逆三角関数は、三角関数の値から角度を返す関数です。実際には、arcsinx、arccosx、arctanx はそれぞれ、条件を満たすすべての角ではなく、主値と呼ばれる1つの標準的な角を返します。
この制限は本質的です。正弦・余弦・正接はグラフ全体では同じ値を繰り返すため、各出力がただ1つの角に対応する区間に制限してはじめて逆関数をもてます。
arcsinx、arccosx、arctanx の意味
次の定義は、三角関数としての関係と、許される出力範囲の両方を示しています。
arcsinx=ymeanssiny=x and −2π≤y≤2π
arccosx=ymeanscosy=x and 0≤y≤π
arctanx=ymeanstany=x and −2π<y<2π
これらの区間条件は、単なる補足ではありません。逆関数の値が1つに定まるようにするために必要な条件です。
実際に必要な定義域と値域
学習で最もよく使う3つの逆三角関数については、次のようになります。
arcsinx:−1≤x≤1,−2π≤y≤2π
arccosx:−1≤x≤1,0≤y≤π
arctanx:x∈R,−2π<y<2π
各行は、最初が入力、次が出力だと読んでください。たとえば arcsinx が受け取れるのは −1≤x≤1 の範囲だけです。これは、正弦の値がその区間の外にはならないからです。
逆三角関数のグラフの考え方
逆三角関数のグラフは、直線 y=x に関する折り返しで得られます。ただし、もとの三角関数を1対1になる区間に制限したあとで考える必要があります。
たとえば y=arcsinx は、制限した正弦のグラフ
y=sinxfor−2π≤x≤2π
を直線 y=x に関して折り返したものです。
同じ考え方で、次の対応が得られます。
y=arccosx↔y=cosxfor0≤x≤π
y=arctanx↔y=tanxfor−2π<x<2π
正弦・余弦・正接の周期的なグラフ全体をそのまま折り返してはいけません。グラフ全体は水平線テストを満たさないので、逆関数をもちません。
主値の範囲を使う例題
次を求めます。
arccos(−21)
cosy=−21 となる角 y を考えます。この条件を満たす角はたくさんありますが、arccosx が返すのは主値の範囲
0≤y≤π
にある角でなければなりません。
この区間で正しい角は y=32π なので、
arccos(−21)=32π
となります。
ここで身につけたい大事な考え方は、条件を満たす角なら何でも探すのではなく、正しい範囲にある角を探すことです。
逆三角関数でよくある間違い
最も多い間違いは、逆三角関数と逆数の三角関数を混同することです。arcsinx は cscx と同じではありません。また、sin−1x は通常、1/sinx ではなく逆正弦を意味します。
もう1つよくあるのは、主値の範囲を無視することです。たとえば sin(65π)=21 ですが、
arcsin(21)=6π
です。これは 6π が arcsinx で許される範囲にある角だからです。
また、定義域を忘れることもあります。arcsin2 や arccos(−3) のような式は実数値をもちません。正弦と余弦の出力は [−1,1] の範囲を超えないからです。
逆三角関数が使われる場面
逆三角関数は、比がわかっていて、そこから角度を求めたいときに現れます。これは直角三角形の幾何、航法、傾きや方向の問題、ベクトル成分、三角形を使うモデリングなどでよく起こります。
また、微積分でも重要です。導関数や、∫1+x21dx=arctanx+C のような不定積分、さらに三角関数を含む置換積分でも登場します。
2ステップで考える方法
逆三角関数の式を計算するときは、次の2つを確認します。
- 与えられた値に対応する三角関数はどれか。
- その関数の主値の範囲にある角はどれか。
この2つをいつもセットで考えると、公式もグラフもずっと理解しやすくなります。
自分でも試してみよう
arcsin(−22) と arctan(1) を求めてみましょう。先に主値の範囲を意識すると、どちらもすぐに答えが見えてきます。