Как построить график арксинуса и арккосинуса
Функция арксинуса и арккосинуса — arcsin(x) и arccos(x)
Арксинус и арккосинус — это обратные тригонометрические функции, которые позволяют найти угол по известному значению синуса или косинуса соответственно. Они являются основными инструментами при решении тригонометрических уравнений, задач навигации, обработки сигналов и компьютерной графики.
Общая формула арксинуса: $$y = \arcsin(x)$$
что означает: если \(\sin(y) = x\), то \(y = \arcsin(x)\).
Общая формула арккосинуса: $$y = \arccos(x)$$
что означает: если \(\cos(y) = x\), то \(y = \arccos(x)\).
Графики этих функций представляют собой кривые, определённые на отрезке \([-1;\;1]\). График арксинуса — возрастающая кривая, проходящая через начало координат, а график арккосинуса — убывающая кривая, проходящая через точку \((0;\;\pi/2)\). Обе функции связаны замечательным тождеством: $$\arcsin(x) + \arccos(x) = \frac{\pi}{2}$$
Значение переменных в формулах arcsin(x) и arccos(x)
Для функции арксинуса
| Переменная | Описание | Допустимые значения |
|---|---|---|
| \(x\) | Аргумент функции — значение синуса угла | \(-1 \leqslant x \leqslant 1\) |
| \(y\) | Значение функции — угол в радианах, синус которого равен \(x\) | \(-\pi/2 \leqslant y \leqslant \pi/2\) |
Для функции арккосинуса
| Переменная | Описание | Допустимые значения |
|---|---|---|
| \(x\) | Аргумент функции — значение косинуса угла | \(-1 \leqslant x \leqslant 1\) |
| \(y\) | Значение функции — угол в радианах, косинус которого равен \(x\) | \(0 \leqslant y \leqslant \pi\) |
Область определения arcsin(x) и arccos(x)
Обе функции определены только для тех значений аргумента, которые может принимать синус или косинус, то есть на отрезке от −1 до 1 включительно.
Область определения арксинуса
$$D\bigl(\arcsin(x)\bigr) = [-1;\;1]$$
Область определения арккосинуса
$$D\bigl(\arccos(x)\bigr) = [-1;\;1]$$
При подстановке значений \(|x| > 1\) функции не определены в области действительных чисел.
Область значений arcsin(x) и arccos(x)
Области значений этих функций различаются, поскольку каждая из них возвращает угол из своего главного диапазона.
Область значений арксинуса
$$E\bigl(\arcsin(x)\bigr) = \left[-\frac{\pi}{2};\;\frac{\pi}{2}\right]$$
Область значений арккосинуса
$$E\bigl(\arccos(x)\bigr) = [0;\;\pi]$$
| Функция | Область определения | Область значений |
|---|---|---|
| arcsin(x) | \([-1;\;1]\) | \([-\pi/2;\;\pi/2]\) |
| arccos(x) | \([-1;\;1]\) | \([0;\;\pi]\) |
Максимум и минимум функций arcsin(x) и arccos(x)
Поскольку арксинус — строго возрастающая функция, а арккосинус — строго убывающая, их экстремумы достигаются на концах области определения.
Экстремумы арксинуса
| Тип | Точка | Значение |
|---|---|---|
| Минимум | \(x = -1\) | \(\arcsin(-1) = -\pi/2\) |
| Максимум | \(x = 1\) | \(\arcsin(1) = \pi/2\) |
Экстремумы арккосинуса
| Тип | Точка | Значение |
|---|---|---|
| Минимум | \(x = 1\) | \(\arccos(1) = 0\) |
| Максимум | \(x = -1\) | \(\arccos(-1) = \pi\) |
Производная функций arcsin(x) и arccos(x)
Производные обратных тригонометрических функций содержат выражение с квадратным корнем и определены на открытом интервале \((-1;\;1)\), поскольку на концах отрезка знаменатель обращается в ноль.
Производная арксинуса
$$\frac{d}{dx}\,\arcsin(x) = \frac{1}{\sqrt{1 – x^2}}, \quad x \in (-1;\;1)$$
Производная арккосинуса
$$\frac{d}{dx}\,\arccos(x) = -\frac{1}{\sqrt{1 – x^2}}, \quad x \in (-1;\;1)$$
Обратите внимание: производные отличаются только знаком. Это прямое следствие тождества \(\arcsin(x) + \arccos(x) = \pi/2\), при дифференцировании которого константа обращается в ноль.
Первообразная (интеграл) функций arcsin(x) и arccos(x)
Неопределённые интегралы от арксинуса и арккосинуса вычисляются методом интегрирования по частям.
Первообразная арксинуса
$$\int \arcsin(x)\,dx = x\,\arcsin(x) + \sqrt{1 – x^2} + C$$
Первообразная арккосинуса
$$\int \arccos(x)\,dx = x\,\arccos(x) – \sqrt{1 – x^2} + C$$
Здесь \(C\) — произвольная постоянная интегрирования.
| Функция | Производная | Первообразная |
|---|---|---|
| arcsin(x) | \(1 / \sqrt{1 – x^2}\) | \(x\,\arcsin(x) + \sqrt{1 – x^2} + C\) |
| arccos(x) | \(-1 / \sqrt{1 – x^2}\) | \(x\,\arccos(x) – \sqrt{1 – x^2} + C\) |
Типичный пример — таблица значений arcsin(x) и arccos(x)
Рассмотрим конкретные значения функций в характерных точках. Углы приведены в радианах и градусах для наглядности.
Таблица значений арксинуса
| x | arcsin(x), рад | arcsin(x), град |
|---|---|---|
| −1 | \(-\pi/2\) | −90° |
| \(-\sqrt{3}/2\) | \(-\pi/3\) | −60° |
| \(-\sqrt{2}/2\) | \(-\pi/4\) | −45° |
| −1/2 | \(-\pi/6\) | −30° |
| 0 | 0 | 0° |
| 1/2 | \(\pi/6\) | 30° |
| \(\sqrt{2}/2\) | \(\pi/4\) | 45° |
| \(\sqrt{3}/2\) | \(\pi/3\) | 60° |
| 1 | \(\pi/2\) | 90° |
Таблица значений арккосинуса
| x | arccos(x), рад | arccos(x), град |
|---|---|---|
| −1 | \(\pi\) | 180° |
| \(-\sqrt{3}/2\) | \(5\pi/6\) | 150° |
| \(-\sqrt{2}/2\) | \(3\pi/4\) | 135° |
| −1/2 | \(2\pi/3\) | 120° |
| 0 | \(\pi/2\) | 90° |
| 1/2 | \(\pi/3\) | 60° |
| \(\sqrt{2}/2\) | \(\pi/4\) | 45° |
| \(\sqrt{3}/2\) | \(\pi/6\) | 30° |
| 1 | 0 | 0° |
Пример вычисления
Задача: Найти значение выражения \(\arcsin(1/2) + \arccos(1/2)\).
Решение:
По таблице находим: $$\arcsin\!\left(\frac{1}{2}\right) = \frac{\pi}{6}$$ $$\arccos\!\left(\frac{1}{2}\right) = \frac{\pi}{3}$$
Складываем: $$\frac{\pi}{6} + \frac{\pi}{3} = \frac{\pi}{6} + \frac{2\pi}{6} = \frac{3\pi}{6} = \frac{\pi}{2}$$
Результат подтверждает основное тождество: \(\arcsin(x) + \arccos(x) = \pi/2\) для любого \(x \in [-1;\;1]\).