Как построить график арктангенса и арккотангенса
Арктангенс: график, свойства и формулы функции y = arctg(x)
Арктангенс — обратная тригонометрическая функция к тангенсу. Она возвращает угол, тангенс которого равен заданному числу. Общая формула:
$$y = \arctan(x), \quad \text{где} \quad \tan(y) = x$$
График арктангенса — гладкая S-образная кривая, монотонно возрастающая на всей числовой прямой. Функция нечётная: \(\arctan(-x) = -\arctan(x)\). Значения ограничены двумя горизонтальными асимптотами \(y = -\frac{\pi}{2}\) и \(y = \frac{\pi}{2}\), которые никогда не достигаются. Арктангенс широко применяется в навигации, обработке сигналов, компьютерной графике и при вычислении углов по координатам.
Значение переменных в формуле y = arctg(x)
| Переменная | Описание |
|---|---|
| x | Аргумент функции — любое действительное число от −∞ до +∞. Это значение тангенса искомого угла. |
| y | Значение арктангенса — угол в радианах, лежащий строго в интервале (−π/2; π/2). |
Область определения арктангенса
Арктангенс определён для всех действительных чисел без каких-либо исключений:
$$D(y) = (-\infty;\;+\infty) = \mathbb{R}$$
Область значений арктангенса
Значения арктангенса ограничены открытым интервалом между двумя горизонтальными асимптотами:
$$E(y) = \left(-\frac{\pi}{2};\;\frac{\pi}{2}\right)$$
Граничные значения \(\pm\frac{\pi}{2}\) являются асимптотами и никогда не достигаются функцией.
Максимум и минимум функции арктангенс
Арктангенс не имеет ни максимума, ни минимума, поскольку строго монотонно возрастает на всей области определения. Функция ограничена, но граничные значения не достигаются:
$$\lim_{x \to +\infty} \arctan(x) = \frac{\pi}{2}, \qquad \lim_{x \to -\infty} \arctan(x) = -\frac{\pi}{2}$$
Супремум равен π/2, инфимум равен −π/2 — оба не принадлежат области значений.
Производная арктангенса
Производная арктангенса — одна из классических формул дифференцирования, часто встречающаяся в задачах на интегрирование:
$$\left(\arctan(x)\right)’ = \frac{1}{1 + x^{2}}$$
Производная всегда положительна, что подтверждает монотонное возрастание. Максимальное значение производной равно 1 и достигается при \(x = 0\).
Первообразная (интеграл) арктангенса
Интеграл от арктангенса берётся методом интегрирования по частям:
$$\int \arctan(x)\,dx = x \cdot \arctan(x) – \frac{1}{2}\ln\!\left(1 + x^{2}\right) + C$$
Здесь C — произвольная постоянная интегрирования.
Таблица значений функции y = arctg(x)
Значения арктангенса для характерных аргументов. Все результаты даны в радианах.
| x | arctg(x) (точное) | arctg(x) (приближённое) |
|---|---|---|
| −100 | ≈ −π/2 | ≈ −1.561 |
| −10 | — | ≈ −1.471 |
| −√3 | −π/3 | ≈ −1.047 |
| −1 | −π/4 | ≈ −0.785 |
| −1/√3 | −π/6 | ≈ −0.524 |
| 0 | 0 | 0 |
| 1/√3 | π/6 | ≈ 0.524 |
| 1 | π/4 | ≈ 0.785 |
| √3 | π/3 | ≈ 1.047 |
| 10 | — | ≈ 1.471 |
| 100 | ≈ π/2 | ≈ 1.561 |
Арккотангенс: график, свойства и формулы функции y = arcctg(x)
Арккотангенс — обратная тригонометрическая функция к котангенсу. Она возвращает угол, котангенс которого равен заданному числу. Общая формула:
$$y = \operatorname{arccot}(x), \quad \text{где} \quad \cot(y) = x$$
График арккотангенса — гладкая монотонно убывающая кривая, расположенная целиком в горизонтальной полосе между двумя асимптотами \(y = 0\) и \(y = \pi\). В отличие от арктангенса, арккотангенс не является нечётной функцией. Он применяется в теории комплексных чисел, электротехнике и задачах, где требуется определить угол по отношению катетов.
Значение переменных в формуле y = arcctg(x)
| Переменная | Описание |
|---|---|
| x | Аргумент функции — любое действительное число от −∞ до +∞. Это значение котангенса искомого угла. |
| y | Значение арккотангенса — угол в радианах, лежащий строго в интервале (0; π). |
Область определения арккотангенса
Арккотангенс, как и арктангенс, определён для всех действительных чисел:
$$D(y) = (-\infty;\;+\infty) = \mathbb{R}$$
Область значений арккотангенса
Значения арккотангенса ограничены открытым интервалом от 0 до π:
$$E(y) = (0;\;\pi)$$
Граничные значения 0 и π являются горизонтальными асимптотами и не достигаются функцией.
Максимум и минимум функции арккотангенс
Арккотангенс не имеет ни максимума, ни минимума, поскольку строго монотонно убывает на всей области определения. Функция ограничена, но граничные значения не достигаются:
$$\lim_{x \to +\infty} \operatorname{arccot}(x) = 0, \qquad \lim_{x \to -\infty} \operatorname{arccot}(x) = \pi$$
Инфимум равен 0, супремум равен π — оба не принадлежат области значений.
Производная арккотангенса
Производная арккотангенса отличается от производной арктангенса только знаком:
$$\left(\operatorname{arccot}(x)\right)’ = -\frac{1}{1 + x^{2}}$$
Производная всегда отрицательна, что подтверждает монотонное убывание. По модулю она максимальна при \(x = 0\) и стремится к нулю при \(x \to \pm\infty\).
Первообразная (интеграл) арккотангенса
Интеграл от арккотангенса берётся методом интегрирования по частям:
$$\int \operatorname{arccot}(x)\,dx = x \cdot \operatorname{arccot}(x) + \frac{1}{2}\ln\!\left(1 + x^{2}\right) + C$$
Здесь C — произвольная постоянная интегрирования.
Таблица значений функции y = arcctg(x)
Значения арккотангенса для характерных аргументов. Все результаты даны в радианах.
| x | arcctg(x) (точное) | arcctg(x) (приближённое) |
|---|---|---|
| −100 | ≈ π | ≈ 3.132 |
| −10 | — | ≈ 3.042 |
| −√3 | 5π/6 | ≈ 2.618 |
| −1 | 3π/4 | ≈ 2.356 |
| −1/√3 | 2π/3 | ≈ 2.094 |
| 0 | π/2 | ≈ 1.571 |
| 1/√3 | π/3 | ≈ 1.047 |
| 1 | π/4 | ≈ 0.785 |
| √3 | π/6 | ≈ 0.524 |
| 10 | — | ≈ 0.100 |
| 100 | ≈ 0 | ≈ 0.010 |
Связь между арктангенсом и арккотангенсом
Главное тождество, связывающее обе функции:
$$\arctan(x) + \operatorname{arccot}(x) = \frac{\pi}{2}, \quad x \in \mathbb{R}$$
Из него следует выражение арккотангенса через арктангенс:
$$\operatorname{arccot}(x) = \frac{\pi}{2} – \arctan(x)$$
Дополнительные полезные тождества:
$$\operatorname{arccot}(x) = \arctan\!\left(\frac{1}{x}\right), \quad x > 0$$
$$\operatorname{arccot}(x) = \pi + \arctan\!\left(\frac{1}{x}\right), \quad x < 0$$
Связь с обратными прямыми функциями:
$$\tan\!\left(\operatorname{arccot}(x)\right) = \frac{1}{x}, \quad x \neq 0$$
$$\cot\!\left(\arctan(x)\right) = \frac{1}{x}, \quad x \neq 0$$
Сравнение свойств арктангенса и арккотангенса
Краткая сводка ключевых характеристик обеих функций:
| Свойство | Арктангенс arctg(x) | Арккотангенс arcctg(x) |
|---|---|---|
| Обратна к | tg(x) | ctg(x) |
| Область определения | (−∞; +∞) | (−∞; +∞) |
| Область значений | (−π/2; π/2) | (0; π) |
| Монотонность | Возрастает | Убывает |
| Чётность | Нечётная | Не является ни чётной, ни нечётной |
| Значение при x = 0 | 0 | π/2 |
| Горизонтальные асимптоты | y = −π/2 и y = π/2 | y = 0 и y = π |
| Производная | 1 / (1 + x²) | −1 / (1 + x²) |
| Первообразная | x·arctg(x) − ½ln(1+x²) + C | x·arcctg(x) + ½ln(1+x²) + C |
| Ключевое тождество | arctg(x) + arcctg(x) = π/2 | |