけるcosh関数の値(直線)と、cosh関数の曲線の関係をグラフで確認します。

グラフの作成

 変数を固定したグラフで確認します。

・作図コード(クリックで展開)

 双曲線関数を直線として描画するためのデータフレームを作成します。

# 双曲線関数の描画用
function_df <- tibble::tibble(
  x_from = c(0, 0, 0, 0, cosh(theta)), 
  y_from = c(0, sinh(theta), 0, 0, 0), 
  x_to = c(cosh(theta), cosh(theta), 0, 0, cosh(theta)), 
  y_to = c(0, sinh(theta), cosh(theta), sinh(theta), sinh(theta)), 
  fnc = c("cosh", "cosh", "cosh", "sinh", "sinh") |> 
    factor(levels = fnc_level_vec), # 色分け用
  type = c("main", "main", "sub", "main", "main") # 線の種類用
)
function_df
## # A tibble: 5 × 6
##   x_from y_from  x_to  y_to fnc   type 
##    <dbl>  <dbl> <dbl> <dbl> <fct> <chr>
## 1   0      0     2.35  0    cosh  main 
## 2   0      2.13  2.35  2.13 cosh  main 
## 3   0      0     0     2.35 cosh  sub  
## 4   0      0     0     2.13 sinh  main 
## 5   2.35   0     2.35  2.13 sinh  main

 「双曲線上のcosh関数の可視化」のときの座標に、cosh関数曲線と対応させるために、x軸線上のcosh関数直線を90度回転させた座標を追加します。
 また、回転させた辺を区別するためのtype列を追加します。

 90度回転させる軌道を描画するためのデータフレームを作成します。

# 軸変換線の描画用
adapt_df <- tibble::tibble(
  t = seq(from = 0, to = 0.5*pi, length.out = 100), 
  x = cos(t) * cosh(theta), 
  y = sin(t) * cosh(theta)
)
adapt_df
## # A tibble: 100 × 3
##         t     x      y
##     <dbl> <dbl>  <dbl>
##  1 0       2.35 0     
##  2 0.0159  2.35 0.0373
##  3 0.0317  2.35 0.0746
##  4 0.0476  2.35 0.112 
##  5 0.0635  2.35 0.149 
##  6 0.0793  2.35 0.186 
##  7 0.0952  2.34 0.224 
##  8 0.111   2.34 0.261 
##  9 0.127   2.33 0.298 
## 10 0.143   2.33 0.335 
## # … with 90 more rows

 弧度法における角度$0 \leq t \leq \frac{\pi}{2}$を作成して、半径が$\cosh \theta$の弧(原点からの長さが$\cosh \theta$の点)の座標を計算します。この$t$は、度数法における$0^{\circ}$から$90^{\circ}$の角度に対応します。
 半径が$a$の円のx軸の値は$x = a \cos t$、y軸の値は$y = a \sin t$で計算できます。

 双曲線上の点とcosh曲線上の点を結ぶ補助線(の半分)を描画するためのデータフレームを作成します。

# cosh曲線との対応用
l <- 0.5
segment_hyperbola_df <- tibble::tibble(
  x_from = 0, 
  x_to = axis_max+l, 
  y = cosh(theta)
)
segment_hyperbola_df
## # A tibble: 1 × 3
##   x_from  x_to     y
##    <dbl> <dbl> <dbl>
## 1      0   4.5  2.35

 曲線上の点からy軸の反対側への垂線を引くように座標を指定します。

 双曲線のグラフを作成します。

# 変数ラベルの描画用
hyperbola_label <- paste0(
  "list(", 
  "theta==", theta, 
  ", cosh~theta==", round(cosh(theta), digits = 2), 
  ", sinh~theta==", round(sinh(theta), digits = 2), 
  ")"
)

# 双曲線関数を作図
hyperbola_graph <- ggplot() + 
  geom_segment(data = axis_df, 
               mapping = aes(x = x_from, y = y_from, xend = x_to, yend = y_to, group = "axis"), 
               arrow = arrow(length = unit(10, units = "pt"))) + # 軸線
  geom_line(data = asymptote_df, 
            mapping = aes(x = x, y = y, group = slope), 
            linetype = "dashed") + # 漸近線
  geom_path(data = hyperbola_df, 
            mapping = aes(x = cosh_t, y = sinh_t, group = sign), 
            size = 1) + # 双曲線
  geom_point(data = point_df, 
             mapping = aes(x = cosh_t, y = sinh_t), 
             size = 4) + # 双曲線上の点
  geom_ribbon(data = variable_area_df, 
              mapping = aes(x = x, ymin = curve, ymax = straight), 
              fill = "#00A968", alpha = 0.5) + # 変数(面積)
  geom_text(mapping = aes(x = 0.5, y = 0.25*tanh(theta), label = "frac(theta, 2)"), parse = TRUE, 
            size = 3) + # 変数ラベル
  geom_path(data = adapt_df, 
            mapping = aes(x = x, y = y), 
            color = "red", size = 1, linetype = "dotted") + # x軸からy軸への変換線
  geom_segment(data = segment_hyperbola_df, 
               mapping = aes(x = x_from, y = y, xend = x_to, yend = y), 
               size = 1, linetype = "dotted") + # cosh曲線との対応線
  geom_segment(data = function_df, 
               mapping = aes(x = x_from, y = y_from, xend = x_to, yend = y_to, 
                             color = fnc, size = fnc, linetype = type)) + # 双曲線関数直線
  geom_text(data = function_label_df, 
            mapping = aes(x = x, y = y, label = fnc_label, color = fnc, angle = angle, vjust = v), parse = TRUE, 
            show.legend = FALSE) + # 双曲線関数ラベル
  scale_color_manual(breaks = c("cosh", "sinh"), 
                     values = c("red", "blue")) + 
  scale_size_manual(breaks = c("cosh", "sinh"), 
                     values = c(1, 0.5), guide = "none") + 
  scale_linetype_manual(breaks = c("main", "sub"), 
                    values = c("solid", "twodash"), guide = "none") + 
  coord_fixed(ratio = 1, clip = "off", 
            xlim = c(-axis_max, axis_max), ylim = c(-axis_max, axis_max)) + # 表示範囲
  labs(title = "hyperbola", 
       subtitle = parse(text = hyperbola_label), 
       color = "function", 
       x = expression(cosh~theta), y = expression(sinh~theta))
hyperbola_graph

双曲線

 cosh曲線上の点と双曲線上の点を結ぶ補助線(の半分)を描画するためのデータフレームを作成します。

# 双曲線との対応用
d <- 1.1
l <- 0.6
segment_cosh_df <- tibble::tibble(
  x_from = c(theta, theta), 
  y_from = c(cosh(theta), cosh(theta)), 
  x_to = c(theta, min(theta_vec)-l), 
  y_to = c(-axis_max*d, cosh(theta))
)
segment_cosh_df
## # A tibble: 2 × 4
##   x_from y_from  x_to  y_to
##    <dbl>  <dbl> <dbl> <dbl>
## 1    1.5   2.35   1.5 -4.4 
## 2    1.5   2.35  -2.6  2.35

 曲線上の点からx軸とy軸への垂線を引くように座標を指定します。

 cosh関数曲線のグラフを作成します。

# cosh曲線の描画用
cosh_df <- tibble::tibble(
  t = theta_vec, 
  cosh_t = cosh(theta_vec)
)

# 関数ラベルの描画用
cosh_label <- paste0(
  "list(", 
  "theta==", theta, 
  ", cosh~theta==", round(cosh(theta), digits = 2), 
  ")"
)

# cosh関数を作図
cosh_graph <- ggplot() + 
  geom_line(data = cosh_df, 
            mapping = aes(x = t, y = cosh_t), 
            color = "red", size = 1) + # cosh曲線
  geom_segment(data = segment_cosh_df, 
               mapping = aes(x = x_from, y = y_from, xend = x_to, yend = y_to), 
               size = 1, linetype = "dotted") + # 双曲線との対応線
  geom_point(data = point_df, 
             mapping = aes(x = t, y = cosh_t), 
             size = 4) + #cosh曲線上の点
  coord_cartesian(clip = "off", 
                  xlim = c(min(theta_vec), max(theta_vec)), ylim = c(-axis_max, axis_max)) + # 
  labs(title = "cosh function", 
       subtitle = parse(text = cosh_label), 
       x = expression(theta), y = expression(cosh~theta))
cosh_graph

cosh関数

 2つのグラフを並べて描画します。

# 並べて描画
patchwork::wrap_plots(hyperbola_graph, cosh_graph, guides = "collect")

 patchworkパッケージのwrap_plots()を使ってグラフを並べます。

双曲線上の点とcosh関数曲線上の点の関係

 双曲線のグラフにおける横軸の高さ(何と呼べばいいんだ?)がcosh関数の曲線に対応しているのを確認できます。

アニメーションの作成

 続いて、変数の値を変化させたアニメーションで確認します。

 フレーム数を指定して、変数として用いる値を作成します。

# フレーム数を指定
frame_num <- 101

# 変数の値を作成
theta_i <- seq(from = -2, to = 2, length.out = frame_num) # 範囲を指定
head(theta_i)
## [1] -2.00 -1.96 -1.92 -1.88 -1.84 -1.80

 フレーム数frame_numを指定して、frame_num個の$\theta$の値を作成します。

・作図コード(クリックで展開)

 theta_iから順番に値を取り出して作図し、グラフを書き出します。

# 一時保存フォルダを指定
dir_path <- "tmp_folder"

# 関数ラベルのレベルを指定
fnc_level_vec <- c("cosh", "sinh")

# 変数ごとに作図
for(i in 1:frame_num) {
  
  # i番目の値を取得
  theta <- theta_i[i]
  
  # 曲線上の点の描画用
  point_df <- tibble::tibble(
    t = theta, 
    cosh_t = cosh(theta), 
    sinh_t = sinh(theta)
  )
  
  # 変数(面積)の描画用
  variable_area_df <- tibble::tibble(
    x = seq(from = 0, to = cosh(theta), length.out = 50), 
    sign = dplyr::if_else(theta >= 0, true = 1, false = -1), # 符号
    curve = sign * sqrt(x^2 - 1), # x軸と双曲線上の線分
    straight = sinh(theta)/cosh(theta) * x # 原点と曲線上の点の線分
  ) |> 
    dplyr::mutate(
      curve = dplyr::if_else(is.na(curve), true = 0, false = curve)
    ) # 双曲線の範囲外を0に置換
  
  # 双曲線関数の描画用
  function_df <- tibble::tibble(
    x_from = c(0, 0, 0, 0, cosh(theta)), 
    y_from = c(0, sinh(theta), 0, 0, 0), 
    x_to = c(cosh(theta), cosh(theta), 0, 0, cosh(theta)), 
    y_to = c(0, sinh(theta), cosh(theta), sinh(theta), sinh(theta)), 
    fnc = c("cosh", "cosh", "cosh", "sinh", "sinh") |> 
      factor(levels = fnc_level_vec), # 色分け用
    type = c("main", "main", "sub", "main", "main") # 線の種類用
  )
  
  # 双曲線関数ラベルの描画用
  function_label_df <- tibble::tibble(
    x = c(0.5*cosh(theta), 0), 
    y = c(0, 0.5*sinh(theta)), 
    angle = c(0, 90), 
    v = c(1, -0.5), 
    fnc = c("cosh", "sinh") |> 
      factor(levels = fnc_level_vec), # 色分け用
    fnc_label = c("cosh~theta", "sinh~theta") # 関数ラベル
  )
  
  # 軸変換線の描画用
  adapt_df <- tibble::tibble(
    t = seq(from = 0, to = 0.5*pi, length.out = 100), 
    x = cos(t) * cosh(theta), 
    y = sin(t) * cosh(theta)
  )
  
  # cosh曲線との対応用
  l <- 0.5
  segment_hyperbola_df <- tibble::tibble(
    x_from = 0, 
    x_to = axis_max+l, 
    y = cosh(theta)
  )
  
  # 変数ラベルの描画用
  hyperbola_label <- paste0(
    "list(", 
    "theta==", theta, 
    ", cosh~theta==", round(cosh(theta), digits = 2), 
    ", sinh~theta==", round(sinh(theta), digits = 2), 
    ")"
  )
  
  # 双曲線関数を作図
  hyperbola_graph <- ggplot() + 
    geom_segment(data = axis_df, 
                 mapping = aes(x = x_from, y = y_from, xend = x_to, yend = y_to, group = "axis"), 
                 arrow = arrow(length = unit(10, units = "pt"))) + # 軸線
    geom_line(data = asymptote_df, 
              mapping = aes(x = x, y = y, group = slope), 
              linetype = "dashed") + # 漸近線
    geom_path(data = hyperbola_df, 
              mapping = aes(x = cosh_t, y = sinh_t, group = sign), 
              size = 1) + # 双曲線
    geom_point(data = point_df, 
               mapping = aes(x = cosh_t, y = sinh_t), 
               size = 4) + # 双曲線上の点
    geom_ribbon(data = variable_area_df, 
                mapping = aes(x = x, ymin = curve, ymax = straight), 
                fill = "#00A968", alpha = 0.5) + # 変数(面積)
    geom_text(mapping = aes(x = 0.5, y = 0.25*tanh(theta), label = "frac(theta, 2)"), parse = TRUE, 
              size = 3) + # 変数ラベル
    geom_path(data = adapt_df, 
              mapping = aes(x = x, y = y), 
              color = "red", linetype = "dotted") + # x軸からy軸への変換線
    geom_segment(data = segment_hyperbola_df, 
                 mapping = aes(x = x_from, y = y, xend = x_to, yend = y), 
                 linetype = "dotted") + # cosh曲線との対応線
    geom_segment(data = function_df, 
                 mapping = aes(x = x_from, y = y_from, xend = x_to, yend = y_to, 
                               color = fnc, size = fnc, linetype = type)) + # 双曲線関数直線
    geom_text(data = function_label_df, 
              mapping = aes(x = x, y = y, label = fnc_label, color = fnc, angle = angle, vjust = v), 
              parse = TRUE, show.legend = FALSE) + # 双曲線関数ラベル
    scale_color_manual(breaks = c("cosh", "sinh"), 
                       values = c("red", "blue")) + 
    scale_size_manual(breaks = c("cosh", "sinh"), 
                       values = c(1, 0.5), guide = "none") + 
    scale_linetype_manual(breaks = c("main", "sub"), 
                      values = c("solid", "twodash"), guide = "none") + 
    coord_fixed(ratio = 1, clip = "off", 
                xlim = c(-axis_max, axis_max), ylim = c(-axis_max, axis_max)) + # 表示範囲
    labs(title = "hyperbola", 
         subtitle = parse(text = hyperbola_label), 
         color = "function", 
         x = expression(cosh~theta), y = expression(sinh~theta))
  
  # cosh曲線の描画用
  cosh_df <- tibble::tibble(
    t = theta_vec, 
    cosh_t = cosh(theta_vec)
  )
  
  # 双曲線との対応用
  d <- 1.1
  l <- 0.6
  segment_cosh_df <- tibble::tibble(
    x_from = c(theta, theta), 
    y_from = c(cosh(theta), cosh(theta)), 
    x_to = c(theta, min(theta_vec)-l), 
    y_to = c(-axis_max*d, cosh(theta))
  )
  
  # 関数ラベルの描画用
  cosh_label <- paste0(
    "list(", 
    "theta==", theta, 
    ", cosh~theta==", round(cosh(theta), digits = 2), 
    ")"
  )
  
  # cosh関数曲線の作図
  cosh_graph <- ggplot() + 
    geom_line(data = cosh_df, 
              mapping = aes(x = t, y = cosh_t), 
              color = "red", size = 1) + # cosh曲線
    geom_segment(data = segment_cosh_df, 
                 mapping = aes(x = x_from, y = y_from, xend = x_to, yend = y_to), 
                 linetype = "dotted") + # 双曲線との対応線
    geom_point(data = point_df, 
               mapping = aes(x = t, y = cosh_t), 
               size = 4) + # cosh曲線上の点
    coord_cartesian(clip = "off", 
                    xlim = c(min(theta_vec), max(theta_vec)), ylim = c(-axis_max, axis_max)) + # 
    labs(title = "cosh function", 
         subtitle = parse(text = cosh_label), 
         x = expression(theta), y = expression(cosh~theta))
  
  # 並べて描画
  graph <- patchwork::wrap_plots(hyperbola_graph, cosh_graph, guides = "collect")
  
  # ファイルを書き出し
  file_path <- paste0(dir_path, "/", stringr::str_pad(i, width = nchar(frame_num), pad = "0"), ".png")
  ggplot2::ggsave(filename = file_path, plot = graph, width = 1200, height = 600, units = "px", dpi = 100)
  
  # 途中経過を表示
  message("\r", i, " / ", frame_num, appendLF = FALSE)
}

 変数の値ごとに「グラフの作成」と同様に処理します。作成したグラフをggsave()で保存します。

 cosh関数のアニメーションを作成します。

# gif画像を作成
paste0(dir_path, "/", stringr::str_pad(1:frame_num, width = nchar(frame_num), pad = "0"), ".png") |> # ファイルパスを作成
  magick::image_read() |> # 画像ファイルを読込
  magick::image_animate(fps = 1, dispose = "previous") |> # gif画像を作成
  magick::image_write_gif(path = "cosh.gif", delay = 0.1) -> tmp_path # gifファイル書き出

 全てのファイルパスを作成して、image_read()で画像ファイルを読み込んで、image_animate()でgif画像に変換して、image_write_gif()でgifファイルを書き出します。delay引数に1秒当たりのフレーム数の逆数を指定します。

双曲線上の点とcosh関数曲線上の点の関係

 $\theta$が実数の範囲では(?)双曲線上の点が$x > 1$を推移するので、cosh関数も1以上を推移するのを確認できます。

 この記事では、cosh関数を可視化しました。次の記事では、tanh関数を可視化します。

おわりに

 解説文のテンプレを用意できたし、他の関数のメインのコードも書けてるので、残りの記事はサクッとできるはずです。

【次の内容】

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