Методы решения физико-математических задач

Обратные тригонометрические функции, их графики и формулы

Графики обратных тригонометрических функций
Даны определения обратных тригонометрических функций и их графики. А также формулы, связывающие обратные тригонометрические функции, формулы сумм и разностей.
()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\arctg}{arctg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\arcctg}{arcctg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\tg}{tg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\ctg}{ctg} )()

Определение обратных тригонометрических функций

Поскольку тригонометрические функции периодичны, то обратные к ним функции не однозначны. Так, уравнение   y = sin x ,   при заданном   y (– 1 ≤ y ≤ 1 )  ,    имеет бесконечно много корней. Действительно, в силу периодичности синуса, если x   такой корень, то и   x + 2πn   (где n целое) тоже будет корнем уравнения. Таким образом, обратные тригонометрические функции многозначны. Чтобы с ними было проще работать, вводят понятие их главных значений. Рассмотрим, например, синус:   y = sin x .   Если ограничить аргумент x интервалом – π2 ≤ x ≤ π2  ,  то на нем функция   y = sin x   монотонно возрастает. Поэтому она имеет однозначную обратную функцию, которую называют арксинусом:   x = arcsin y .

Если особо не оговорено, то под обратными тригонометрическими функциями имеют в виду их главные значения, которые определяются следующими определениями.

Арксинус ( y = arcsin x )
– это функция, обратная к синусу ( x = sin y ), имеющая область определения – 1 ≤ x ≤ 1 и множество значений – π2 ≤ y ≤ π2  . 
Арккосинус ( y = arccos x )
– это функция, обратная к косинусу ( x = cos y ), имеющая область определения – 1 ≤ x ≤ 1 и множество значений 0 ≤ y ≤ π . 
Арктангенс ( y = arctg x )
– это функция, обратная к тангенсу ( x = tg y ), имеющая область определения – ∞ < x < + ∞ и множество значений – π2 < y < π2  . 
Арккотангенс ( y = arcctg x )
– это функция, обратная к котангенсу ( x = ctg y ), имеющая область определения – ∞ < x < + ∞ и множество значений 0 < y < π . 

Графики обратных тригонометрических функций

Графики обратных тригонометрических функций получаются из графиков тригонометрических функций зеркальным отражением относительно прямой   y = x . См. разделы Синус, косинус, Тангенс, котангенс.

График функции y=arcsin(x)
y = arcsin x
График функции y=arccos(x)
y = arccos x
График функции y=arctg(x)
y = arctg x
График функции y=arcctg(x)
y = arcctg x

Основные формулы

Здесь следует особо обратить внимание на интервалы, для которых справедливы формулы.

arcsin(sin x) = x     при  – π2 ≤ x ≤ π2
sin(arcsin x) = x
arccos(cos x) = x     при  0 ≤ x ≤ π
cos(arccos x) = x

arctg(tg x) = x     при  – π2 < x < π2
tg(arctg x) = x
arcctg(ctg x) = x     при  0 < x < π
ctg(arcctg x) = x

Формулы, связывающие обратные тригонометрические функции

См. Вывод формул обратных тригонометрических функций
arcsin x = – arcsin (– x ) = π2 – arccos x = arctg x 1 – x 2  
arccos x = π – arccos (– x ) = π2 – arcsin x = arcctg x 1 – x 2  

arctg x = – arctg (– x ) = π2 – arcctg x = arcsin x 1 + x 2  
arcctg x = π – arcctg (– x ) = π2 – arctg x = arccos x 1 + x 2  

Формулы суммы и разности

arcsin x + arcsin y =  arcsin (x 1 – y 2   + y 1 – x 2    )
     при xy ≤ 0 илиx 2  + y 2  ≤ 1
arcsin x + arcsin y = π – arcsin (x 1 – y 2   + y 1 – x 2    )
     при x > 0,  y > 0 иx 2  + y 2  > 1
arcsin x + arcsin y =  – π – arcsin (x 1 – y 2   + y 1 – x 2    )
     при x < 0,  y < 0 иx 2  + y 2  > 1

arcsin x – arcsin y =  arcsin (x 1 – y 2   – y 1 – x 2    )
     при xy ≥ 0 илиx 2  + y 2  ≤ 1
arcsin x – arcsin y = π – arcsin (x 1 – y 2   – y 1 – x 2    )
     при x > 0,  y < 0 иx 2  + y 2  > 1
arcsin x – arcsin y = – π – arcsin (x 1 – y 2   – y 1 – x 2    )
     при x < 0,  y > 0 иx 2  + y 2  > 1

arccos x + arccos y =  arccos (xy –  1 – x 2   1 – y 2    )
     при x + y ≥ 0
arccos x + arccos y = 2π –  arccos (xy –  1 – x 2   1 – y 2    )
     при x + y < 0

arccos x – arccos y =  – arccos (xy +  1 – x 2   1 – y 2    )
     при x ≥ y
arccos x – arccos y =  arccos (xy +  1 – x 2   1 – y 2    )
     при x < y

arctg x + arctg y =  arctg x + y1 – xy  
     при xy < 1
arctg x + arctg y =  π + arctg x + y1 – xy  
     при x > 0,  xy > 1
arctg x + arctg y =  – π + arctg x + y1 – xy  
     при x < 0,  xy > 1

arctg x – arctg y =  arctg x – y1 + xy  
     при xy > – 1
arctg x – arctg y =  π + arctg x – y1 + xy  
     при x > 0,  xy < – 1
arctg x – arctg y =  – π + arctg x – y1 + xy  
     при x < 0,  xy < – 1

Использованная литература:
И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев, Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов, «Лань», 2009.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

Меню