Методы решения физико-математических задач

Арктангенс, арккотангенс – свойства, графики, формулы

Графики arctg x и arcctg x
Даны все свойства арктангенса и арккотангенса, их графики, формулы, таблица арктангенсов и арккотангенсов. Выражения через комплексные числа, гиперболические функции. Производные, интегралы, разложения в степенные ряды.
()( \displaystyle \newcommand{\Im}{\mathop{\mathrm{Im}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\arctg}{arctg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\arcctg}{arcctg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\arccot}{arccot} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\Arctg}{Arctg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\Arcctg}{Arcctg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\Ln}{Ln} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\tg}{tg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\ctg}{ctg} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\Arth}{Arth} )() ()( \displaystyle \DeclareMathOperator{\Arcth}{Arcth} )()

Арктангенс, arctg

Определение и обозначения

Арктангенс ( y = arctg x )
 – это функция, обратная к тангенсу ( x = tg y ). Он имеет область определения  – ∞ < x < + ∞  и множество значений  – π2 < y < π2  . 
tg(arctg x) = x     (– ∞ < x < + ∞ ) ; 
arctg(tg x) = x     ( – π2 < x < π2  ) . 

Арктангенс обозначается так:
arctg x ≡ arctan x ≡ tan – 1x . 

График функции арктангенс

График функции y=arctg(x)
График функции   y = arctg x .

График арктангенса получается из графика тангенса, если поменять местами оси абсцисс и ординат. Чтобы устранить многозначность, множество значений ограничивают интервалом   – π2 < y < π2  ,  на котором функция монотонна. Такое определение называют главным значением арктангенса.

Арккотангенс, arcctg

Определение и обозначения

Арккотангенс ( y = arcctg x )
 – это функция, обратная к котангенсу ( x = ctg y ). Он имеет область определения  – ∞ < x < + ∞  и множество значений  0 < y < π . 
ctg(arcctg x) = x     (– ∞ < x < + ∞ ) ; 
arcctg(ctg x) = x     0 < y < π . 

Арккотангенс обозначается так:
arcctg x ≡ arccot x ≡ cot – 1x . 

График функции арккотангенс

График функции y=arcctg(x)
График функции   y = arcctg x .

График арккотангенса получается из графика котангенса, 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 арккотангенса.

Четность

Функция арктангенс является нечетной:
arctg(–x) = arctg(–tg arctg x) = arctg(tg(–arctg x)) = – arctg x

Функция арккотангенс не является четной или нечетной:
arcctg(–x) = arcctg(–ctg arcctg x) = arcctg(ctg(π–arcctg x)) = π – arcctg x ≠ ± arcctg x .

Свойства – экстремумы, возрастание, убывание

Функции арктангенс и арккотангенс непрерывны на своей области определения, то есть для всех x . (см. доказательство непрерывности). Основные свойства арктангенса и арккотангенса представлены в таблице.

  y = arctg x y = arcctg x
Область определения и непрерывность – ∞ < x < + ∞ – ∞ < x < + ∞
Множество значений – π2 < y < π2 0 < y < π
Возрастание, убывание монотонно возрастает монотонно убывает
Максимумы, минимумы нет нет
Нули, y = 0 x = 0 нет
Точки пересечения с осью ординат, x = 0 y = 0 y = π/2
limx →  – ∞y(x ) π2 π
limx →  + ∞y(x ) π2 0

Таблица арктангенсов и арккотангенсов

В данной таблице представлены значения арктангенсов и арккотангенсов, в градусах и радианах, при некоторых значениях аргумента.

 x arctg x arcctg x
град. рад. град. рад.
– ∞ – 90° π2 180° π
 3  – 60° π3 150° 5π6
– 1 – 45° π4 135° 3π4
1 3  – 30° π6 120° 2π3
0 0 90° π2
1 3  30° π6 60° π3
1 45° π4 45° π4
 3  60° π3 30° π6
+ ∞ 90° π2 0

1 3  ≈ 0,5773502691896258
 3  ≈ 1,7320508075688772

Формулы

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

Формулы суммы и разности

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

Выражения через логарифм, комплексные числа

См. Вывод формул
Arctg z = – i2 Ln (1 + iz1 – iz  ) , 
Arcctg z = – i2 Ln (iz – 1iz + 1  ) . 

Выражения через гиперболические функции

Arctg iz = i Arth z
Arcctg iz = – i Arcth z
Arth iz = i Arctg z
Arcth iz = – i Arcctg z

Производные

(arctg x ) = 11 + x 2
(arcctg x ) = – 11 + x 2
См. Вывод производных арктангенса и арккотангенса > > >

Производные высших порядков:
Пусть  y = arctg x .  Тогда производную n-го порядка арктангенса можно представить одним из следующих способов:
y (n )  =  (– 1 )n + 1  (n – 1 )! ⋅ Im  (x + i )n(1 + x 2 )n  ; 
y (n )  =  (n – 1 )!  cosny ⋅ sin [n(y + π2  )] . 
Символ Im  означает мнимую часть стоящего следом выражения.

См. Вывод производных высших порядков арктангенса и арккотангенса > > >
Там же даны формулы производных первых пяти порядков.

Аналогично для арккотангенса. Пусть  z = arcctg x .  Тогда
z (n )  =  (– 1 )n  (n – 1 )! ⋅ Im  (x + i )n(1 + x 2 )n  ; 
z (n )  =  (n – 1 )!  sinnz ⋅ sin [n(z + π  )] . 

Интегралы

Делаем подстановку   x = tg t   и интегрируем по частям:
 arctg xdx =  arctg tg td(tg t ) = td(tg t ) =  t tg t –  tg tdt ; 
 tg tdt = sin tdtcos t = – d cos tcos t = – ln  |  cos t |  =  – ln 1 1 + tg 2t =  12 ln (1 + tg  2t ) ; 
 arctg xdx = t tg t – 12 ln (1 + tg  2t ) = arctg x ⋅ x – 12 ln (1 + x 2 ) + C ; 
 arctg xdx = x arctg x – 12 ln (1 + x 2 ) + C

Выразим арккотангенс через арктангенс:
 arcctg xdx = (π2 – arctg x  )dx = π2dx –  arctg xdx =  π2x – x arctg x + 12 ln (1 + x 2 ) + C = x(π2 – arctg x  ) + 12 ln (1 + x 2 ) + C =  x arcctg x + 12 ln (1 + x 2 ) + C . 

Разложение в степенной ряд

При   |x| ≤ 1   имеет место следующее разложение:
arctg x = Σn = 1 (– 1 )n – 1x 2n – 12n – 1 =  x – x 33 + x 55 – x 77 + . . . ; 
arcctg x = π2 – arctg x . 

Обратные функции

Обратными к арктангенсу и арккотангенсу являются тангенс и котангенс, соответственно.

Следующие формулы справедливы на всей области определения:
tg(arctg x) = x     (– ∞ < x < + ∞ )
ctg(arcctg x) = x    (– ∞ < x < + ∞ ) . 

Следующие формулы справедливы только на множестве значений арктангенса и арккотангенса:
arctg(tg x) = x     при  – π2 < x < π2
arcctg(ctg 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