Арктангенс, арккотангенс – свойства, графики, формулы
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 – 1 x .
График функции арктангенс
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 – 1 x .
График функции арккотангенс
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° | 0 | 90° | π2 |
| 1√ 3  | 30° | π6 | 60° | π3 |
| 1 | 45° | π4 | 45° | π4 |
| √ 3  | 60° | π3 | 30° | π6 |
| + ∞ | 90° | π2 | 0° | 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 )!  cos n y ⋅ 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 )!  sin n z ⋅ sin [n( z + π  )] .
Интегралы
Делаем подстановку x = tg t и интегрируем по частям:
∫ arctg x dx = ∫ arctg tg t d(tg t ) = ∫ t d(tg t ) = t tg t – ∫ tg t dt ;
∫ tg t dt = ∫ sin t dtcos t = – ∫ d cos tcos t = – ln | cos t | = – ln 1√ 1 + tg 2 t  = 12 ln (1 + tg  2 t ) ;
∫ arctg x dx = t tg t – 12 ln (1 + tg  2 t ) = arctg x ⋅ x – 12 ln (1 + x 2 ) + C ;
∫ arctg x dx = x arctg x – 12 ln (1 + x 2 ) + C
Выразим арккотангенс через арктангенс:
∫ arcctg x dx = ∫ ( π2 – arctg x  ) dx = π2 ∫ dx – ∫ arctg x dx = π2 x – 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 – 1 x 2n – 1 2n – 1 = x – x 3 3 + x 5 5 – x 7 7 + . . . ;
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: