三角関数 から sin \sin sin , cos \cos cos , tan \tan tan がそれぞれ角度を比へと対応させることはわかっている。自然な逆の問いは:比が与えられたとき、どの角度がそれを生み出したか?その答えが逆三角関数(inverse trigonometric functions)だ——ただし一つ問題がある。正弦と余弦は 2 π 2\pi 2 π ごとに繰り返す周期関数なので R \mathbb{R} R 全体では 単射でない ;繰り返す出力をもつ関数は大域的に逆を取れない。標準的な解決策は各関数を厳密に単調になる小さい定義域に制限 し、そこで逆関数を定義することだ。
逆正弦(arcsine)
区間 [ − π 2 , π 2 ] \left[-\dfrac{\pi}{2},\ \dfrac{\pi}{2}\right] [ − 2 π , 2 π ] 上で正弦関数は − 1 -1 − 1 から 1 1 1 まで狭義単調増加だ——[ − 1 , 1 ] [-1, 1] [ − 1 , 1 ] のすべての値がちょうど1回現れる。この制限は単射なので逆関数をもつ。
**逆正弦(arcsine)**を次で定義する:
arcsin : [ − 1 , 1 ] → [ − π 2 , π 2 ] , \arcsin : [-1,\ 1] \to \left[-\frac{\pi}{2},\ \frac{\pi}{2}\right], arcsin : [ − 1 , 1 ] → [ − 2 π , 2 π ] ,
arcsin x \arcsin x arcsin x は sin θ = x \sin\theta = x sin θ = x を満たす唯一の角度 θ ∈ [ − π 2 , π 2 ] \theta \in \left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right] θ ∈ [ − 2 π , 2 π ] だ。
逆関係から2つの合成の恒等式が得られる:
sin ( arcsin x ) = x すべての x ∈ [ − 1 , 1 ] に対して, \sin(\arcsin x) = x \quad \text{すべての } x \in [-1,\ 1] \text{ に対して,} sin ( arcsin x ) = x すべての x ∈ [ − 1 , 1 ] に対して,
arcsin ( sin θ ) = θ すべての θ ∈ [ − π 2 , π 2 ] に対して. \arcsin(\sin\theta) = \theta \quad \text{すべての } \theta \in \left[-\frac{\pi}{2},\ \frac{\pi}{2}\right] \text{ に対して.} arcsin ( sin θ ) = θ すべての θ ∈ [ − 2 π , 2 π ] に対して.
2番目の恒等式は制限された区間上でのみ成立する。その外では arcsin ( sin θ ) \arcsin(\sin\theta) arcsin ( sin θ ) は θ \theta θ 自身ではなく、[ − π 2 , π 2 ] \left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right] [ − 2 π , 2 π ] 内での代表元を返す。
逆正弦の導関数
θ = arcsin x \theta = \arcsin x θ = arcsin x と置く——すなわち x = sin θ x = \sin\theta x = sin θ (θ ∈ [ − π 2 , π 2 ] \theta \in \left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right] θ ∈ [ − 2 π , 2 π ] )。x x x に関して両辺を微分すると:
1 = cos θ ⋅ d θ d x . 1 = \cos\theta \cdot \frac{d\theta}{dx}. 1 = cos θ ⋅ d x d θ .
[ − π 2 , π 2 ] \left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right] [ − 2 π , 2 π ] 上で余弦は非負なので cos θ = 1 − sin 2 θ = 1 − x 2 \cos\theta = \sqrt{1 - \sin^2\theta} = \sqrt{1 - x^2} cos θ = 1 − sin 2 θ = 1 − x 2 。d θ d x \dfrac{d\theta}{dx} d x d θ について解くと:
arcsin ′ ( x ) = 1 1 − x 2 , x ∈ ( − 1 , 1 ) . \arcsin'(x) = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}, \qquad x \in (-1,\ 1). arcsin ′ ( x ) = 1 − x 2 1 , x ∈ ( − 1 , 1 ) .
端点 x = ± 1 x = \pm 1 x = ± 1 では導関数が未定義になる——arcsin \arcsin arcsin のグラフがそこで垂直な接線をもつ。
逆余弦(arccosine)
区間 [ 0 , π ] [0, \pi] [ 0 , π ] 上で余弦関数は 1 1 1 から − 1 -1 − 1 まで狭義単調減少だ。この制限は単射だ。
**逆余弦(arccosine)**を次で定義する:
arccos : [ − 1 , 1 ] → [ 0 , π ] , \arccos : [-1,\ 1] \to [0,\ \pi], arccos : [ − 1 , 1 ] → [ 0 , π ] ,
arccos x \arccos x arccos x は cos θ = x \cos\theta = x cos θ = x を満たす唯一の角度 θ ∈ [ 0 , π ] \theta \in [0, \pi] θ ∈ [ 0 , π ] だ。
逆余弦の導関数
θ = arccos x \theta = \arccos x θ = arccos x と置くと x = cos θ x = \cos\theta x = cos θ 。x x x に関して微分すると 1 = − sin θ ⋅ d θ d x 1 = -\sin\theta \cdot \dfrac{d\theta}{dx} 1 = − sin θ ⋅ d x d θ 。[ 0 , π ] [0, \pi] [ 0 , π ] 上で正弦は非負なので sin θ = 1 − cos 2 θ = 1 − x 2 \sin\theta = \sqrt{1 - \cos^2\theta} = \sqrt{1 - x^2} sin θ = 1 − cos 2 θ = 1 − x 2 。解くと:
arccos ′ ( x ) = − 1 1 − x 2 , x ∈ ( − 1 , 1 ) . \arccos'(x) = -\frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}, \qquad x \in (-1,\ 1). arccos ′ ( x ) = − 1 − x 2 1 , x ∈ ( − 1 , 1 ) .
負号は arccos \arccos arccos が狭義単調減少であることを反映している。
arcsin–arccos の恒等式
すべての x ∈ [ − 1 , 1 ] x \in [-1, 1] x ∈ [ − 1 , 1 ] に対して:
arcsin x + arccos x = π 2 . \arcsin x + \arccos x = \frac{\pi}{2}. arcsin x + arccos x = 2 π .
証明。 α = arcsin x \alpha = \arcsin x α = arcsin x と置く——すなわち sin α = x \sin\alpha = x sin α = x 、α ∈ [ − π 2 , π 2 ] \alpha \in \left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right] α ∈ [ − 2 π , 2 π ] 。すると
cos ( π 2 − α ) = sin α = x , \cos\!\left(\frac{\pi}{2} - \alpha\right) = \sin\alpha = x, cos ( 2 π − α ) = sin α = x ,
かつ π 2 − α ∈ [ 0 , π ] \dfrac{\pi}{2} - \alpha \in [0, \pi] 2 π − α ∈ [ 0 , π ] 。arccos \arccos arccos の定義の一意性より arccos x = π 2 − α \arccos x = \dfrac{\pi}{2} - \alpha arccos x = 2 π − α が従い、整理すると主張の恒等式になる。□ \square □
この恒等式により再計算なしに arcsin \arcsin arcsin と arccos \arccos arccos を相互変換できる。また両者の導関数が互いに符号違いである理由も説明している。
逆正接(arctangent)
開区間 ( − π 2 , π 2 ) \left(-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right) ( − 2 π , 2 π ) 上で正接関数は狭義単調増加で、すべての実数値をちょうど1回とる(端点では tan \tan tan が未定義なので除外する)。
**逆正接(arctangent)**を次で定義する:
arctan : R → ( − π 2 , π 2 ) , \arctan : \mathbb{R} \to \left(-\frac{\pi}{2},\ \frac{\pi}{2}\right), arctan : R → ( − 2 π , 2 π ) ,
arctan x \arctan x arctan x は tan θ = x \tan\theta = x tan θ = x を満たす唯一の角度 θ ∈ ( − π 2 , π 2 ) \theta \in \left(-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right) θ ∈ ( − 2 π , 2 π ) だ。
arcsin \arcsin arcsin や arccos \arccos arccos と違い、arctan \arctan arctan の定義域は R \mathbb{R} R 全体だ。ただし出力は有界なので、この関数は2本の水平漸近線をもつ:
lim x → + ∞ arctan x = π 2 , lim x → − ∞ arctan x = − π 2 . \lim_{x \to +\infty} \arctan x = \frac{\pi}{2}, \qquad \lim_{x \to -\infty} \arctan x = -\frac{\pi}{2}. x → + ∞ lim arctan x = 2 π , x → − ∞ lim arctan x = − 2 π .
逆正接の導関数
θ = arctan x \theta = \arctan x θ = arctan x と置くと tan θ = x \tan\theta = x tan θ = x 。x x x に関して微分すると:
sec 2 θ ⋅ d θ d x = 1. \sec^2\!\theta \cdot \frac{d\theta}{dx} = 1. sec 2 θ ⋅ d x d θ = 1.
ピタゴラスの恒等式 sec 2 θ = 1 + tan 2 θ = 1 + x 2 \sec^2\theta = 1 + \tan^2\theta = 1 + x^2 sec 2 θ = 1 + tan 2 θ = 1 + x 2 を使うと:
arctan ′ ( x ) = 1 1 + x 2 , x ∈ R . \arctan'(x) = \frac{1}{1 + x^2}, \qquad x \in \mathbb{R}. arctan ′ ( x ) = 1 + x 2 1 , x ∈ R .
これはすべての実数 x x x で定義され常に正なので、arctan \arctan arctan は定義域全体で狭義単調増加であることが確認できる。
その他の逆三角関数
残りの3つの逆三角関数は、cot \cot cot , sec \sec sec , csc \csc csc を単射となる標準区間に制限することで得られる。
**逆余接(arccotangent)**は ( 0 , π ) (0, \pi) ( 0 , π ) に制限した cot \cot cot の逆関数だ:
arccot : R → ( 0 , π ) . \operatorname{arccot} : \mathbb{R} \to (0,\ \pi). arccot : R → ( 0 , π ) .
**逆正割(arcsecant)**は [ 0 , π ] ∖ { π 2 } [0, \pi] \setminus \left\{\dfrac{\pi}{2}\right\} [ 0 , π ] ∖ { 2 π } に制限した sec \sec sec の逆関数だ:
arcsec : ( − ∞ , − 1 ] ∪ [ 1 , + ∞ ) → [ 0 , π ] ∖ { π 2 } . \operatorname{arcsec} : (-\infty, -1] \cup [1, +\infty) \to [0,\ \pi] \setminus \left\{\frac{\pi}{2}\right\}. arcsec : ( − ∞ , − 1 ] ∪ [ 1 , + ∞ ) → [ 0 , π ] ∖ { 2 π } .
**逆余割(arccosecant)**は [ − π 2 , π 2 ] ∖ { 0 } \left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right] \setminus \{0\} [ − 2 π , 2 π ] ∖ { 0 } に制限した csc \csc csc の逆関数だ:
arccsc : ( − ∞ , − 1 ] ∪ [ 1 , + ∞ ) → [ − π 2 , π 2 ] ∖ { 0 } . \operatorname{arccsc} : (-\infty, -1] \cup [1, +\infty) \to \left[-\frac{\pi}{2},\ \frac{\pi}{2}\right] \setminus \{0\}. arccsc : ( − ∞ , − 1 ] ∪ [ 1 , + ∞ ) → [ − 2 π , 2 π ] ∖ { 0 } .
これら3つは実用上それほど頻繁には現れない。出てきたときはたいてい arcsin \arcsin arcsin , arccos \arccos arccos , arctan \arctan arctan を使って書き直せる。
導関数の一覧
6つの逆三角関数の導関数をまとめておく:
関数 導関数 導関数の定義域 arcsin x \arcsin x arcsin x 1 1 − x 2 \dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}} 1 − x 2 1 ( − 1 , 1 ) (-1,\ 1) ( − 1 , 1 ) arccos x \arccos x arccos x − 1 1 − x 2 -\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}} − 1 − x 2 1 ( − 1 , 1 ) (-1,\ 1) ( − 1 , 1 ) arctan x \arctan x arctan x 1 1 + x 2 \dfrac{1}{1+x^2} 1 + x 2 1 R \mathbb{R} R arccot x \operatorname{arccot} x arccot x − 1 1 + x 2 -\dfrac{1}{1+x^2} − 1 + x 2 1 R \mathbb{R} R arcsec x \operatorname{arcsec} x arcsec x 1 ∣ x ∣ x 2 − 1 \dfrac{1}{\lvert x \rvert\sqrt{x^2-1}} ∣ x ∣ x 2 − 1 1 ∣ x ∣ > 1 \lvert x\rvert > 1 ∣ x ∣ > 1 arccsc x \operatorname{arccsc} x arccsc x − 1 ∣ x ∣ x 2 − 1 -\dfrac{1}{\lvert x \rvert \sqrt{x^2-1}} − ∣ x ∣ x 2 − 1 1 ∣ x ∣ > 1 \lvert x\rvert > 1 ∣ x ∣ > 1
各ペアのパターンに注目:arcsin \arcsin arcsin と arccos \arccos arccos 、arctan \arctan arctan と arccot \operatorname{arccot} arccot 、arcsec \operatorname{arcsec} arcsec と arccsc \operatorname{arccsc} arccsc で導関数は互いに符号違いだ。これは補角の恒等式 arcsin x + arccos x = π 2 \arcsin x + \arccos x = \dfrac{\pi}{2} arcsin x + arccos x = 2 π および arctan x + arccot x = π 2 \arctan x + \operatorname{arccot} x = \dfrac{\pi}{2} arctan x + arccot x = 2 π を反映している。
まとめ
sin \sin sin , cos \cos cos , tan \tan tan は R \mathbb{R} R 全体では単射でないため、逆関数には狭義単調な区間への制限 が必要だ。
逆正弦(arcsine) :arcsin : [ − 1 , 1 ] → [ − π 2 , π 2 ] \arcsin : [-1, 1] \to \left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right] arcsin : [ − 1 , 1 ] → [ − 2 π , 2 π ] 、( − 1 , 1 ) (-1, 1) ( − 1 , 1 ) 上の導関数は 1 1 − x 2 \dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}} 1 − x 2 1 。
逆余弦(arccosine) :arccos : [ − 1 , 1 ] → [ 0 , π ] \arccos : [-1, 1] \to [0, \pi] arccos : [ − 1 , 1 ] → [ 0 , π ] 、( − 1 , 1 ) (-1, 1) ( − 1 , 1 ) 上の導関数は − 1 1 − x 2 -\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}} − 1 − x 2 1 ;恒等式 arcsin x + arccos x = π 2 \arcsin x + \arccos x = \dfrac{\pi}{2} arcsin x + arccos x = 2 π を満たす。
逆正接(arctangent) :arctan : R → ( − π 2 , π 2 ) \arctan : \mathbb{R} \to \left(-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right) arctan : R → ( − 2 π , 2 π ) 、R \mathbb{R} R 上の導関数は 1 1 + x 2 \dfrac{1}{1+x^2} 1 + x 2 1 ;水平漸近線 ± π 2 \pm\dfrac{\pi}{2} ± 2 π をもつ。
追加の3つの逆関数 arccot \operatorname{arccot} arccot , arcsec \operatorname{arcsec} arcsec , arccsc \operatorname{arccsc} arccsc も同様のパターンに従い、類似した制限定義域をもつ。
6つの導関数すべては逆関数定理 (定義の恒等式 f ( θ ) = x f(\theta) = x f ( θ ) = x を x x x に関して微分する)を通じて導かれ、元の三角関数が超越的であるにもかかわらず代数的な式になる。