الرياضيات · المسرد

ما معنى arcsin⁡ و arccos⁡ و arctan⁡؟

تعريف 4.9 الرياضيات الجامعية — السنة 1 · الفصل 4 — الدوال المعيارية

القصور

sin ⁣:[π2,π2][1,1],cos ⁣:[0,π][1,1],tan ⁣:(π2,π2)R\sin \colon \intcc{-\tfrac\pi2}{\tfrac\pi2} \to \intcc{-1}{1}, \qquad \cos \colon \intcc{0}{\pi} \to \intcc{-1}{1}, \qquad \tan \colon \intoo{-\tfrac\pi2}{\tfrac\pi2} \to \R

تقابلات رتيبة تمامًا. وتُكتب تطبيقاتها العكسية arcsin\arcsin و arccos\arccos و arctan\arctan. وهكذا فإن y=arcsinxy = \arcsin x (حيث x[1,1]x \in \intcc{-1}{1}) هو مثلًا الزاوية الوحيدة في [π2,π2]\intcc{-\frac\pi2}{\frac\pi2} التي جيبها xx.

من اليسار إلى اليمين:  و  و . ويرث كلٌّ منها منحنيه من الدالة المباشرة المقصورة بالتناظر بالنسبة إلى المستقيم y = x.
من اليسار إلى اليمين: arcsin\arcsin و arccos\arccos و arctan\arctan. ويرث كلٌّ منها منحنيه من الدالة المباشرة المقصورة بالتناظر بالنسبة إلى المستقيم y=xy = x.

أمثلة

مثال 4.11 (التعرف على ثابت مستتر)

ادرس g(x)=arctan1x1+xg(x) = \arctan\dfrac{1 - x}{1 + x} على (1,+)\intoo{-1} {+\infty}. قاعدة السلسلة وحساب قصير يعطيان:

g(x)=11+(1x1+x)2(1+x)(1x)(1+x)2=2(1+x)2+(1x)2=11+x2,g'(x) = \frac{1}{1 + \bigl(\frac{1-x}{1+x}\bigr)^2}\cdot \frac{-(1+x) - (1-x)}{(1+x)^2} = \frac{-2}{(1+x)^2 + (1-x)^2} = \frac{-1}{1 + x^2} ,

لأن (1+x)2+(1x)2=2+2x2(1+x)^2 + (1-x)^2 = 2 + 2x^2. إذن g=arctang' = -\arctan': أي أن الدالة g+arctang + \arctan لها مشتقة معدومة على المجال (1,+)\intoo{-1}{+\infty}، فهي ثابتة هناك؛ وقيمتها عند x=0x = 0 هي arctan1+arctan0=π4\arctan 1 + \arctan 0 = \frac\pi4. والخلاصة:

arctan1x1+x=π4arctanx(x>1).\arctan\frac{1 - x}{1 + x} = \frac\pi4 - \arctan x \qquad (x > -1) .

وعلى (,1)\intoo{-\infty}{-1} يبقى حساب المشتقة نفسه صالحًا لكن الثابت مختلف (3π4-\frac{3\pi}4: احسب النهاية عندما xx \to -\infty). 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(tan3π4)وarctan(tan17π5).\arctan\Bigl(\tan\frac{3\pi}4\Bigr) \qquad\text{و}\qquad \arctan\Bigl(\tan\frac{17\pi}5\Bigr).

والوصفة: استبدل بالزاوية الزاويةَ الوحيدة من (π2,π2)\intoo{-\frac\pi2}{\frac\pi2} التي لها الظل نفسه، أي اطرح المضاعف المناسب للعدد π\pi (وهو دور tan\tan). أولًا: 3π4π=π4\frac{3\pi}4 - \pi = -\frac\pi4، فيكون الجواب π4-\frac\pi4. وثانيًا: 17π53π=2π5(π2,π2)\frac{17\pi} 5 - 3\pi = \frac{2\pi}5 \in \intoo{-\frac\pi2}{\frac\pi2}، فيكون الجواب 2π5\frac{2\pi}5. والحساب قسمةٌ إقليدية للزاوية على π\pi متنكرةً — والوصفتان المماثلتان للدالة arcsin\arcsin (بالانعكاس إلى [π2,π2]\intcc{-\frac\pi2}{\frac\pi2}، والدور 2π2\pi) وللدالة arccos\arccos (بالانعكاس إلى [0,π]\intcc0\pi) تحرّكان التمرين 4.1 و الجوابَ المتشعّب في التمرين 4.10.

مثال 4.15 (جمع أقواس الظل بأمان)

لنبرهن على أن

arctan12+arctan15+arctan18=π4.\arctan\frac12 + \arctan\frac15 + \arctan\frac18 = \frac\pi4 .

والمكوّنان اثنان: صيغة جمع الظل، و — وهي الخطوة التي ينساها المبتدئون — تحديد موضع المجموع. أولًا، تعطي tan(u+v)=tanu+tanv1tanutanv\tan(u + v) = \frac{\tan u + \tan v}{1 - \tan u\tan v} مع u=arctan12u = \arctan\frac12 و v=arctan15v = \arctan\frac15

tan(u+v)=12+151110=7/109/10=79,ثمtan(u+v+arctan18)=79+181772=65/7265/72=1.\tan(u + v) = \frac{\frac12 + \frac15}{1 - \frac1{10}} = \frac{7/10}{9/10} = \frac79, \qquad\text{ثم}\qquad \tan\Bigl(u + v + \arctan\frac18\Bigr) = \frac{\frac79 + \frac18}{1 - \frac7{72}} = \frac{65/72}{65/72} = 1 .

وثانيًا، تقع كل زاوية من الزوايا الثلاث في (0,π4)\intoo0{\frac\pi4} (فوسائطها أصغر من 11)، فيقع المجموع في (0,3π4)\intoo0{\frac{3\pi}4}؛ والزاوية الوحيدة هناك التي ظلها 11 هي π4\frac\pi4. ودون تحديد الموضع لكان الاستنتاج «π4\frac\pi4 بمضاعف للعدد π\pi» — أي نصف برهان. وهذا الانضباط ذو الخطوتين نفسه يشغّل التمرين 4.8 و التمرين 4.12.

اقرأ في الفصل ←