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反三角函数基本公式大全:arcsin与sin互换公式 (高中知识)

李帅老师

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1 回顾:反三角函数的定义域与值域

上次说过,定义域是函数的灵魂。因此我们有必要回顾一下反三角函数的定义域,以及值域:

并且再次贴上上次归纳的特点:

(1)所有限定的范围都包含[0,π/2]这个区间;
(2)“正角”三角函数的范围还要加上另一半负角,“余角”三角函数的范围还要加上[0,π/2]后面的一个等长区间;

(3)“弦”的三角函数都为闭区间,“切”的三角函数都为开区间。


2 从y=sin(arcsin x)与y=arcsin(sin x)

说起上一节第3部分【反三角函数的基本运算】中我们掌握了计算反三角函数的一般方法——换元。没有看过或者已经忘记的小伙伴可以戳下面补补课↓

高中和大学都不讲的三角函数知识(二)——反三角函数的定义与基本运算

2.1 y=sin(arcsin(x))与y=arcsin(sin(x))

这里我们先来看一个简单的问题,作出下面两个函数的图象:

这两个问题放在一起的时候看起来非常迷惑,但是严谨的换元法会帮助我们解决这个问题。基本的思想就是把“arcsin XX”设为α。第(1)个问题比较简单,过程如下:

注意:任何换元伴随着新元的取值范围。

最终的图象是直线y=x在(-1,-1)到(1,1)的一段。

但是第二个问题没有表面上看起来那么简单,按照一般的换元思路,我们首先得到:

而g(x)=α,也就是说,图象是α与x的关系,而且α必须在一定范围内。首先根据sin α=sin x可以得到

根据α的范围又有


综上,得到g(x)的表达式为

至于图象,大致如下:

2.2 三角函数与反三角函数的混合运算

利用换元法,我们可以得到以下混合运算的结果:

过程就不再赘述。这里只列举了“三角函数(反三角函数(x))”的结果,是因为它们的定义域是有限的,较为简单;而“反三角函数(三角函数(x))”则较为复杂,有兴趣的读者可以自行研究。




3 反三角函数的图象

有了前面定义域和值域的铺垫,再加上反函数的两条性质:

(1)反函数与原函数的图象关于直线y=x对称;

(2)相同区间内反函数与原函数的单调性一致.

性质(1)已经在高中数学课程中学过,性质(2)是显然的。从感性的角度理解,“x越大y越大”和“y越大x越大”都是单调递增,单调递减同理。

于是,我们根据对称性得到下列反三角函数的图象:

3.1 函数y=arcsin(x)的图象

3.2 函数y=arccos(x)的图象


3.3 函数y=arctan(x)的图象


3.4 函数y=arccot(x)的图象


4 反三角函数的公式

最后,我们来学习反三角函数的一些基本公式。

4.1 负数关系

显然反正弦函数和反正切函数是奇函数,所以有

从图上可以看出反余弦函数与反余切函数有对称中心(0,π/2),故有

但这一点最好还是加以严格的证明:

上面四个公式称为反三角函数的负数关系。

4.2 余角关系

同样地,运用换元法,可以得到下列反三角函数的余角关系:

4.3 导数

由于反三角函数是三角函数的反函数,因此可以用反函数的导数关系得到反三角函数的导数。这里先给出这一关系的直观理解:我们知道,原函数与反函数的图象关于直线y=x对称,因此对应点处的斜线斜率互为倒数(这是容易证明的)。根据导数的几何意义,反函数在某一点处的导数等于原函数在同一点处的导数的倒数,即


其中f(x)与g(x)互为反函数。由此可以得到反三角函数的导数表:


5 总结

本节在回顾反三角函数的定义域和值域的基础上,通过三角函数与反三角函数的混合运算加深了对换元法应用的认识,并借此研究三角函数的图象与相关公式。

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