Методы решения физико-математических задач

Тангенс (tg x) и котангенс (ctg x) – свойства, графики, формулы

Основные формулы тангенса и котангенса
Справочные данные по тангенсу (tg x) и котангенсу (ctg x). Геометрическое определение, свойства, графики, формулы. Таблица тангенсов и котангенсов, производные, интегралы, разложения в ряды. Выражения через комплексные переменные. Связь с гиперболическими функциями.
()( \displaystyle \newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\arctg}{\mathop{\mathrm{arctg}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\arcctg}{\mathop{\mathrm{arcctg}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\th}{\mathop{\mathrm{th}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\cth}{\mathop{\mathrm{cth}}\nolimits} )() ()( \displaystyle \newcommand{\arccot}{\mathop{\mathrm{arccot}}\nolimits} )()

Геометрическое определение

Геометрическое определение тангенса и котангенса

tg (α ) =  | BC |  | AB |  ;  ctg (α ) =  | AB |  | BC |  
 | AB |  =  | AD | ;  α =  | BD |  | AB |  
|BD| –  длина дуги окружности с центром в точке A .
α – угол, выраженный в радианах.

Тангенс (tg α)
– это тригонометрическая функция, зависящая от угла α между гипотенузой и катетом прямоугольного треугольника, равная отношению длины противолежащего катета |BC| к длине прилежащего катета |AB| .
Котангенс (ctg α)
– это тригонометрическая функция, зависящая от угла α между гипотенузой и катетом прямоугольного треугольника, равная отношению длины прилежащего катета |AB| к длине противолежащего катета |BC| .

y = tg x = sin xcos x ;   x ≠ π2 + nπ;   – ∞ < y < + ∞ ,     где n - целое.
y = ctg x = cos xsin x ;   x ≠ nπ;   – ∞ < y < + ∞ ,     где n - целое.

Принятые обозначения

Тангенс

В западной литературе тангенс обозначается так:
tan x ≡ tg x . 
Также приняты следующие обозначения:
tg 2 x ≡ (tg x ) 2 ;  tg 3 x ≡ (tg x ) 3 ;   tg n x ≡ (tg x ) n  ; 
tan – 1 x ≡ arctan x ≡ arctg x ; 
(tg x ) – 1  ≡ 1tg x = ctg x . 

Котангенс

В западной литературе котангенс обозначается так:
cot x ≡ ctg x . 
Также приняты следующие обозначения:
ctg 2 x ≡ (ctg x ) 2 ;   ctg 3 x ≡ (ctg x ) 3 ;   ctg n x ≡ (ctg x ) n  ; 
ctg – 1 x ≡ arccot x ≡ arcctg x ; 
(ctg x ) – 1  ≡ 1ctg x = tg x . 

Графики функций тангенс, y = tg x, и котангенс, y = ctg x

Графики функций y=tg(x) и y=ctg(x)
Графики функций y=tg(x) и y=ctg(x).

Свойства тангенса и котангенса

Периодичность

Функции   y = tg x   и   y = ctg x   периодичны с периодом   π .

tg (x + π ) = tg x;   ctg (x + π ) = ctg x

Четность

Функции тангенс и котангенс – нечетные.

tg (– x ) = – tg x;   ctg (– x ) = – ctg x

Области определения и значений, возрастание, убывание

Функции тангенс и котангенс непрерывны на своей области определения (см. доказательство непрерывности). Основные свойства тангенса и котангенса представлены в таблице (n - целое).

  y = tg x y = ctg x
Область определения и непрерывность x ≠ π2 + nπ x ≠ nπ
Область значений –∞ < y < +∞ –∞ < y < +∞
Возрастание – π2 + nπ < x <  π2 + nπ –
Убывание – nπ < x <  π + nπ
Экстремумы – –
Нули, y = 0 x = nπ x = π2 + nπ
Точки пересечения с осью ординат, x = 0 y = 0 –

Основные формулы

Основные формулы тангенса и котангенса

Выражения через синус и косинус

tg x = sin xcos x  ;      ctg x = cos xsin x  ; 
tg 2 x = 1cos 2 x – 1 ;      ctg 2 x = 1sin 2 x – 1 ; 
1 + tg 2 x = 1cos 2 x  ;      1 + ctg 2 x = 1sin 2 x 

Формулы тангенса и котангенса от суммы и разности

tg (x + y ) = tg x + tg y1 – tg x tg y =  ctg x + ctg yctg x ctg y – 1 
tg (x – y ) = tg x – tg y1 + tg x tg y =  ctg y – ctg xctg x ctg y + 1 
Остальные формулы легко получить, например
ctg (x + y ) = cos (x + y )sin (x + y ) =  cos x cos y – sin x sin ysin x cos y + cos x sin y = 
 cos x cos y – sin x sin ysin x sin y sin x cos y + cos x sin ysin x sin y  =  ctg x ctg y – 1ctg y + ctg x 

tg 2x = 2 tg x1 – tg 2 x 
tg ( π2 – x  ) = ctg x;   ctg ( π2 – x  ) = tg x

Произведение тангенсов

tg x tg y = cos (x – y ) – cos (x + y )cos (x – y ) + cos (x + y ) 

tg 2 x = 1 – cos 2x1 + cos 2x 

Формула суммы и разности тангенсов

tg x ± tg y = sin (x ± y )cos x cos y 

Таблица тангенсов и котангенсов

В данной таблице представлены значения тангенсов и котангенсов при некоторых значениях аргумента.

Таблица тангенсов и котангенсов
Таблица тангенсов и котангенсов

Выражения через комплексные числа

i 2  = – 1
tg z = – i e iz  – e – iz e iz  + e – iz  =  – i e 2iz  – 1e 2iz  + 1 
ctg z = i e iz  + e – iz e iz  – e – iz  =  i e 2iz  + 1e 2iz  – 1 

Выражения через гиперболические функции

tg (iz ) = i th z ;      ctg (iz ) = – i cth z
th (iz ) = i tg z ;      cth (iz ) = – i ctg z

Производные

(tg x ) ′ = 1cos 2 x  ;      (ctg x ) ′ = – 1sin 2 x  . 

Производная n-го порядка по переменной x от функции y = tg x  : 
y (n )  = [ ( 1 + y 2  ) ddy  ] n y . 
Производная n-го порядка по переменной x от функции y = ctg x  : 
y (n )  = (– 1 ) n [ ( 1 + y 2  ) ddy  ] n y . 
Вывод формул для тангенса > > >;     для котангенса > > >

Интегралы

∫ tg x dx = ∫ sin x dxcos x =  – ∫ d(cos x )cos x = – ln  |  cos x |  + C
∫ ctg x dx = ∫ cos x dxsin x =  ∫ d(sin x )sin x = ln  |  sin x |  + C

Разложения в ряды

Чтобы получить разложение тангенса по степеням x , нужно взять несколько членов разложения в степенной ряд для функций sin x и cos x и разделить эти многочлены друг на друга,   tg x = sin xcos x  .  При этом получаются следующие формулы.

tg x =  ∞Σn = 1 (– 1 ) n – 1 2 2n (2 2n  – 1 )B2n (2n )! x 2n – 1  = 
 x + 13 x 3  + 215 x 5  +  17315 x 7  + 622835 x 9  +  ... ;   при   – π2 < x < π2  . 
ctg x =  1x ⋅ ∞Σn = 0 (– 1 ) n 2 2n B2n (2n )! x 2n  = 
 1x – 13 x – 145 x 3  – 2945 x 5  –  14725 x 7  – 293555 x 9  –  ... ;   при   0 <  | x |  < π . 
где Bn – числа Бернулли. Они определяются либо из рекуррентного соотношения:
B0  = 1 ; 
1 + C 1n B1  + C 2n B2  +  ...   + C n – 1n Bn – 1  = 0 ; 
где   C mn  = n!m!(n – m )!  . 
Либо по формуле Лапласа:
Bn  = (– 1 ) n  n! | 
12! 10... 0
13! 12! 1... 0
14! 13! 12! ... 0
... ... ... ... ... 
1(n + 1 )! 1n! 1(n – 1 )! ... 12 
 |

B0  = 1;  B1  = – 12 ;  B2  = 16 ;   B4  = – 130 ;  B6  = 142 ;   B8  = – 130 ;  B10  = 566 ; ... 

Обратные функции

Обратными функциями к тангенсу и котангенсу являются арктангенс и арккотангенс, соответственно.

Арктангенс, arctg

y = tg x
x = arctg y + πn;   – π2 < arctg y < π2  ,    где n - целое.

Арккотангенс, arcctg

y = ctg x
x = arcctg y + πn;   0 < arcctg y < π ,    где n - целое.

Использованная литература:
И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев, Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов, «Лань», 2009.
Г. Корн, Справочник по математике для научных работников и инженеров, 2012.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:   Изменено:

▲
Меню