Arkustangens und Arkuskotangens
Definition
Eigenschaften
Zwischen Arkustangens und Arkuskotangens besteht folgende Beziehung:
arccot z = π 2 − arctan z \arccot z = \dfrac{\pi}{2} - \arctan z a r c c o t z = 2 π − arctan z .
Arkustangens
Arkuskotangens
Definitionsbereich
− ∞ < x < + ∞ -\infty < x < +\infty − ∞ < x < + ∞
− ∞ < x < ∞ -\infty < x < \infty − ∞ < x < ∞
Wertebereich
− π 2 < f ( x ) < + π 2 -\dfrac{\pi}{2} < f(x) < + \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 : arctan ( − x ) = − arctan x \arctan(-x) = -\arctan x arctan ( − x ) = − arctan x
Punktsymmetrie zu ( x = 0 , y = π 2 ) (x=0 \, , \, y =\dfrac{\pi}{2}) ( x = 0 , y = 2 π ) arccot x = π − arccot ( − x ) \arccot x = \pi - \arccot(-x) a r c c o t x = π − a r c c o t ( − x )
Asymptoten
f ( x ) → ± π 2 f(x) \to\pm \dfrac{\pi}{2} f ( x ) → ± 2 π für x → ± ∞ x \to\pm\infty x → ± ∞
f ( x ) → π f(x) \to \pi f ( x ) → π für x → − ∞ x \to -\infty x → − ∞ f ( x ) → 0 f(x) \to 0 f ( x ) → 0 für x → + ∞ x \to + \infty x → + ∞
Nullstellen
x = 0 x = 0 x = 0
keine
Sprungstellen
keine
keine
Polstellen
keine
keine
Extrema
keine
keine
Wendepunkte
x = 0 x = 0 x = 0
x = 0 x = 0 x = 0
Spezielle Werte
x x x
− ∞ -\infty − ∞
− 3 -\sqrt{3} − 3
− 1 -1 − 1
− 1 3 -\dfrac{1}{\sqrt{3}} − 3 1
0 0 0
1 3 \dfrac{1}{\sqrt{3}} 3 1
1 1 1
3 \sqrt{3} 3
∞ \infty ∞
arctan ( x ) \arctan(x) arctan ( x )
− π 2 -\dfrac{\pi}{2} − 2 π
− π 3 -\dfrac{\pi}{3} − 3 π
− π 4 -\dfrac{\pi}{4} − 4 π
− π 6 -\dfrac{\pi}{6} − 6 π
0 0 0
π 6 \dfrac{\pi}{6} 6 π
π 4 \dfrac{\pi}{4} 4 π
π 3 \dfrac{\pi}{3} 3 π
π 2 \dfrac{\pi}{2} 2 π
Reihenentwicklung
arctan x = ∑ k = 0 ∞ ( − 1 ) k x 2 k + 1 2 k + 1 \arctan x=\sum\limits_{k=0}^{\infty} (-1)^k\dfrac{x^{2k+1}}{2k+1} arctan x = k = 0 ∑ ∞ ( − 1 ) k 2 k + 1 x 2 k + 1 = x − 1 3 x 3 + 1 5 x 5 − 1 7 x 7 + ⋯ = x - \dfrac13 x^3 + \dfrac15 x^5 - \dfrac17 x^7+ \cdots = x − 3 1 x 3 + 5 1 x 5 − 7 1 x 7 + ⋯
Diese Reihe konvergiert genau dann, wenn
∣ x ∣ ≤ 1 |x|\le 1 ∣ x ∣ ≤ 1 . Der
Arkustangens ist allerdings auf ganz
R \R R definiert.
Die Reihenentwicklung kann zur näherungsweisen Berechnung der Zahl
π \pi π verwendet werden: Die einfachste Formel ist der Spezialfall
x = 1 x=1 x = 1 , die Leibniz-Formel
π 4 = 1 − 1 3 + 1 5 − 1 7 + − … \dfrac\pi4=1-\dfrac13+\dfrac15-\dfrac17+-\ldots 4 π = 1 − 3 1 + 5 1 − 7 1 + − …
Die kompliziertere Formel
π 4 = 4 arctan 1 5 − arctan 1 239 \dfrac\pi4=4\arctan\dfrac15-\arctan\dfrac1{239} 4 π = 4 arctan 5 1 − arctan 2 3 9 1
verwendete John Machin
[1] , um die ersten 100 Nachkommastellen von
π \pi π zu berechnen.
arccot x = π 2 − ∑ k = 0 ∞ ( − 1 ) k 2 k + 1 x 2 k + 1 \arccot x=\dfrac{\pi}{2} - \sum\limits_{k=0}^{\infty} { \dfrac{(-1)^k}{2k+1} x^{2k+1}} \, a r c c o t x = 2 π − k = 0 ∑ ∞ 2 k + 1 ( − 1 ) k x 2 k + 1 = π 2 − x + 1 3 x 3 = \, \dfrac{\pi}{2}- x + \dfrac{1}{3}x^3 = 2 π − x + 3 1 x 3 − 1 5 x 5 + 1 7 x 7 ⋯ - \dfrac15 x^5 + \dfrac17 x^7 \cdots − 5 1 x 5 + 7 1 x 7 ⋯
Funktionalgleichung
Die Arkustangenswerte über
1 1 1 lassen sich aus den Werten zwischen 0 und 1 ableiten:
arctan 1 x = π 2 − arctan x \arctan \dfrac{1}{x} = \dfrac{\pi}{2} - \arctan x arctan x 1 = 2 π − arctan x
Das geht auch mit Werten für
x < 0 x < 0 x < 0 :
arctan 1 x = − π 2 − arctan x \arctan \dfrac{1}{x} = -\dfrac{\pi}{2} - \arctan x arctan x 1 = − 2 π − arctan x
Umkehrfunktionen
x = tan y x = \tan y x = tan y und x = cot y x = \cot y \, x = cot y
Ableitungen
Arkustangens:
d d x arctan ( x ) = 1 1 + x 2 \dfrac{\mathrm d}{\mathrm dx}\arctan(x)=\dfrac{1}{1+x^2} d x d arctan ( x ) = 1 + x 2 1
d d x arctan ( a x + b ) = a 1 + ( a x + b ) 2 \dfrac{\mathrm d}{\mathrm dx} \arctan(ax+b) = \dfrac{a}{1+(ax+b)^2} d x d arctan ( a x + b ) = 1 + ( a x + b ) 2 a
Arkuskotangens:
arccot ′ ( x ) = − 1 1 + x 2 {\arccot}' (x)=-\dfrac{1}{1+x^2} a r c c o t ′ ( x ) = − 1 + x 2 1 .
d d x arccot ( a x + b ) = − d d x arctan ( a x + b ) = − a 1 + ( a x + b ) 2 \dfrac{\mathrm d}{\mathrm dx} \arccot(ax+b) = - \dfrac{\mathrm d}{\mathrm dx} \arctan(ax+b)= - \dfrac{a}{1 + (ax+b)^2} d x d a r c c o t ( a x + b ) = − d x d arctan ( a x + b ) = − 1 + ( a x + b ) 2 a
Stammfunktionen
Arkustangens:
Der
Arkustangens spielt eine wesentliche Rolle bei der symbolischen
Integration von Ausdrücken der Form
1 a x 2 + b x + c \dfrac1{ax^2+bx+c}\, a x 2 + b x + c 1 .
Ist die Diskriminante
D = b 2 − 4 a c D=b^2-4ac D = b 2 − 4 a c positiv oder Null, so kann man eine
Stammfunktion mittels
Partialbruchzerlegung bestimmen. Ist die Diskriminante negativ, so kann man den Ausdruck durch die Substitution
u = 2 a x + b − D u=\dfrac{2ax+b}{\sqrt{-D}} u = − D 2 a x + b
in die Form
4 a − D 1 1 + u 2 \dfrac{4a}{-D} \, \dfrac1{1+u^2} − D 4 a 1 + u 2 1
2 − D arctan 2 a x + b − D \dfrac2{\sqrt{-D}}\arctan\dfrac{2ax+b}{\sqrt{-D}}\, − D 2 arctan − D 2 a x + b .
∫ arctan x a d x , = x arctan x a − a 2 ln ( a 2 + x 2 ) \int\limits \arctan \dfrac{x}{a} \, \mathrm dx, = x \, \arctan \dfrac{x}{a} - \dfrac{a}{2} \ln\braceNT{a^2 + x^2}\, ∫ arctan a x d x , = x arctan a x − 2 a ln ( a 2 + x 2 )
Arkuskotangens:
F ( x ) = x arccot x + 1 2 ln ( 1 + x 2 ) + C F(x) = x \, \arccot x + \dfrac{1}{2} \, \ln \braceNT{ 1 + x^2 } + C F ( x ) = x a r c c o t x + 2 1 ln ( 1 + x 2 ) + C
∫ arccot x a d x = x arccot x a + a 2 ln ( a 2 + x 2 ) \int\limits \arccot \dfrac{x}{a} \, dx= x \, \arccot \dfrac{x}{a} + \dfrac{a}{2} \, \ln(a^2 + x^2) ∫ a r c c o t a x d x = x a r c c o t a x + 2 a ln ( a 2 + x 2 )
Näherungsweise Berechnung
Es gelten folgende Näherungen:
arctan x ≈ 3 x 3 + x 2 \arctan x \approx \dfrac{3x}{3+x^2} arctan x ≈ 3 + x 2 3 x für ∣ x ∣ < 1 |x|<1 ∣ x ∣ < 1 ,
arccot x ≈ 3 x 3 x 2 − 1 \arccot x \approx \dfrac{3x}{3x^2-1} a r c c o t x ≈ 3 x 2 − 1 3 x für x ≫ 1 x\gg 1 x ≫ 1 .
1 John Machin, 1680-1751, englischer Astronom und Mathematiker
Wer die erhabene Weisheit der Mathematik tadelt, nährt sich von Verwirrung.
Leonardo da Vinci
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