Arkussinus und Arkuskosinus
Definition
Graphen der Arkussinus- und Arkuscosinusfunktion.
Die
Sinusfunktion ist
2 π 2\pi 2 π -periodisch. Daher muss ihr
Definitionsbereich eingeschränkt werden, damit sie umkehrbar-eindeutig wird. Da es für diese Einschränkung mehrere Möglichkeiten gibt, spricht man von Zweigen des
Arkussinus . Meist wird der
Hauptzweig (oder
Hauptwert ), die
Umkehrfunktion der Einschränkung
sin ∣ [ − π 2 , π 2 ] \sin|_{\ntxbraceL{-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}}} sin ∣ [ − 2 π , 2 π ] betrachtet. In diesem Fall entsteht eine die bijektive
Funktion mit
arcsin : [ − 1 , 1 ] → [ − π 2 , π 2 ] \arcsin\colon[-1,1]\to \ntxbraceL{-\dfrac{\pi}{2},\dfrac{\pi}{2} } arcsin : [ − 1 , 1 ] → [ − 2 π , 2 π ] .
Analog zum
Arkussinus wird der
Hauptwert des
Arkuskosinus definiert als die
Umkehrfunktion von
cos ∣ [ 0 , π ] \cos|_{[0,\pi]} cos ∣ [ 0 , π ] . Diese Definition führt zur der bijektiven
Funktion
arccos : [ − 1 , 1 ] → [ 0 , π ] \arccos\colon[-1,1]\to[0,\pi] arccos : [ − 1 , 1 ] → [ 0 , π ] .
Umrechnung
arccos x = π 2 − arcsin x \arccos x = \dfrac{\pi}{2} - \arcsin x arccos x = 2 π − arcsin x
Eigenschaften
Eigenschaft
Arkussinus
Arkuskosinus
Definitionsbereich
− 1 ≤ x ≤ 1 -1 \le x \le 1 − 1 ≤ x ≤ 1
− 1 ≤ x ≤ 1 -1 \le x \le 1 − 1 ≤ x ≤ 1
Wertebereich
− π 2 ≤ f ( x ) ≤ + π 2 -\dfrac{\pi}{2} \le f(x) \le + \dfrac{\pi}{2} − 2 π ≤ f ( x ) ≤ + 2 π
0 ≤ f ( x ) ≤ π 0 \le f(x) \le \pi 0 ≤ f ( x ) ≤ π
Periodizität
keine
keine
Monotonie
streng monoton steigend
streng monoton fallend
Symmetrien
Ungerade Funktion : arcsin ( − x ) = − arcsin ( x ) \arcsin(-x) = -\arcsin(x) arcsin ( − x ) = − arcsin ( x )
Punktsymetrie zu ( x = 0 , y = π 2 ) \braceNT{x=0 \, , \, y =\dfrac{\pi}{2}} ( x = 0 , y = 2 π ) arccos ( x ) = π − arccos ( − x ) \arccos(x) = \pi - \arccos(-x) arccos ( x ) = π − arccos ( − x )
Asymptoten
f ( x ) → ± π 2 f(x) \to\pm \dfrac{\pi}{2} f ( x ) → ± 2 π für x → ± 1 x \to\pm 1 x → ± 1
f ( x ) → π 2 ∓ π 2 f(x) \to \dfrac{\pi}{2} \mp \dfrac{\pi}{2} f ( x ) → 2 π ∓ 2 π für x → ± 1 x \to\pm 1 x → ± 1
Nullstellen
x = 0 x = 0 x = 0
x = 1 x = 1 x = 1
Sprungstellen
keine
keine
Polstellen
keine
keine
Extrema
keine
keine
Wendepunkte
x = 0 x = 0 x = 0
x = 0 x = 0 x = 0
Reihenentwicklung
arcsin ( x ) = ∑ k = 0 ∞ ( − 1 2 k ) ( − 1 ) k x 2 k + 1 2 k + 1 \arcsin(x) = \sum\limits\limits_{k=0}^\infty\chooseNT{-\frac{1}{2}}{ k}(-1)^k\dfrac{x^{2k+1}}{2k+1} arcsin ( x ) = k = 0 ∑ ∞ ( k − 2 1 ) ( − 1 ) k 2 k + 1 x 2 k + 1 = x + 1 6 x 3 + 3 40 x 5 = x+\dfrac16 x^3 + \dfrac{3}{40} x^5 = x + 6 1 x 3 + 4 0 3 x 5 + 5 112 x 7 + 35 1152 x 9 ⋯ +\dfrac{5}{112}x^7+\dfrac{35}{1152}x^9\cdots + 1 1 2 5 x 7 + 1 1 5 2 3 5 x 9 ⋯ .
Die
Taylorreihe des
Arkuskosinus ist aufgrund der Beziehung
arccos x = π 2 − arcsin x \arccos x = \dfrac{\pi}{2} - \arcsin x arccos x = 2 π − arcsin x :
arccos ( x ) = π 2 − ∑ k = 0 ∞ ( − 1 2 k ) ( − 1 ) k x 2 k + 1 2 k + 1 \arccos(x) = \dfrac{\pi}{2}-\sum\limits\limits_{k=0}^\infty\chooseNT{-\frac{1}{2}}{ k}(-1)^k\dfrac{x^{2k+1}}{2k+1} arccos ( x ) = 2 π − k = 0 ∑ ∞ ( k − 2 1 ) ( − 1 ) k 2 k + 1 x 2 k + 1
Umkehrfunktionen
Ableitungen
Arkussinus:
d d x arcsin ( a x + b ) = a 1 − ( a x + b ) 2 \dfrac{d}{dx} \arcsin(ax+b) = \dfrac{a}{\sqrt{1-(ax+b)^2}} d x d arcsin ( a x + b ) = 1 − ( a x + b ) 2 a
Mit a = 1 und b = 0:
d d x arcsin ( x ) = 1 1 − x 2 \dfrac{d}{dx} \arcsin (x) = \dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}} d x d arcsin ( x ) = 1 − x 2 1
Arkuskosinus:
d d x arccos ( a x + b ) = − a 1 − ( a x + b ) 2 \dfrac{d}{dx} \arccos(ax+b) = - \dfrac{a}{\sqrt{1 - (ax+b)^2}} d x d arccos ( a x + b ) = − 1 − ( a x + b ) 2 a
Mit a = 1 und b = 0:
d d x arccos ( x ) = − 1 1 − x 2 \dfrac{d}{dx} \arccos(x) = - \dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}} d x d arccos ( x ) = − 1 − x 2 1
Umrechnung:
d d x arccos ( x ) = − d d x arcsin ( x ) \dfrac{d}{dx} \arccos(x) = - \dfrac{d}{dx} \arcsin (x) d x d arccos ( x ) = − d x d arcsin ( x )
Integrale
Arkussinus:
∫ arcsin ( x a ) d x = x arcsin ( x a ) + a 2 − x 2 \int\limits \arcsin\braceNT{\dfrac{x}{a}} dx = x \, \arcsin\braceNT{\dfrac{x}{a}} + \sqrt{a^2 - x^2 } ∫ arcsin ( a x ) d x = x arcsin ( a x ) + a 2 − x 2
Arkuskosinus:
∫ arccos ( x a ) d x = x arccos ( x a ) − a 2 − x 2 \int\limits \arccos \braceNT{ \dfrac{x}{a} } \, dx= x \, \arccos \braceNT{ \dfrac{x}{a} } - \sqrt{ a^2 - x^2} ∫ arccos ( a x ) d x = x arccos ( a x ) − a 2 − x 2
F ( x ) = x arccos ( x ) − 1 − x 2 F(x) = x \, \arccos(x) - \sqrt {1-x^2} F ( x ) = x arccos ( x ) − 1 − x 2
Besondere Werte
x x x
arcsin ( x ) \arcsin(x) arcsin ( x )
arccos ( x ) \arccos(x) arccos ( x )
− 1 -1 − 1
− π 2 - \dfrac{\pi}{2} − 2 π
π \pi π
− 1 2 2 - \dfrac{1}{2} \sqrt{2} − 2 1 2
− 1 4 π - \dfrac{1}{4} \pi − 4 1 π
3 4 π \dfrac{3}{4} \pi 4 3 π
0 0 0
0 0 0
1 2 π \dfrac{1}{2} \pi 2 1 π
1 2 2 \dfrac{1}{2} \sqrt{2} 2 1 2
1 4 π \dfrac{1}{4} \pi 4 1 π
1 4 π \dfrac{1}{4} \pi 4 1 π
1 1 1
π 2 \dfrac{\pi}{2} 2 π
0 0 0
Die Mathematik ist eine Art Spielzeug, welches die Natur uns zuwarf zum Troste und zur Unterhaltung in der Finsternis.
Jean-Baptist le Rond d'Alembert
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