Arkustangens und Arkuskotangens

Arkustangens und Arkuskotangens sind mathematische Funktionen. Sie sind die Umkehrfunktionen des Tangens bzw. des Kotangens und damit Arkusfunktionen. Da der Tangens periodisch ist, wird zur Umkehrung der Definitionsbereich von Tangens auf dem Intervall ]π/2,π/2[] - \pi / 2 \, , \, \pi / 2 [ beschränkt. Beim Arkuskotangens erfolgt eine Beschränkung auf 0f(x)π 0 \le f(x) \le \pi
 
 

Definition

AtanAcot.png

Eigenschaften

Zwischen Arkustangens und Arkuskotangens besteht folgende Beziehung:
arccotz=π2arctanz \arccot z = \dfrac{\pi}{2} - \arctan z .
Arkustangens Arkuskotangens
Definitionsbereich <x<+ -\infty < x < +\infty <x< -\infty < x < \infty
Wertebereich π2<f(x)<+π2-\dfrac{\pi}{2} < f(x) < + \dfrac{\pi}{2} 0f(x)π 0 \le f(x) \le \pi
Periodizität keine keine
Monotonie streng monoton steigend streng monoton fallend
Symmetrien Ungerade Funktion: arctan(x)=arctanx\arctan(-x) = -\arctan x Punktsymmetrie zu (x=0,y=π2)(x=0 \, , \, y =\dfrac{\pi}{2})
arccotx=πarccot(x)\arccot x = \pi - \arccot(-x)
Asymptoten f(x)±π2f(x) \to\pm \dfrac{\pi}{2} für x±x \to\pm\infty f(x)πf(x) \to \pi für xx \to -\infty
f(x)0f(x) \to 0 für x+x \to + \infty
Nullstellen x=0x = 0 keine
Sprungstellen keine keine
Polstellen keine keine
Extrema keine keine
Wendepunkte x=0x = 0 x=0x = 0

Spezielle Werte

xx -\infty 3-\sqrt{3} 1-1 13-\dfrac{1}{\sqrt{3}} 00 13\dfrac{1}{\sqrt{3}} 11 3\sqrt{3} \infty
arctan(x)\arctan(x) π2-\dfrac{\pi}{2} π3-\dfrac{\pi}{3} π4-\dfrac{\pi}{4} π6-\dfrac{\pi}{6} 00 π6\dfrac{\pi}{6} π4\dfrac{\pi}{4} π3\dfrac{\pi}{3} π2\dfrac{\pi}{2}

Reihenentwicklung

Die Taylorreihe des Arkustangens lautet:
arctanx=k=0(1)kx2k+12k+1 \arctan x=\sum\limits_{k=0}^{\infty} (-1)^k\dfrac{x^{2k+1}}{2k+1}=x13x3+15x517x7+ = x - \dfrac13 x^3 + \dfrac15 x^5 - \dfrac17 x^7+ \cdots
Diese Reihe konvergiert genau dann, wenn x1|x|\le 1. Der Arkustangens ist allerdings auf ganz R\R definiert.
Die Reihenentwicklung kann zur näherungsweisen Berechnung der Zahl π\pi verwendet werden: Die einfachste Formel ist der Spezialfall x=1x=1, die Leibniz-Formel
π4=113+1517+\dfrac\pi4=1-\dfrac13+\dfrac15-\dfrac17+-\ldots
Die kompliziertere Formel
π4=4arctan15arctan1239\dfrac\pi4=4\arctan\dfrac15-\arctan\dfrac1{239}
verwendete John Machin[1] , um die ersten 100 Nachkommastellen von π\pi zu berechnen.
Die Taylorreihe des Arkuskotangens lautet:
arccotx=π2k=0(1)k2k+1x2k+1\arccot x=\dfrac{\pi}{2} - \sum\limits_{k=0}^{\infty} { \dfrac{(-1)^k}{2k+1} x^{2k+1}} \, =π2x+13x3 = \, \dfrac{\pi}{2}- x + \dfrac{1}{3}x^3 15x5+17x7 - \dfrac15 x^5 + \dfrac17 x^7 \cdots

Funktionalgleichung

Die Arkustangenswerte über 11 lassen sich aus den Werten zwischen 0 und 1 ableiten:
arctan1x=π2arctanx\arctan \dfrac{1}{x} = \dfrac{\pi}{2} - \arctan x
Das geht auch mit Werten für x<0x < 0:
arctan1x=π2arctanx\arctan \dfrac{1}{x} = -\dfrac{\pi}{2} - \arctan x

Umkehrfunktionen

x=tanyx = \tan y und x=coty x = \cot y \,

Ableitungen

Arkustangens:
ddxarctan(x)=11+x2\dfrac{\mathrm d}{\mathrm dx}\arctan(x)=\dfrac{1}{1+x^2}
ddxarctan(ax+b)=a1+(ax+b)2\dfrac{\mathrm d}{\mathrm dx} \arctan(ax+b) = \dfrac{a}{1+(ax+b)^2}
Arkuskotangens:
arccot(x)=11+x2{\arccot}' (x)=-\dfrac{1}{1+x^2}.
ddxarccot(ax+b)=ddxarctan(ax+b)=a1+(ax+b)2\dfrac{\mathrm d}{\mathrm dx} \arccot(ax+b) = - \dfrac{\mathrm d}{\mathrm dx} \arctan(ax+b)= - \dfrac{a}{1 + (ax+b)^2}

Stammfunktionen

Arkustangens:
Der Arkustangens spielt eine wesentliche Rolle bei der symbolischen Integration von Ausdrücken der Form
1ax2+bx+c\dfrac1{ax^2+bx+c}\, .
Ist die Diskriminante D=b24acD=b^2-4ac positiv oder Null, so kann man eine Stammfunktion mittels Partialbruchzerlegung bestimmen. Ist die Diskriminante negativ, so kann man den Ausdruck durch die Substitution
u=2ax+bDu=\dfrac{2ax+b}{\sqrt{-D}}
in die Form
4aD11+u2\dfrac{4a}{-D} \, \dfrac1{1+u^2}
bringen; eine Stammfunktion ist also
2Darctan2ax+bD\dfrac2{\sqrt{-D}}\arctan\dfrac{2ax+b}{\sqrt{-D}}\, .
Eine Stammfunktion des Arkustangens selbst ist
arctanxadx,=xarctanxaa2ln(a2+x2)\int\limits \arctan \dfrac{x}{a} \, \mathrm dx, = x \, \arctan \dfrac{x}{a} - \dfrac{a}{2} \ln\braceNT{a^2 + x^2}\,
Arkuskotangens:
F(x)=xarccotx+12ln(1+x2)+CF(x) = x \, \arccot x + \dfrac{1}{2} \, \ln \braceNT{ 1 + x^2 } + C
arccotxadx=xarccotxa+a2ln(a2+x2) \int\limits \arccot \dfrac{x}{a} \, dx= x \, \arccot \dfrac{x}{a} + \dfrac{a}{2} \, \ln(a^2 + x^2)

Näherungsweise Berechnung

Es gelten folgende Näherungen:
arctanx3x3+x2 \arctan x \approx \dfrac{3x}{3+x^2} für x<1|x|<1,
arccotx3x3x21 \arccot x \approx \dfrac{3x}{3x^2-1} für x1x\gg 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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