Понятие обратной функции. Определение обратных тригонометрических функций. Алгебра и начала анализа, 10 класс. Воробьев Леонид Альбертович, г.Минск

Рассмотрим пример какой-либо функции, заданной в явном виде формулой y = f ( x ). Пусть, для определенности, это будет линейная функция y =2 x –7. Вспомним, как выполняется такая задача: найти значение функции по заданному значению аргумента. Вспомнили?.. …Правильно: для этого надо данное значение аргумента подставить в формулу и произвести вычисления. Например, при x =2, значение функции равно y =2 2–7=–3. Эту же задачу можно выполнить графическим способом. Для этого нужно: 1) построить график данной функции; x y –7 3,53,5 2) отметить на оси абсцисс значение 2; –3–3 2 3) получить на графике точку с отмеченной абсциссой 2; 4) найти ординату полученной в п.3 точки. Для любой другой функции задача нахождения значения функции по заданному значению аргумента решается аналогично.

А теперь вспомним, как решается обратная задача по нахождению значения аргумента при заданном значении функции. В нашем примере с линейной функцией y =2 x –7 это происходит по следующему алгоритму: в формулу, задающую данную функцию подставляют заданное значение функции и решают полученное уравнение с переменной х. Например, при у =–5 2 x –7=–5 х =1. Эту же задачу можно выполнить графическим способом. Для этого нужно: 1) построить график данной функции; 2) отметить на оси ординат значение –5; 3) получить на графике точку с отмеченной ординатой –5; 4) найти абсциссу полученной в п.3 точки. x –7 3,53,5 –5–5 Для любой другой функции задача нахождения значения аргумента по заданному значению функции решается аналогично. y 1

Однако, при решении обратной задачи можно поступить по-другому. Для этого составляют обратную зависимость, считая заданное значение данной функции аргументом этой зависимости. Сделать это можно двумя способами: 1)Выразить из формулы данной функции х через у. В нашем случае: y =2 x –7 2 х = у +7 х =0,5 у +3,5. А теперь записать эту зависимость, как новую функцию, в привычном для нас виде: у =0,5 х +3,5. Или 2)Поменять в формуле данной функции х и у. В нашем случае: y =2 x –7 х =2 у –7. А теперь записать эту зависимость, как новую функцию, в привычном для нас виде, выразив у через х : 2 у = х +7 у =0,5 х +3,5. 2 –3 y =2 x –7 –5–5 1

Таким образом, мы получили обратную для функции y =2 x –7 зависимость, которая является в свою очередь также функцией у =0,5 х +3,5. С помощью обратной функции мы можем решать обратную задачу по нахождению значения аргумента при заданном значении данной функции. Только для обратной функции это заданное значение функции является аргументом! Значит, для у = х =–5 у =0,5 (–5)+3,5=1. Примечание 1. Если для данной функции можно составить обратную зависимость, являющуюся также функцией, то говорят, что данная функция обратима и обратная зависимость является обратной функцией. Примечание 2. Если функция y = f ( x ) является обратимой и y = g ( x ) – обратная для неё функция, то: 1) D ( f )= E ( g ) и E ( f )= D ( g );2) f ( g ( х ))= g ( f ( х ))= x. Примечание 3. Графики данной и обратной для неё функций симметричны относительно прямой у = х.

В рассмотренном нами случае: f ( x )=2 x –7 и g ( x )=0,5 у +3,5 – обратные функции x y f(x)=2x–7 g(x)=0,5x+3,5 y=x

Чтобы обратная для данной функции зависимость была также функцией необходимо и достаточно, чтобы каждое свое значение функция принимала только при одном значении аргумента. Значит, чтобы функция была обратимой, данная функция должна быть монотонно возрастающей или монотонно убывающей на всей своей области определения. Пример 1. Функция y = x 2 не является обратимой на D(y)=, т.к. при х =3 или –3 функция принимает одно и то же значение 9, а значит, обратная зависимость функцией не является. Однако, на области х [0; + ) данная функция обратима и обратной для неё является знакомая Вам функция x y y=xy=x 3 –3–3 9 D(y) E(y)

Пример 2. Любая степенная функция с нечетным натуральным показателем является обратимой (проверьте самостоятельно). 0 x y y=xy=x

Рассмотрим теперь знакомую Вам тригонометрическую функцию y = sinx. На всей области определения ( x ) она обратимой не является (самостоятельно объясните почему). Выберем ближайший к началу отсчета промежуток возрастания данной функции – отрезок. На данном промежутке функция обратима и обратной для неё является функция: Теперь перед нами стоит задача выразить эту зависимость в привычном для нас виде, т.е. y через x. Это можно сделать с помощью нового для Вас понятия – arcsinx, т.е. Читают – «арксинус числа икс». Определение. Арксинусом числа x [ –1;1] называется число y (величина угла в радианной мере), синус которого равен x. Пример 1. sin (0,5 π)= 1 arcsin 1 =. Пример 2. sin. Но записать тождественное равенство в виде arcsin нельзя, т.к.. Применив свойство sinx = sin ( π – x ), получим: А, значит, А теперь ответьте на вопрос: синус какого угла равен 0,1?... Правильно: arcsin 0,1.

y=x y y=sinx x 1 1 y=arcsinx Итак, если D ( sin )= и E ( sin )=[–1; 1], то D ( arcsin )=[–1; 1] и E ( arcsin )=. К тому же, зная график функции y = sinx и свойство графиков взаимно обратных функций, нетрудно получить график функции y = arcsinx. Из определения следует, что sin ( arcsiny )= y и arcsin ( sinx )= x, при y [–1; 1], x. Полезно вывести и запомнить также, что arcsin (– a )= – arcsin ( a ).

Аналогично можно ввести понятие арккосинуса числа. Определение. Арккосинусом числа x [ –1;1] называется число y (величина угла в радианной мере), косинус которого равен x, т.е. Примечание. Для значений функции арккосинус выбран отрезок, т.к. это ближайший к началу отсчета промежуток убывания функции косинус. y=x y y=cosx x 1 y=arccosx

a 10–1–1 arccosa Задание. Заполните предложенную таблицу: Дадим теперь определение двум оставшимся обратным тригонометрическим функциям y = arctgx и y = arcctgx. Задание. Подумайте как обосновать (самостоятельно или с помощью учителя) следующие тождества: Из определения следует, что cos ( arccosy )= y и arccos ( cosx )= x, при y [–1;1], x. Полезно вывести и запомнить также, что arccos (– a )= π – arccos ( a ).

Определение. Арктангенсом числа x называется число y (величина угла в радианной мере), тангенс которого равен x, т.е. Определение. Арккотангенсом числа x называется число y (величина угла в радианной мере), котангенс которого равен x, т.е. Обязательно разберитесь, почему D ( arctg )= D ( arcctg )= и E ( arctg )= и E ( arcctg )= ! x x y y –1–1 1 –1–1 y=x y=tgx y=ctgx y=arctgx y=arcctgx

Тригонометрические функции связаны между собой различными тригонометрическими формулами (например, sin 2 x + cos 2 x =1). Обратные тригонометрические функции также связаны друг с другом. Полезно вывести и помнить следующие тождества: при a >0, Понятие об обратных тригонометрических функциях позволяет нам решать тригонометрические уравнения и неравенства. Но это уже тема нового урока!