反三角函数的作用,是由一个三角函数值返回一个角。实际使用中,arcsin⁡x\arcsin x、arccos⁡x\arccos x 和 arctan⁡x\arctan x 各自只返回一个标准角,叫作主值,而不是所有满足条件的角。

这种限制非常关键。正弦、余弦和正切在完整图像上都会重复取值,所以只有把它们限制在某些区间内,使每个输出都只对应一个角时,它们才有反函数。

arcsin⁡x\arcsin x、arccos⁡x\arccos x 和 arctan⁡x\arctan x 的含义

下面这些定义同时说明了三角关系和允许的输出范围:

arcsin⁡x=ymeanssin⁡y=x and −π2≤y≤π2\arcsin x = y \quad \text{means} \quad \sin y = x \text{ and } -\frac{\pi}{2} \le y \le \frac{\pi}{2} arccos⁡x=ymeanscos⁡y=x and 0≤y≤π\arccos x = y \quad \text{means} \quad \cos y = x \text{ and } 0 \le y \le \pi arctan⁡x=ymeanstan⁡y=x and −π2<y<π2\arctan x = y \quad \text{means} \quad \tan y = x \text{ and } -\frac{\pi}{2} < y < \frac{\pi}{2}

这些区间条件并不是附加细节,而是保证反函数只有一个取值的关键。

你真正需要掌握的定义域和值域

对于学生最常用的三个反三角函数:

arcsin⁡x:−1≤x≤1,−π2≤y≤π2\arcsin x: \quad -1 \le x \le 1, \quad -\frac{\pi}{2} \le y \le \frac{\pi}{2} arccos⁡x:−1≤x≤1,0≤y≤π\arccos x: \quad -1 \le x \le 1, \quad 0 \le y \le \pi arctan⁡x:x∈R,−π2<y<π2\arctan x: \quad x \in \mathbb{R}, \quad -\frac{\pi}{2} < y < \frac{\pi}{2}

每一行都要先看输入,再看输出。比如,arcsin⁡x\arcsin x 只接受 −1≤x≤1-1 \le x \le 1,因为正弦函数的输出不可能超出这个区间。

反三角函数的图像是怎么来的

反三角函数的图像,本质上是关于直线 y=xy = x 的对称图像,但前提是原来的三角函数已经被限制在一个一一对应的区间上。

例如,y=arcsin⁡xy = \arcsin x 就是下面这段受限正弦图像

y=sin⁡xfor−π2≤x≤π2y = \sin x \quad \text{for} \quad -\frac{\pi}{2} \le x \le \frac{\pi}{2}

关于直线 y=xy = x 的对称图像。

同样的思路也适用于下面这些对应关系:

y=arccos⁡x↔y=cos⁡xfor0≤x≤πy = \arccos x \leftrightarrow y = \cos x \quad \text{for} \quad 0 \le x \le \pi y=arctan⁡x↔y=tan⁡xfor−π2<x<π2y = \arctan x \leftrightarrow y = \tan x \quad \text{for} \quad -\frac{\pi}{2} < x < \frac{\pi}{2}

不要把完整的、周期重复的正弦、余弦或正切图像直接拿去对称。完整图像不满足水平线检验,因此不能作为反函数的图像来源。

一个带主值范围的例题

计算

arccos⁡(−12)\arccos\left(-\frac{1}{2}\right)

我们要找角 yy,使得 cos⁡y=−12\cos y = -\frac{1}{2}。满足条件的角有很多,但 arccos⁡x\arccos x 必须返回主值范围内的那个角:

0≤y≤π0 \le y \le \pi

在这个区间内,正确的角是 y=2π3y = \frac{2\pi}{3},所以

arccos⁡(−12)=2π3\arccos\left(-\frac{1}{2}\right) = \frac{2\pi}{3}

这里最重要的习惯就是:不要去找任意一个满足条件的角,而要找落在正确范围内的那个角。

反三角函数中的常见错误

最常见的错误,是把反三角函数和倒数三角函数混淆。arcsin⁡x\arcsin x 不等于 csc⁡x\csc x,而 sin⁡−1x\sin^{-1} x 通常表示反正弦,不是 1/sin⁡x1/\sin x。

另一个常见错误,是忽略主值范围。比如,sin⁡(5π6)=12\sin \left(\frac{5\pi}{6}\right) = \frac{1}{2},但是

arcsin⁡(12)=π6\arcsin\left(\frac{1}{2}\right) = \frac{\pi}{6}

因为 π6\frac{\pi}{6} 才是 arcsin⁡x\arcsin x 允许范围内的那个角。

学生有时也会忘记检查定义域。像 arcsin⁡2\arcsin 2 和 arccos⁡(−3)\arccos(-3) 这样的式子在实数范围内没有意义,因为正弦和余弦的输出不可能超出 [−1,1][-1,1]。

反三角函数在什么时候会用到

只要你已知一个比值,想反过来求角,就会用到反三角函数。这在直角三角形几何、导航、斜率与方向问题、向量分量以及基于三角形的建模中都很常见。

它们在微积分里也很重要。你会在导数、原函数(例如 ∫11+x2 dx=arctan⁡x+C\int \frac{1}{1+x^2}\,dx = \arctan x + C)以及含三角表达式的换元中看到它们。

一个 2 步理解法

在计算反三角函数表达式时,做这两个检查:

  1. 已知的这个值对应的是哪个三角函数?
  2. 在这个函数的主值范围内,对应的角是多少?

把这两个检查放在一起考虑,公式和图像就会容易理解得多。

自己试一试

试着计算 arcsin⁡(−22)\arcsin\left(-\frac{\sqrt{2}}{2}\right) 和 arctan⁡(1)\arctan(1)。如果你先确定主值范围,这两个答案都会很快得到。

常见问题

$\sin^{-1} x$ 和 $\frac{1}{\sin x}$ 一样吗?
不一样。在标准三角函数记号中,$\sin^{-1} x$ 通常表示 $\arcsin x$,也就是反正弦函数。正弦的倒数是 $\csc x$。
为什么反三角函数需要限制值域?
原来的三角函数会重复取值,所以在全体实数上不是一一对应的。限制值域后,每个允许的输入才会恰好对应一个输出角。

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