Методы решения физико-математических задач

Арксинус, арккосинус - свойства, графики, формулы

Графики arcsin x и arccos x
Даны свойства арксинуса и арккосинуса, их графики, формулы, таблица арксинусов и арккосинусов. Выражения через комплексные числа, гиперболические функции. Производные, интегралы, разложение в степенной ряд.

Арксинус, arcsin

Определение и обозначения

Арксинус ( y = arcsin x )
 – это функция, обратная к синусу ( x = sin y ). Он имеет область определения  –1 ≤ x ≤ 1  и множество значений  –π/2 ≤ y ≤ π/2 .
sin(arcsin x) = x     (– 1 ≤ x ≤ 1 ) ; 
arcsin(sin x) = x     ( – π2 ≤ x ≤ π2  ) . 

Арксинус иногда обозначают так:
arcsin x ≡ sin – 1 x . 

График функции арксинус

График функции y=arcsin(x)
График функции   y = arcsin x

График арксинуса получается из графика синуса, если поменять местами оси абсцисс и ординат. Чтобы устранить многозначность, область значений ограничивают интервалом   – π2 ≤ y ≤ π2  ,  на котором функция монотонна. Такое определение называют главным значением арксинуса.

Арккосинус, arccos

Определение и обозначения

Арккосинус ( y = arccos x )
 – это функция, обратная к косинусу ( x = cos y ). Он имеет область определения  –1 ≤ x ≤ 1  и множество значений  0 ≤ y ≤ π .
cos(arccos x) = x     (– 1 ≤ x ≤ 1 ) ; 
arccos(cos x) = x     ( 0 ≤ x ≤ π  ) . 

Арккосинус иногда обозначают так:
arccos x ≡ cos – 1 x . 

График функции арккосинус

График функции y=arccos(x)
График функции   y = arccos x

График арккосинуса получается из графика косинуса, если поменять местами оси абсцисс и ординат. Чтобы устранить многозначность, область значений ограничивают интервалом   0 ≤ y ≤ π ,  на котором функция монотонна. Такое определение называют главным значением арккосинуса.

Четность

Функция арксинус является нечетной:
arcsin(–x) = arcsin(–sin arcsin x) = arcsin(sin(–arcsin x)) = – arcsin x

Функция арккосинус не является четной или нечетной:
arccos(–x) = arccos(–cos arccos x) = arccos(cos(π–arccos x)) = π – arccos x ≠ ± arccos x

Свойства - экстремумы, возрастание, убывание

Функции арксинус и арккосинус непрерывны на своей области определения (см. доказательство непрерывности). Основные свойства арксинуса и арккосинуса представлены в таблице.

  y = arcsin x y = arccos x
Область определения и непрерывность – 1 ≤ x ≤ 1 – 1 ≤ x ≤ 1
Область значений – π2 ≤ y  ≤ π2  0 ≤ y ≤ π
Возрастание, убывание монотонно возрастает монотонно убывает
Максимумы x = 1;   y = π2  x = – 1;   y = π
Минимумы x = – 1;   y = – π2  x = 1;   y = 0
Нули, y = 0 x = 0 x = 1
Точки пересечения с осью ординат, x = 0 y = 0 y = π/2

Таблица арксинусов и арккосинусов

В данной таблице представлены значения арксинусов и арккосинусов, в градусах и радианах, при некоторых значениях аргумента.

 x arcsin x arccos x
град. рад. град. рад.
– 1 – 90° – π2  180° π
– √ 3  2  – 60° – π3  150° 5π6 
– √ 2  2  – 45° – π4  135° 3π4 
– 12  – 30° – π6  120° 2π3 
0 0° 0 90° π2 
12  30° π6  60° π3 
√ 2  2  45° π4  45° π4 
√ 3  2  60° π3  30° π6 
1 90° π2  0° 0

√ 2  2  ≈ 0,7071067811865476
√ 3  2  ≈ 0,8660254037844386

()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\arctg}{arctg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\arcctg}{arcctg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\Ln}{Ln} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\tg}{tg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\ctg}{ctg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\Arcsin}{Arcsin} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\Arccos}{Arccos} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\Arsh}{Arsh} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\Arch}{Arch} )()

Формулы

См. Вывод формул обратных тригонометрических функций
arcsin x = π2 – arccos x = arctg x√ 1 – x 2    
arccos x = π2 – arcsin x = arcctg x√ 1 – x 2    
arctg x = arcsin x√ 1 + x 2    
arcctg 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 или x 2  + y 2  ≤ 1
arcsin x + arcsin y = π – arcsin ( x √ 1 – y 2   + y √ 1 – x 2    )
     при  x > 0,  y > 0 и x 2  + y 2  > 1
arcsin x + arcsin y =  – π – arcsin ( x √ 1 – y 2   + y √ 1 – x 2    ) 
     при x < 0,  y < 0 и x 2  + y 2  > 1

arcsin x – arcsin y =  arcsin ( x √ 1 – y 2   – y √ 1 – x 2    ) 
     при  xy ≥ 0 или x 2  + y 2  ≤ 1
arcsin x – arcsin y = π – arcsin ( x √ 1 – y 2   – y √ 1 – x 2    )
     при  x > 0,  y < 0 и x 2  + y 2  > 1
arcsin x – arcsin y = – π – arcsin ( x √ 1 – y 2   – y √ 1 – x 2    ) 
     при x < 0,  y > 0 и x 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

Выражения через логарифм, комплексные числа

См. Вывод формул
Arcsin z = – i Ln ( i z + √ 1 – z 2    )
Arccos z = – i Ln ( z + √ z 2  – 1   )

Выражения через гиперболические функции

Arcsin iz = i Arsh z
Arccos z = – i Arch z
Arsh iz = i Arcsin z
Arch z = i Arccos z

Производные

(arcsin x ) ′ = 1√ 1 – x 2     ; 
(arccos x ) ′ = – 1√ 1 – x 2     . 
См. Вывод производных арксинуса и арккосинуса > > >

Производные высших порядков:
(arcsin x ) (n )  = pn (x )( 1 – x 2  ) n – 12    , 
где pn (x ) – многочлен степени n – 1 .  Он определяется по формулам:
p2m + 1 (x ) =  A [1 + mΣk = 1 (m! ) 2 (2k )!( (m – k )!  ) 2  (2x ) 2k ] ; 
p2m (x ) = Ax [1 +  m – 1Σk = 1 ((m – 1 )! ) 2 (2k + 1 )!( (m – k – 1 )!  ) 2  (2x ) 2k ] ; 
A = [1 ⋅ 3 ⋅ 5⋅ ⋅ ⋅(2m – 1 )] 2  ≡  [(2m – 1 )!! ] 2  . 
(arccos x ) (n )  = – (arcsin x ) (n ) 
См. Вывод производных высших порядков арксинуса и арккосинуса > > >

Интегралы

Делаем подстановку   x = sin t . Интегрируем по частям, учитывая что  –π/2 ≤ t ≤ π/2 ,  cos t ≥ 0 :
∫ arcsin x dx = ∫ arcsin sin t d(sin t ) = ∫ t d(sin t ) =  t sin t – ∫ sin t dt = t sin t + cos t + C = arcsin x ⋅ x + √ 1 – sin 2 t  =  x arcsin x + √ 1 – x 2   + C . 

Выразим арккосинус через арксинус:
∫ arccos x dx = ∫ ( π2 – arcsin x  ) dx = π2 ∫ dx – ∫ arcsin x dx =  π2 x – x arcsin x – √ 1 – x 2   + C = x( π2 – arcsin x  ) – √ 1 – x 2   + C =  x arccos x – √ 1 – x 2   + C . 

Разложение в ряд

При   |x| < 1   имеет место следующее разложение:
arcsin x = x + ∞Σn = 1 (2n – 1 )!!(2n )!! x 2n + 1 2n + 1 =  x + 12 ⋅ x 3 3 + 1 ⋅ 32 ⋅ 4 ⋅ x 5 5 + 1 ⋅ 3 ⋅ 52 ⋅ 4 ⋅ 6 ⋅ x 7 7 + . . . ; 
arccos x = π2 – arcsin x . 

Обратные функции

Обратными к арксинусу и арккосинусу являются синус и косинус, соответственно.

Следующие формулы справедливы на всей области определения:
sin(arcsin x) = x     (– 1 ≤ x ≤ 1 )
cos(arccos x) = x    (– 1 ≤ x ≤ 1 ) . 

Следующие формулы справедливы только на множестве значений арксинуса и арккосинуса:
arcsin(sin x) = x     при  – π2 ≤ x ≤ π2 
arccos(cos x) = x     при  0 ≤ x ≤ π . 

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

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню