القصور
sin:[−2π,2π]→[−1,1],cos:[0,π]→[−1,1],tan:(−2π,2π)→R
تقابلات رتيبة تمامًا. وتُكتب تطبيقاتها العكسية arcsin و arccos و arctan. وهكذا فإن y=arcsinx (حيث x∈[−1,1]) هو مثلًا الزاوية الوحيدة في [−2π,2π] التي جيبها x.
أمثلة
مثال 4.11 (التعرف على ثابت مستتر)
ادرس g(x)=arctan1+x1−x على (−1,+∞). قاعدة السلسلة وحساب قصير يعطيان:
g′(x)=1+(1+x1−x)21⋅(1+x)2−(1+x)−(1−x)=(1+x)2+(1−x)2−2=1+x2−1,
لأن (1+x)2+(1−x)2=2+2x2. إذن g′=−arctan′: أي أن الدالة g+arctan لها مشتقة معدومة على المجال (−1,+∞)، فهي ثابتة هناك؛ وقيمتها عند x=0 هي arctan1+arctan0=4π. والخلاصة:
arctan1+x1−x=4π−arctanx(x>−1).
وعلى (−∞,−1) يبقى حساب المشتقة نفسه صالحًا لكن الثابت مختلف (−43π: احسب النهاية عندما x→−∞). والفكرة النافذة: عبارة «المشتقة المعدومة تستلزم الثبات» عبارةٌ تصحّ مجالًا مجالًا — وهي بالضبط الدقة المستثمَرة في التمرين 4.6 و التمرين 4.10.
مثال 4.14 (العودة إلى المجال الرئيس)
احسب
arctan(tan43π)وarctan(tan517π).
والوصفة: استبدل بالزاوية الزاويةَ الوحيدة من (−2π,2π) التي لها الظل نفسه، أي اطرح المضاعف المناسب للعدد π (وهو دور tan). أولًا: 43π−π=−4π، فيكون الجواب −4π. وثانيًا: 517π−3π=52π∈(−2π,2π)، فيكون الجواب 52π. والحساب قسمةٌ إقليدية للزاوية على π متنكرةً — والوصفتان المماثلتان للدالة arcsin (بالانعكاس إلى [−2π,2π]، والدور 2π) وللدالة arccos (بالانعكاس إلى [0,π]) تحرّكان التمرين 4.1 و الجوابَ المتشعّب في التمرين 4.10.
مثال 4.15 (جمع أقواس الظل بأمان)
لنبرهن على أن
arctan21+arctan51+arctan81=4π.
والمكوّنان اثنان: صيغة جمع الظل، و — وهي الخطوة التي ينساها المبتدئون — تحديد موضع المجموع. أولًا، تعطي tan(u+v)=1−tanutanvtanu+tanv مع u=arctan21 و v=arctan51
tan(u+v)=1−10121+51=9/107/10=97,ثمtan(u+v+arctan81)=1−72797+81=65/7265/72=1.
وثانيًا، تقع كل زاوية من الزوايا الثلاث في (0,4π) (فوسائطها أصغر من 1)، فيقع المجموع في (0,43π)؛ والزاوية الوحيدة هناك التي ظلها 1 هي 4π. ودون تحديد الموضع لكان الاستنتاج «4π بمضاعف للعدد π» — أي نصف برهان. وهذا الانضباط ذو الخطوتين نفسه يشغّل التمرين 4.8 و التمرين 4.12.