Poziom zaawansowany

Funkcje cyklometryczne

Arcus sinus, arcus cosinus i arcus tangens odpowiadają na pytanie odwrotne: jaki kąt ma daną wartość funkcji. Zobacz, dlaczego trzeba było zawęzić dziedzinę, jakie są zbiory wartości tych trzech funkcji i kiedy arcsin(sin x) nie równa się x.

Zanim zaczniesz

Ten temat opiera się na wcześniejszych zagadnieniach. Zanim zaczniesz, warto przerobić poniższe lekcje — dzięki nim wszystko pójdzie gładko:

Gdzie się tego używa

Konkretne sytuacje, w których liczysz dokładnie tak, jak uczy ta lekcja:

  • Nachylenie drogi
    Znak drogowy „8%" mówi, że na 100 m poziomo droga wznosi się o 8 m. Kąt nachylenia to arctg 0,08 = 4,57°. Podjazd 12% to już arctg 0,12 = 6,84°, a maksymalne dopuszczalne nachylenie rampy dla wózków (6%) odpowiada arctg 0,06 = 3,43°. Bez arcusa tangensa z procentu nie da się zrobić kąta.
  • Fotografia
    Kąt widzenia obiektywu liczy się jako 2 · arctg(d / 2f), gdzie d to przekątna matrycy, a f ogniskowa. Dla pełnej klatki (d = 43,3 mm) i obiektywu 50 mm daje to 2 · arctg 0,433 = 2 · 23,4° = 46,8°, a dla szerokokątnego 24 mm — aż 84,1°. Tabele kątów widzenia w katalogach producentów to jedna kolumna arcusów tangensów.
  • Nurkowanie i optyka
    Kąt graniczny na granicy woda–powietrze wynosi arcsin(1 / 1,33) = 48,8°. Nurek patrzący w górę pod kątem większym niż 48,8° od pionu nie widzi już nieba, tylko lustrzane odbicie dna — całe niebo mieści się dla niego w kole o kącie 97,6°, nazywanym „oknem Snella". Ta jedna liczba jest wartością arcusa sinusa.
  • Kinematyka odwrotna robota
    Ramię ma dosięgnąć punktu (30 cm, 40 cm). Kąt obrotu podstawy to arctg(40 / 30) = 53,1°, a odległość do celu √(30² + 40²) = 50 cm. Sterownik liczy dokładnie te dwie liczby przy każdym ruchu; „kinematyka odwrotna" to nazwa na rachunek, w którym z położenia chwytaka wyprowadza się kąty przegubów — czyli na łańcuch arcusów.
  • Panele i anteny satelitarne
    Antena wycelowana w satelitę na orbicie geostacjonarnej, ustawiana w Warszawie na satelitę nad południkiem 13°E, wymaga elewacji około arctg(0,60) = 31°. Instalator odczytuje tę wartość z tabeli albo liczy ją z ilorazu dwóch odległości — w obu przypadkach to arcus tangens, bo dane są przyprostokątne, a szukany jest kąt.

Wszystkie wzory

  • Arcus sinus

    y=arcsin⁡x  ⟺  sin⁡y=x  oraz  y∈[−π2,π2]y = \arcsin x \iff \sin y = x \ \text{ oraz } \ y \in \left[-\tfrac{\pi}{2}, \tfrac{\pi}{2}\right]

    dziedzina [−1, 1], zbiór wartości [−π/2, π/2]

  • Arcus cosinus

    y=arccos⁡x  ⟺  cos⁡y=x  oraz  y∈[0,π]y = \arccos x \iff \cos y = x \ \text{ oraz } \ y \in \left[0, \pi\right]

    dziedzina [−1, 1], zbiór wartości [0, π]

  • Arcus tangens

    y=arctg⁡x  ⟺  tg⁡y=x  oraz  y∈(−π2,π2)y = \operatorname{arctg} x \iff \operatorname{tg} y = x \ \text{ oraz } \ y \in \left(-\tfrac{\pi}{2}, \tfrac{\pi}{2}\right)

    dziedzina: wszystkie liczby rzeczywiste

  • Złożenie „od środka"

    sin⁡(arcsin⁡x)=xdla x∈[−1,1]\sin(\arcsin x) = x \quad \text{dla } x \in [-1, 1]

    zachodzi zawsze w dziedzinie arcusa

  • Złożenie „od zewnątrz"

    arcsin⁡(sin⁡x)=xtylko dla x∈[−π2,π2]\arcsin(\sin x) = x \quad \text{tylko dla } x \in \left[-\tfrac{\pi}{2}, \tfrac{\pi}{2}\right]

    poza tym przedziałem wynik jest INNYM kątem

  • Związek arcusa sinusa z cosinusem

    arcsin⁡x+arccos⁡x=π2\arcsin x + \arccos x = \frac{\pi}{2}

    wprost ze wzoru redukcyjnego dla kąta dopełniającego

Cała dotychczasowa trygonometria odpowiadała na pytanie: dany kąt, jaka wartość? Praktyka pyta zwykle odwrotnie: dany stosunek boków, jaki kąt? Znak drogowy mówi „8%", a kierowca chce wiedzieć, ile to stopni. Do tego służą funkcje cyklometryczne.

Odwrócenie przyporządkowania

Funkcja przypisuje każdemu argumentowi dokładnie jedną wartość. Odczytanie jej wstecz — od wartości do argumentu — jest jednoznaczne tylko wtedy, gdy żadna wartość nie powtarza się dwa razy.

I tu jest kłopot. Sinus przyjmuje wartość 12\frac{1}{2} nieskończenie wiele razy:

sin⁡30∘=sin⁡150∘=sin⁡390∘=sin⁡(−210∘)=12\sin 30^\circ = \sin 150^\circ = \sin 390^\circ = \sin(-210^\circ) = \frac{1}{2}

Pytanie „jaki kąt ma sinus równy 12\frac{1}{2}" nie ma więc jednej odpowiedzi — a to znaczy, że odwrócenie sinusa nie jest funkcją. Dokładnie ten sam problem widzieliśmy przy równaniach trygonometrycznych: tam odpowiedzią był cały nieskończony zbiór.

Rozwiązanie jest jedno: zawęzić dziedzinę tak, żeby każda wartość była osiągana dokładnie raz.

arcsin: sinus na przedziale [−π/2, π/2]

Na przedziale od −π2-\frac{\pi}{2} do π2\frac{\pi}{2} sinus rośnie — od −1-1 do 11, bez powtórek. Na tym kawałku odwrócenie jest już jednoznaczne i definiuje funkcję:

y=arcsin⁡x  ⟺  sin⁡y=x  oraz  y∈[−π2,π2]y = \arcsin x \iff \sin y = x \ \text{ oraz } \ y \in \left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]

Wykres funkcji odwrotnej powstaje przez odbicie względem prostej y=xy = x — bo odbicie zamienia współrzędne miejscami, czyli zamienia argument z wartością.

−1,5−1−0,500,511,5−1,5−1−0,500,511,5xyy = xy = sin xy = arcsin x
Sinus na zawężonym przedziale i jego odbicie względem prostej y = x. Dziedzina jednej funkcji jest zbiorem wartości drugiej i odwrotnie.

Stąd od razu widać dziedzinę i zbiór wartości: argumenty arcusa sinusa to liczby z [−1,1][-1, 1] (bo tyle przyjmuje sinus), a wartości — kąty z [−π2,π2]\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right].

arccos i arctg: inne przedziały, ten sam pomysł

Dla cosinusa przedział [−π2,π2]\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right] nie zadziała: cosinus jest tam parzysty, więc cos⁡(−60∘)=cos⁡60∘\cos(-60^\circ) = \cos 60^\circ i wartość 12\frac{1}{2} pojawia się dwa razy. Wybieramy więc przedział, na którym cosinus maleje od 11 do −1-1:

y=arccos⁡x  ⟺  cos⁡y=x  oraz  y∈[0,π]y = \arccos x \iff \cos y = x \ \text{ oraz } \ y \in [0, \pi]

Dla tangensa wystarczy jeden okres bez asymptot — przedział otwarty, bo w jego końcach tangens nie istnieje:

y=arctg⁡x  ⟺  tg⁡y=x  oraz  y∈(−π2,π2)y = \operatorname{arctg} x \iff \operatorname{tg} y = x \ \text{ oraz } \ y \in \left(-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right)

Tangens przyjmuje każdą liczbę rzeczywistą, więc arcus tangens jest określony na całej prostej — i to jedyna z trzech funkcji bez ograniczenia dziedziny.

−4−20246−2−1,5−1−0,500,511,52xyy = π/2y = −π/2y = arctg x
Pionowe asymptoty tangensa po odbiciu stają się poziomymi asymptotami arcusa tangensa. Wykres zbliża się do ±π/2 i nigdy ich nie osiąga.
funkcjadziedzinazbiór wartości
arcsin⁡x\arcsin x[−1,1][-1, 1][−π2,π2]\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]
arccos⁡x\arccos x[−1,1][-1, 1][0,π][0, \pi]
arctg⁡x\operatorname{arctg} xR\mathbb{R}(−π2,π2)\left(-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right)

Wartości dokładne

Tablicę kątów szczególnych czyta się teraz od prawej do lewej.

xx−1-1−32-\frac{\sqrt{3}}{2}−12-\frac{1}{2}0012\frac{1}{2}22\frac{\sqrt{2}}{2}32\frac{\sqrt{3}}{2}11
arcsin⁡x\arcsin x−π2-\frac{\pi}{2}−π3-\frac{\pi}{3}−π6-\frac{\pi}{6}00π6\frac{\pi}{6}π4\frac{\pi}{4}π3\frac{\pi}{3}π2\frac{\pi}{2}
arccos⁡x\arccos xπ\pi5π6\frac{5\pi}{6}2π3\frac{2\pi}{3}π2\frac{\pi}{2}π3\frac{\pi}{3}π4\frac{\pi}{4}π6\frac{\pi}{6}00

Dwa wiersze różnią się nie przez przypadek. Ze wzoru redukcyjnego cos⁡(π2−α)=sin⁡α\cos\left(\frac{\pi}{2} - \alpha\right) = \sin \alpha wynika bowiem

arcsin⁡x+arccos⁡x=π2\arcsin x + \arccos x = \frac{\pi}{2}

— wystarczy sprawdzić dowolną kolumnę tabeli.

Składanie: dwie strony i jedna pułapka

Złożenie „arcus w środku" działa zawsze, byle argument mieścił się w dziedzinie:

sin⁡(arcsin⁡x)=xdla x∈[−1,1]\sin(\arcsin x) = x \quad \text{dla } x \in [-1, 1]

Bo arcsin⁡x\arcsin x jest z definicji kątem, którego sinus wynosi xx — sinus tylko odwraca to, co arcus zrobił.

Złożenie „arcus na zewnątrz" działa nie zawsze:

arcsin⁡(sin⁡x)=xtylko dla x∈[−π2,π2]\arcsin(\sin x) = x \quad \text{tylko dla } x \in \left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]

Powód jest ten sam, który kazał zawęzić dziedzinę: arcus musi oddać kąt ze swojego zbioru wartości, więc jeżeli xx tam nie leży, wynikiem będzie inny kąt o tym samym sinusie.

Oblicz arcsin(sin 150°) oraz arccos(cos 300°).

Kalkulator i klawisz sin⁻¹

Klawisz oznaczony sin⁻¹ (albo asin) to dokładnie arcus sinus, a nie potęga −1-1. Dlatego kalkulator na pytanie o kąt o sinusie 12\frac{1}{2} odpowiada „30" i nie wspomina o 150∘150^\circ — nie dlatego, że tamten kąt nie pasuje, tylko dlatego, że leży poza zbiorem wartości funkcji, którą liczy.

To jest właśnie ta cicha przyczyna, dla której w twierdzeniu sinusów drugie rozwiązanie trzeba dopisywać samodzielnie: maszyna zwraca jeden kąt, bo funkcja odwrotna z definicji zwraca jeden.

Nachylenie drogi wynosi 8%. Ile to stopni?

Zadania

W zadaniach o wartość arcusa odpowiedzią jest wielokrotność π (np. π/6, 2π/3, −π/4). W zadaniach o złożenie funkcji podaj kąt w stopniach (np. 30) albo — gdy pytanie zaczyna się od sinusa lub cosinusa — ułamek będący wartością (np. −3/5).

Ćwiczenia

Rozwiąż zestaw zadań — trudność rośnie z każdym kolejnym. Na końcu zobaczysz wynik i listę pomyłek do powtórki.

Zadanie 1 z 8Punkty: 0
arcsin 0 =

Częste błędy

  • arcsin⁡x\arcsin x czytane jako 1sin⁡x\frac{1}{\sin x} — zapis sin⁡−1\sin^{-1} oznacza funkcję odwrotną, a nie odwrotność liczby. Odwrotnością sinusa jest kosekans.
  • arcsin⁡(sin⁡150∘)=150∘\arcsin(\sin 150^\circ) = 150^\circ — arcus sinus zwraca wyłącznie kąty z [−90∘,90∘][-90^\circ, 90^\circ]; poprawna odpowiedź to 30∘30^\circ.
  • arccos⁡(−12)=−60∘\arccos(-\tfrac{1}{2}) = -60^\circ — arcus cosinus ma zbiór wartości [0∘,180∘][0^\circ, 180^\circ], więc odpowiedzią jest 120∘120^\circ.
  • Liczenie arcsin⁡2\arcsin 2 — dziedziną arcusa sinusa jest [−1,1][-1, 1]; poza nią wyrażenie nie ma sensu, a kalkulator zwraca błąd.
  • Uznanie, że kalkulator zgubił rozwiązanie — funkcja odwrotna z definicji oddaje jedno; drugie rozwiązanie równania dopisuje się ze wzoru redukcyjnego.
  • Mieszanie stopni z radianami — kalkulator w trybie RAD odpowie na arctg⁡0,08\operatorname{arctg} 0{,}08 liczbą 0,07980{,}0798, a nie 4,574{,}57; to ta sama wartość w innej mierze.

Karta wzorów

Temat: Funkcje cyklometryczne

  • Arcus sinus

    y=arcsin⁡x  ⟺  sin⁡y=x  oraz  y∈[−π2,π2]y = \arcsin x \iff \sin y = x \ \text{ oraz } \ y \in \left[-\tfrac{\pi}{2}, \tfrac{\pi}{2}\right]

    dziedzina [−1, 1], zbiór wartości [−π/2, π/2]

  • Arcus cosinus

    y=arccos⁡x  ⟺  cos⁡y=x  oraz  y∈[0,π]y = \arccos x \iff \cos y = x \ \text{ oraz } \ y \in \left[0, \pi\right]

    dziedzina [−1, 1], zbiór wartości [0, π]

  • Arcus tangens

    y=arctg⁡x  ⟺  tg⁡y=x  oraz  y∈(−π2,π2)y = \operatorname{arctg} x \iff \operatorname{tg} y = x \ \text{ oraz } \ y \in \left(-\tfrac{\pi}{2}, \tfrac{\pi}{2}\right)

    dziedzina: wszystkie liczby rzeczywiste

  • Złożenie „od środka"

    sin⁡(arcsin⁡x)=xdla x∈[−1,1]\sin(\arcsin x) = x \quad \text{dla } x \in [-1, 1]

    zachodzi zawsze w dziedzinie arcusa

  • Złożenie „od zewnątrz"

    arcsin⁡(sin⁡x)=xtylko dla x∈[−π2,π2]\arcsin(\sin x) = x \quad \text{tylko dla } x \in \left[-\tfrac{\pi}{2}, \tfrac{\pi}{2}\right]

    poza tym przedziałem wynik jest INNYM kątem

  • Związek arcusa sinusa z cosinusem

    arcsin⁡x+arccos⁡x=π2\arcsin x + \arccos x = \frac{\pi}{2}

    wprost ze wzoru redukcyjnego dla kąta dopełniającego

−1,5−1−0,500,511,5−1,5−1−0,500,511,5xyy = xy = sin xy = arcsin x
Wykres arcus sinusa to wykres sinusa zawężonego do przedziału od −π/2 do π/2, odbity względem prostej y = x. Odbicie zamienia dziedzinę ze zbiorem wartości.
−4−20246−2−1,5−1−0,500,511,52xyy = π/2y = −π/2y = arctg x
Arcus tangens ma dziedzinę obejmującą wszystkie liczby rzeczywiste, ale jego wartości nigdy nie wychodzą poza przedział od −π/2 do π/2. Wykres zbliża się do dwóch poziomych prostych i nigdy ich nie dotyka.

Najczęstsze pytania

Powiązane artykuły