Обернені тригонометричні функції

Тригонометрія
Обрис Історія Застосування Функції (обернені) Полігонометрія
Посилання
Тотожності Точні сталі Таблиці Одиничне коло
Закони і теореми
Синуси Косинуси Тангенси Котангенси Теорема Піфагора
Обчислення
Тригонометричні підстановки Інтеграли (обернені функції) Похідні

Обернені тригонометричні функції (аркфункції) — математичні функції, що є оберненими до тригонометричних функцій.

До обернених тригонометричних функцій відносять 6 функцій:

• аркси́нус (arcsin)
• аркко́синус (arccos)
• аркта́нгенс (arctg; в іноземній літературі arctan)
• арккота́нгенс (arcctg; в іноземній літературі arccot чи arccotan)
• арксе́канс (arcsec)
• арккосе́канс (arccosec; в іноземній літературі arccsc)

Назва оберненої тригонометричної функції утворюється від назви тригонометриної функції за допомогою префікса «арк-» (від лат. arc — дуга). Це тому, що геометрично значення оберненої тригонометричної функції рівне дузі одиничного кола (чи кутові, що стягує цю дугу), яка опирається на заданий відрізок.

Основні властивості

Головні значення

Оскільки жодна із тригонометричних функції не є однозначною, вони мають обмеження для того, щоб мати обернені функції. Тому області значень обернених функцій є відповідними підмножинами області визначення початкових функцій.

Функцію y = arcsin(x) можна визначити як таку, що sin(y) = x. Для даного дійсного числа x, в діапазоні −1 ≤ x ≤ 1, існує декілька (на справді, нескінченно багато) чисел y, таких що sin(y) = x; наприклад, sin(0) = 0, але і sin(π) = 0, sin(2π) = 0, і так далі. Якщо необхідно отримати лише одне значення, функцію можна обмежити до її головної області. Із таким обмеженням, для кожного x вираз arcsin(x) буде обчислювати лише одне значення, яке називається головним значенням. Ці властивості застосовується до всіх обернених тригонометричних функцій.

Головні області значень зворотніх функцій наведені у таблиці.

Назва	Позначення	Визначення	Можливі дійсні значення аргументу функції	Область значень (радіани)	Область значень (градуси)
арксинус	y = arcsin x	x = sin y	−1 ≤ x ≤ 1	−π/2 ≤ y ≤ π/2	−90° ≤ y ≤ 90°
арккосинус	y = arccos x	x = cos y	−1 ≤ x ≤ 1	0 ≤ y ≤ π	0° ≤ y ≤ 180°
арктангенс	y = arctg x	x = tg y	всі дійсні числа	−π/2 < y < π/2	−90° < y < 90°
арккотангенс	y = arcctg x	x = ctg y	всі дійсні числа	0 < y < π	0° < y < 180°
арксеканс	y = arcsec x	x = sec y	x ≤ −1 or 1 ≤ x	0 ≤ y < π/2 or π/2 < y ≤ π	0° ≤ y < 90° or 90° < y ≤ 180°
арккосеканс	y = arccosec x	x = cosec y	x ≤ −1 or 1 ≤ x	−π/2 ≤ y < 0 or 0 < y ≤ π/2	-90° ≤ y < 0° or 0° < y ≤ 90°

Основні відношення

Головні значення функцій arcsin(x) та arccos(x).

Головні значення функцій arcsec(x) та arccsc(x).

Доповнювальний кут:

$\arccos {x}={\frac {\pi }{2}}-\arcsin {x}$

$\operatorname {arccot} {x}={\frac {\pi }{2}}-\arctan {x}$

$\operatorname {arccsc} {x}={\frac {\pi }{2}}-\operatorname {arcsec} {x}$

Від'ємний аргумент:

$\arcsin {(-x)}=-\arcsin {x}\!$

$\arccos {(-x)}=\pi -\arccos {x}\!$

$\arctan {(-x)}=-\arctan {x}\!$

$\operatorname {arccot} {(-x)}=\pi -\operatorname {arccot} {x}\!$

$\operatorname {arcsec} {(-x)}=\pi -\operatorname {arcsec} {x}\!$

$\operatorname {arccsc} {(-x)}=-\operatorname {arccsc} {x}\!$

Обернений аргумент:

$\arccos(1/x)\,=\operatorname {arcsec} x\,$

$\arcsin(1/x)\,=\operatorname {arccsc} x\,$

$\arctan(1/x)={\tfrac {1}{2}}\pi -\arctan x=\operatorname {arccot} x,{\text{ if }}x>0\,$

$\arctan(1/x)=-{\tfrac {1}{2}}\pi -\arctan x=-\pi +\operatorname {arccot} x,{\text{ if }}x<0\,$

$\operatorname {arccot}(1/x)={\tfrac {1}{2}}\pi -\operatorname {arccot} x=\arctan x,{\text{ if }}x>0\,$

$\operatorname {arccot}(1/x)={\tfrac {3}{2}}\pi -\operatorname {arccot} x=\pi +\arctan x,{\text{ if }}x<0\,$

$\operatorname {arcsec}(1/x)=\arccos x\,$

$\operatorname {arccsc}(1/x)=\arcsin x\,$

Якщо наявна тільки частина таблиці для sine:

$\arccos x=\arcsin {\sqrt {1-x^{2}}},{\text{ if }}0\leq x\leq 1$

$\arctan x=\arcsin {\frac {x}{\sqrt {x^{2}+1}}}$

Із формули половинного кута $\tan {\frac {\theta }{2}}={\frac {\sin \theta }{1+\cos \theta }}$, отримаємо:

$\arcsin x=2\arctan {\frac {x}{1+{\sqrt {1-x^{2}}}}}$

$\arccos x=2\arctan {\frac {\sqrt {1-x^{2}}}{1+x}},{\text{ if }}-1<x\leq +1$

$\arctan x=2\arctan {\frac {x}{1+{\sqrt {1+x^{2}}}}}$

Відношення між оберненими тригонометричними та тригонометричними функціями

Тригонометричні функції, аргументом яких є зворотні тригонометричні функції, приведені в таблиці нижче. Їх можна швидко вивести із геометрії правильного трикутника, одна із сторін якого має довжину 1, а інша сторона має довжину x (будь-яке дійсне число що приймає значення від 0 до 1), і застосувавши Теорему Піфагора і визначення тригонометричних співвідношень.

$\theta$	$\sin(\theta )$	$\cos(\theta )$	$\tan(\theta )$	Діаграми
$\arcsin(x)$	$\sin(\arcsin(x))=x$	$\cos(\arcsin(x))={\sqrt {1-x^{2}}}$	$\tan(\arcsin(x))={\frac {x}{\sqrt {1-x^{2}}}}$
$\arccos(x)$	$\sin(\arccos(x))={\sqrt {1-x^{2}}}$	$\cos(\arccos(x))=x$	$\tan(\arccos(x))={\frac {\sqrt {1-x^{2}}}{x}}$
$\arctan(x)$	$\sin(\arctan(x))={\frac {x}{\sqrt {1+x^{2}}}}$	$\cos(\arctan(x))={\frac {1}{\sqrt {1+x^{2}}}}$	$\tan(\arctan(x))=x$
$\operatorname {arccsc}(x)$	$\sin(\operatorname {arccsc}(x))={\frac {1}{x}}$	$\cos(\operatorname {arccsc}(x))={\frac {\sqrt {x^{2}-1}}{x}}$	$\tan(\operatorname {arccsc}(x))={\frac {1}{\sqrt {x^{2}-1}}}$
$\operatorname {arcsec}(x)$	$\sin(\operatorname {arcsec}(x))={\frac {\sqrt {x^{2}-1}}{x}}$	$\cos(\operatorname {arcsec}(x))={\frac {1}{x}}$	$\tan(\operatorname {arcsec}(x))={\sqrt {x^{2}-1}}$
$\operatorname {arccot}(x)$	$\sin(\operatorname {arccot}(x))={\frac {1}{\sqrt {1+x^{2}}}}$	$\cos(\operatorname {arccot}(x))={\frac {x}{\sqrt {1+x^{2}}}}$	$\tan(\operatorname {arccot}(x))={\frac {1}{x}}$

Диференціювання тригонометричних функцій

Похідна для дійсних та комплексних значень x:

${\begin{aligned}{\frac {d}{dx}}\arcsin x&{}={\frac {1}{\sqrt {1-x^{2}}}}\\{\frac {d}{dx}}\arccos x&{}={\frac {-1}{\sqrt {1-x^{2}}}}\\{\frac {d}{dx}}\arctan x&{}={\frac {1}{1+x^{2}}}\\{\frac {d}{dx}}\operatorname {arccot} x&{}={\frac {-1}{1+x^{2}}}\\{\frac {d}{dx}}\operatorname {arcsec} x&{}={\frac {1}{x\,{\sqrt {x^{2}-1}}}}\\{\frac {d}{dx}}\operatorname {arccsc} x&{}={\frac {-1}{x\,{\sqrt {x^{2}-1}}}}\end{aligned}}$

Тільки для дійсних значень x:

${\begin{aligned}{\frac {d}{dx}}\operatorname {arcsec} x&{}={\frac {1}{|x|\,{\sqrt {x^{2}-1}}}};\qquad |x|>1\\{\frac {d}{dx}}\operatorname {arccsc} x&{}={\frac {-1}{|x|\,{\sqrt {x^{2}-1}}}};\qquad |x|>1\end{aligned}}$

Приклад знаходження похідної: нехай $\theta =\arcsin x\!$, отримаємо:

${\frac {d\arcsin x}{dx}}={\frac {d\theta }{d\sin \theta }}={\frac {1}{\cos \theta }}={\frac {1}{\sqrt {1-\sin ^{2}\theta }}}={\frac {1}{\sqrt {1-x^{2}}}}$

Застосування

Знаходження кутів прямокутного трикутника

Прямокутний трикутник: a - протилежний катет, b - прилеглий катет і h- гіпотенуза.

Обернені тригонометричні функції є корисними, коли необхідно визначити два не прямі кути прямокутного трикутника при відомих довжинах сторін трикутника. Якщо для прямокутного трикутника згадати визначення синуса, наприклад, буде отримане наступне

$\theta =\arcsin \left({\frac {\text{a}}{\text{h}}}\right)\,.$

Часто, гіпотенуза є не відомою і перед застосуванням функцій арксинуса або арккосинуса її необхідно розрахувати використовуючи теорему Піфагора: $a^{2}+b^{2}=h^{2}$ де $h$ це довжина гіпотенузи. Арктангенс стає корисним в такій ситуації, оскільки довжина гіпотенузи не є необхідною.

$\theta =\arctan \left({\frac {\text{a}}{\text{b}}}\right)\,.$

Наприклад, допустимо дах має висоту в 8 метрів і просувається в довжину на 20 метрів. Дах утворює кут θ із горизонталлю, де θ можна розрахувати наступним чином:

$\theta =\arctan \left({\frac {\text{a}}{\text{b}}}\right)=\arctan \left({\frac {\text{висота}}{\text{довжина}}}\right)=\arctan \left({\frac {8}{20}}\right)\approx 21.8^{\circ }\,.$

У комп'ютерній науці і інженерії

Варіант арктангенсу з двома аргументами

Функція з двома аргументами atan2 розраховує арктангенс y / x для заданих y і x, але в діапазоні (−π, π]. Іншими словами, atan2(y, x) повертає кут між додатною частиною осі x на площині і точкою (x, y) на ній, і повертає додані значення для кутів проти годинникової стрілки (верхній півплощині, y > 0), і від'ємні значення для кутів за годинниковою стрілкою (нижньої півплощини, y < 0). Вперше така функція з'явилася в комп'ютерних мовах програмування, але зараз вона є відомою і в інших областях науки і інженерії.

Через стандартну функцію arctan, у діапазоні (−π2, π2), її можна задати наступним чином:

$\operatorname {atan2} (y,x)={\begin{cases}\arctan({\frac {y}{x}})&\quad x>0\\\arctan({\frac {y}{x}})+\pi &\quad y\geq 0\;,\;x<0\\\arctan({\frac {y}{x}})-\pi &\quad y<0\;,\;x<0\\{\frac {\pi }{2}}&\quad y>0\;,\;x=0\\-{\frac {\pi }{2}}&\quad y<0\;,\;x=0\\{\text{undefined}}&\quad y=0\;,\;x=0\end{cases}}$

Це також дорівнює головному значенню аргумента комплексного числа x + iy.

Цю функцію також можна визначити із використанням формули тангенса половинного кута наступним чином:

$\operatorname {atan2} (y,x)=2\arctan \left({\frac {y}{{\sqrt {x^{2}+y^{2}}}+x}}\right)$

за умови, що x > 0 або y ≠ 0. Однак, значення буде не коректним якщо x ≤ 0 і y = 0 тому такий вираз не є корисним для розрахунків.

Вищезгаданий порядок аргументів (y, x) є найбільш загальним, і зокрема використовується в ISO стандартах що застосовуються, наприклад в мові програмування C, але деякі автори можуть використовувати порядок навпаки (x, y), тому потрібно приділяти увагу.

Числова точність

Для кутів близькими за значенням до 0 і π, arccosine є погано обумовленим і тому обчислення кута буде відбуватися із зменшеною точністю при реалізації на комп'ютері (через обмежену кількість розрядів). Аналогічно, arcsine є неточним для кутів близьких до −π/2 and π/2.

Див. також

• Тригонометрія
• Тригонометричні функції
• Список тригонометричних тотожностей
• Таблиця інтегралів тригонометричних функцій
• Таблиця інтегралів обернених тригонометричних функцій
• Інтегральні тригонометричні функції
• Обернені гіперболічні функції

Джерела

• Weisstein, Eric W. Inverse Trigonometric Functions(англ.) на сайті Wolfram MathWorld.
• Аркфункція: від А до Я / О. С. Істер. — Вид. 2-ге. — Тернопіль : Навч. кн.—Богдан, 2012. — 175 с. : іл., табл. ; 20 см. — (Бібліотечка фізико-математичної школи, ISBN 978-966-10-0742-9). — ISBN 978-966-10-2985-8
• Обернені тригонометричні функції // Вища математика в прикладах і задачах / Клепко В.Ю., Голець В.Л.. — 2-ге видання. — К. : Центр учбової літератури, 2009. — С. 182. — 594 с.