Обратни тригонометрични функции

От testwiki
Направо към навигацията Направо към търсенето

Шаблон:Експерт Обрàтните тригонометрѝчни фу̀нкции, наричани още àркусфункции или циклометрѝчни функции, се дефинират като обратни на тригонометричните функции. Те определят ъгъла, съответстващ на дадена отсечка в единичната окръжност. Това са функциите:

За окръжност с радиус 1, arcsinx и arccosy e дъгата, определена от точката с координати x и y или ъгълът срещу нея.

Обратните тригонометрични функции служат за намиране на ъгъл от която и да е от неговите тригонометрични функции, но също и за обяснение на антипроизводните (първообразите, примитивите) на определени функции. Те се използват широко в инженерството, навигацията, физиката и геометрията.

Аркусфункциите са многозначни, защото съответните им тригонометрични функции са периодични. Стойността на аркусфункцията е множество от ъгли (дъги), за които съответната права тригонометрична функция е равна на даденото число. Например arcsin1/2 означава множеството от ъгли (π6,5π6,13π6,17π6(30,150,390,510)), синусът от които е 1/2. От множеството от стойности на всяка аркусфункция се отделят нейните главни стойности (вижте графиките на главните стойности на аркусфункциите по-долу), които обикновено се имат предвид, когато се говори за тази аркусфункция. В примера главната стойност на arcsin1/2 е π6(30).

Означения и имена

Обратните тригонометрични функции се означават със стандартен или съкратен запис на името им или чрез правата им функция:

Означения на обратните тригонометрични функции
Функция Стандартни Съкратени С правата функция Произношение
Аркуссинус arcsinx
arcsin(x)
asinx
asin(x)
sin1x
sin1(x)
аркуссинус от хикс
Аркускосинус arccosx
arccos(x)
acosx
acos(x)
cos1x
cos1(x)
аркускосинус от хикс
Аркустангeнс

arctgx
arctg(x)
arctanx
arctan(x)

atgx
atg(x)
atanx
atan(x)
tg1x
tg1(x)
tan1x
tan1(x)
аркустангeнс от хикс
Аркускотангeнс arccotx
arccot(x)
arccotgx
arccotg(x)
arcctgx
arcctg(x)
acotx
acot(x)
acotgx
acotg(x)
actgx
actg(x)
cot1x
cot1(x)
cotg1x
cotg1(x)
ctg1x
ctg1(x)
аркускотангенс от хикс
Аркуссеканс arcsecx
arcsec(x)
asinx
asec(x)
sec1x
sec1(x)
аркусеканс от хикс
Аркускосеканс arccscx
arccsc(x)
acscx
acsc(x)
csc1x
csc1(x)
аркускосеканс от хикс

В езиците за компютърно програмиране обратните тригонометрични функции обикновено се означават ​​със съкратените форми Asin, Acos и Atan (във Visual Basic); [1]asin, acos и atanC++);[2]​ или ArcSin, ArcCos и ArcTanПаскал).[3]

Името на обратната тригонометрична функция се формира от името на съответната права тригонометрична функция чрез добавяне на префикса „aркус-“ (от латински arcus – дъга). Това се дължи на факта, че геометрично стойността на обратната тригонометрична функция може да бъде свързана с дължината на дъгата на единичната окръжност (или ъгъла, обхващащ тази дъга), съответстваща на определен сегмент. По този начин обикновеният синус позволява да се намери хорда, която го свързва по дъга от окръжност, а обратната функция решава обратния проблем. Начинът за обозначаване на обратните тригонометрични функции по този начин се появява при австрийския математик от 18 век Карл Шерфер и е установен благодарение на Лагранж. Специалният символ за обратната тригонометрична функция е използван за първи път от Даниел Бернули през 1729 г. До края на 19 век английската и немската математически школи предлагат други обозначения: sin1,1sin, но те не се утвърждават.[4] Само понякога в чуждестранната литература, както и в научни/инженерни калкулатори, се използват обозначения като sin−1, cos−1 за аркуссинус, аркускосинус и т.н. [5] – такова обозначение се счита за не много удобно, тъй като е възможно объркване с функцията, повдигната на степен −1. Объркването се смекчава донякъде от факта, че всяка от реципрочните тригонометрични функции има собствено име, например (cos(x))−1 = sec(x). Предпочита се обаче такова обозначение да не се използва поради неговата двусмисленост.​ Друг вариант, използван от някои автори, е означение с първа главна буква, заедно с горен индекс −1: Sin−1(x), Cos−1(x ), Tan−1(x) и т.н. Това потенциално избягва объркване със съответната обратна функция, която трябва да бъде представена чрез Шаблон:Math, Шаблон:Math ... или по-добре чрез Шаблон:Math, Шаблон:Math и т.н. Обаче се създава още един основен източник на неяснота, особено след като много популярни езици за програмиране на високо ниво (напр. Mathematica и Magma) използват същите тези представяния с главни букви за стандартните тригонометрични функции, докато други (Python, SymPy, NumPy, MATLAB, Maple и др.) използват малки букви.

От 2009 г. насам стандартът ISO 80000-2 уточнява само префикса „arc“ за обратните функции.

Основни съотношения

Удовлетворени са зависимостите:

arcsinsinx=sinarcsinx=x
arccoscosx=cosarccosx=x
arctantanx=tanarctanx=x
arccotcotx=cotarccotx=x
arcsinsecx=sinarcsinx=x
arccoscscx=cosarccosx=x
arcsinx+arccosx=π2
arctgx+arcctgx=π2

Функция arcsin

Аркусинус на числото Шаблон:Math е стойността на ъгъла Шаблон:Math, изразена в радиани, за която siny=x,π2yπ2,|x|1.

Графика на функцията y=arcsinx

Функцията y=arcsinx е непрекъсната и ограничена в цялата си дефиниционна област. Тя е строго нарастваща.

  • sin(arcsinx)=x при 1x1,
  • arcsin(siny)=y за π2yπ2,
  • Дефиниционна област D(arcsinx)=[1;1],
  • Област на стойностите E(arcsinx)=[π2;π2].

Свойства на функцията arcsin

  • arcsin(x)=arcsinx (функцията е нечетна).
  • arcsinx>0 за 0<x1.
  • arcsinx=0 за x=0.
  • arcsinx<0 за 1x<0.
  • arcsinx=π2arccosx.
  • arcsinx={arccos1x2,0x1arccos1x2,1x0
  • arcsinx=arctgx1x2
  • arcsinx={arcctg1x2x,0<x1arcctg1x2xπ,1x<0

Получаване на функцията arcsin

Дадена е функцията y=sinx. В цялата си област на определяне тя е частично монотонна, следователно обратното съответствие y=arcsinx не е изпълнено по цялата числова линия. Затова се разглежда интервала [π/2;π/2], в който функцията y=sinx строго монотонно нараства и приема всички свои стойности само веднъж. Тогава в интервала [π/2;π/2] съществува обратната функция y=arcsinx, чиято графика е симетрична на графиката на функцията y=sinx относно правата y=x.

Функция arccos

Аркускосинус на числото Шаблон:Math се нарича такава стойност на ъгъла Шаблон:Math, изразена в радиани, за която

Графика на функцията y=arccosx

cosy=x,0yπ,|x|1.

Функцията y=arccosx е непрекъсната и ограничена в цялата си дефиниционна област. Тя е строго намаляваща и неотрицателна.

  • cos(arccosx)=x при 1x1,
  • arccos(cosy)=y при 0yπ.
  • Дефиниционна област D(arccosx)=[1;1],
  • Област на стойностите E(arccosx)=[0;π].

Свойства на функцията arccos

  • arccos(x)=πarccosx. Функцията е централно симетрична по отношение на точката (0;π2), тя е индиферентна (нито четна, нито нечетна).
  • arccosx>0 при 1x<1.
  • arccosx=0 при x=1.
  • arccosx=π2arcsinx.
  • arccosx={arcsin1x2,0x1πarcsin1x2,1x0
  • arccosx=arcctgx1x2
  • arccosx={arctg1x2x,0<x1π+arctg1x2x,1x<0
  • arccosx=2arcsin1x2
  • arccosx=2arccos1+x2
  • arccosx=2arctg1x1+x=2arctg1x21+x

Получаване на функцията arccos

Дадена е функцията y=cosx. В цялата си дефиниционна област тя е частично монотонна, следователно обратното съответствие y=arccosx не е изпълнено по цялата числова линия. Затова се разглежда интервала [0;π], в който функцията y=cosx строго монотонно намалява и приема всички свои стойности само веднъж. Тогава в интервала [0;π] съществува обратната функция y=arccosx, чиято графика е симетрична на графиката на функцията y=cosx относно правата y=x.

Функция arctg

Аркустангенс на числото Шаблон:Math се нарича такава стойност на ъгъла y, изразена в радиани, за която

Графика на функцията y=arctgx

tgy=x,π2<y<π2.

Функцията y=arctgx е определена по цялата числова линия, навсякъде непрекъсната и ограничена. Тя е строго нарастваща.

  • tg(arctgx)=x при x,
  • arctgx={arcctg1x,x>0arcctg1xπ,x<0
  • Дефиниционна област D(arctgx)=(;).
  • Област на стойностите E(arctgx)=(π2;π2).

Свойства на функцията arctg

  • arctg(x)=arctgx (функцията е нечетна).
  • arctgx=arcsinx1+x2.
  • arctgx={arccos11+x2,x0arccos11+x2,x0
  • arctgx=2arctgx1+x2+1=2arctg1+x21x.
  • arctgx=π/2arcctgx.
  • arctgx={arcctg1x,x>0arcctg1xπ,x<0
  • arctgx=iarthix, където arth е обратен хиперболичен тангенс, ареатангенс.
  • arthx=iarctgix.

Получаване на функцията arctg

Дадена е функцията y=tgx. В цялата си дефиниционна област тя е частично монотонна, следователно обратното съответствие y=arctgx на функцията не е изпълнено. Затова се разглежда интервала (π/2;π/2), в който функцията y=tgx строго монотонно нараства и приема всички стойности от своята област на стойностите само веднъж. Тогава в интервала (π/2;π/2) съществува обратната функция y=arctgx, чиято графика е симетрична на графиката на функцията y=tgx относно правата y=x.

Функция arcctg

Графика на функцията y=arcctgx

Аркустангенс на числото Шаблон:Math е стойността на ъгъла Шаблон:Math (в радиани), за който ctgy=x,0<y<π.

Функцията y=arcctgx е дефинирана на цялата числова ос, непрекъсната е и ограничена навсякъде. Тя е строго намаляваща и положителна навсякъде.

  • ctg(arcctgx)=x за x,
  • arcctg(ctgy)=y за 0<y<π,
  • Дефиниционна област D(arcctgx)=(;),
  • Област на стойностите E(arcctgx)=(0;π).

Свойства на функцията arcctg

  • arcctg(x)=πarcctgx. Графиката на функцията е централно симетрична спрямо точката (0;π2). Функцията е безразлична (нито четна, нито нечетна).
  • arcctgx>0 за всеки x.
  • arcctgx=arccosx1+x2.
  • arcctgx={arcsin11+x2,x0πarcsin11+x2,x0
  • arcctgx=2arctg(x2+1x)=2arcctg(x2+1+x).
  • arcctgx=π/2arctgx.
  • arcctgx={arctg1x,x>0arctg1x+π,x<0

Получаване на функция arcctg

Дадена е функцията y=ctgx. В цялата си дефиниционна област тя е частично монотонна и следователно обратното съответствие y=arcctgx не съществува. Затова се разглежда интервала (0;π), в който функцията y=ctgx строго монотонно намалява и приема всички стойности от своята област само веднъж. Тогава в интервала (0;π) съществува обратна функция y=arcctgx, чиято графика е симетрична на графиката на функцията y=ctgx спрямо правата y=x.

Графиката на функцятаАркускоотангенсна се получава от аркустангенсната графика, ако последната е отразена спрямо ординатната ос (т.е. сменяйки знака на аргумента, xx) и е изместена нагоре с Шаблон:Math; това следва от горната формула arcctgx=arctg(x)+π/2.

Функция arcsec

Аркуссеканс на числото x е стойността на ъгъла y (в радиани), за която

Графика на функцията y=arcsecx

secy=x,|x|1,0yπ.

Функцията y=arcsecx е непрекъсната и ограничена в цялата си дефиниционна област. Тя е строго нарастваща и неотрицателна навсякъде.

  • sec(arcsecx)=x при |x|1,
  • arcsec(secy)=y при 0yπ.
  • Дефиниционна област
D(arcsecx)=(;1][1,)
  • Област на стойностите
E(arcsecx)=[0;π2)(π2;π].

Свойства на функцията arcsec

  • arcsec(x)=πarcsecx. Графиката на функцията е централно симетрична спрямо точката (0;π2). Функцията е индиферентна (нито четна, нито нечетна).
  • arcsecx0 за всички x.
  • arcsecx={arcsinx21x,x1π+arcsinx21x,x1
  • arcsecx=π2arccosecx.
  • arcsecx=arccos1x.

Функция arccosec

Аркосеканс на числото Шаблон:Math е стойността на ъгъла Шаблон:Math (в радиани), за която

Графика на функцията y=arccosecx

cosecy=x, |x|1,π/2yπ/2.

Функцията y=arccosecx е непрекъсната и ограничена в цялата си област на определение. Тя е строго намаляваща.

  • cosec(arccosecx)=x при |x|1,
  • arccosec(cosecy)=y при π/2yπ/2.
  • Дефиниционна област D(arccosecx)=(;1][1,),
  • Област на стойностите E(arccosecx)=[π2;0)(0;π2].

Свойства на функцията arccosec

  • arccosec(x)=arccosecx (функцията е нечетна).
  • arccosecx=arctgsgnxx21={arctg1x21,x>1arctg1x21,x<1
  • arccosecx=π/2arcsecx.
  • arccosecx=arcsin1x.

Сравнение и обобщение

Основните стойности на функциите
arcsin(x) (червено) и arccos(x) (синьо)
Основните стойности на функциите
arctan(x) (червено) и arccot(x) (синьо)
Основните стойности на функциите
arcsec(x) (червено) и arccsc(x) (синьо)
Риманова повърхност на комплексен логаритъм. Листите са на разстояние 2π.

Тъй като тригонометричните функции са периодични функции, те първоначално не са обратими. Ако обаче се ограничи до интервал на монотонност на съответната изходна функция, например интервала [π/2,π/2] или [0,π], тогава ограничената функция, получена по този начин, може много добре да бъде обърната. Въпреки това, интервалите на монотонност покриват само половин период, както се вижда от графиките на функциите. Въпреки това, ако се знае както синуса, така и косинуса на ъгъл, можете да се определи ъгъла до цели периоди (2π), (вижте фигурата на вдясно за илюстрация и atan2 за изчисление).

Връзки между функциите

Вижте също: Тригонометрична функция: връзки между функциите

Aркусфункциите могат да бъдат преобразувани една в друга, както следва (sgn обозначава знаковата функция):

arcsin arccos arctan arccot arcsec arccsc
arcsin(x) arcsin(x) π2arccos(x) arctan(x1x2) π2arccot(x1x2) π2arcsec(1x) arccsc(1x)
arccos(x) π2arcsin(x) arccos(x) π2arctan(x1x2) arccot(x1x2) arcsec(1x) π2arccsc(1x)
arctan(x) arcsin(x1+x2) π2arccos(x1+x2) arctan(x) π2arccot(x) π2arcsec(1+x2x) arccsc(1+x2x)
arccot(x) π2arcsin(x1+x2) arccos(x1+x2) π2arctan(x) arccot(x) arcsec(1+x2x) π2arccsc(1+x2x)
arcsec(x) π2arcsin(1x) arccos(1x) π2arctan(sgn(x)x21) arccot(sgn(x)x21) arcsec(x) π2arccsc(x)
arccsc(x) arcsin(1x) π2arccos(1x) arctan(sgn(x)x21) π2arccot(sgn(x)x21) π2arcsec(x) arccsc(x)

Разложение в редове

  • arcsinx=x+x36+3x540+ =n=0(2n)!4n(n!)2(2n+1)x2n+1 за всички |x|1 [6]
  • arccosx=π2arcsinx=π2n=0(2n)!4n(n!)2(2n+1)x2n+1 за всички |x|1
  • arctg x=xx33+x55 =n=1(1)n12n1x2n1 за всички |x|1

Източници и бележки

  1. Microsoft VB
  2. Cplusplus sintaxis
  3. Free Pascal
  4. Шаблон:Cite book
  5. Тук знакът Шаблон:Sup определя функцията Шаблон:Math обратна на функцията Шаблон:Math.
  6. При стойност на x, близка до 1, тази формула за изчисление дава голяма грешка. Следователно може да се използва формулата arcsinx=arccos1x2, където arccosx=π2arcsinx.

Вижте още