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Arkussinus und Arkuskosinus

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Arkussinus und Arkus­kosinus im kartesi­schen Koordinaten­system
  • arcsin (x)
  • arccos (x)
  • Beispiel: Umkehrung der Kosinus- und Sinusfunktion[1]

    Der Arkussinus – geschrieben arcsin oder asin – und der Arkuskosinus (oder auch Arkuscosinus) – geschrieben arccos oder acos – sind Umkehrfunktionen der (geeignet) eingeschränkten Sinus- bzw. Kosinusfunktion. Sinus und Kosinus sind Funktionen, die einen Winkel auf einen Wert im Intervall [−1,1] abbilden; als deren Umkehrfunktionen bilden Arkussinus und Arkuskosinus einen Wert aus [−1,1] wieder auf einen zugehörigen Winkel ab. Da Sinus und Kosinus periodische Funktionen sind, gibt es aber zu jedem Wert aus [−1,1] unendlich viele zugehörige Winkel. Daher wird zur Umkehrung von Sinus und Kosinus deren Definitionsmenge auf das Intervall [−π2,π2] für Sinus und auf [0,π] für Kosinus eingeschränkt. Sinus und Kosinus sind auf diesen Intervallen streng monoton und daher umkehrbar.

    Zusammen mit dem Arkustangens als Umkehrfunktion des (ebenfalls geeignet eingeschränkten) Tangens bilden der Arkussinus und Arkuskosinus den Kern der Klasse der Arkusfunktionen. Aufgrund der in neuerer Zeit für Umkehrfunktionen gebräuchlichen Schreibweise f−1 beginnen die namentlich auf Taschenrechnern verbreiteten Schreibweisen sin−1 und cos−1 die klassische Schreibweise arcsin bzw. arccos zu verdrängen, was eventuell zu Verwechslungen mit den Kehrwerten des Sinus und Kosinus (Kosekans und Sekans) führen kann.[2]

    Im wissenschaftlichen Bereich werden Winkel im Bogenmaß angegeben.[3] Mit dieser Maßeinheit ist die Sinusfunktion 2π-periodisch. Da sie innerhalb einer Periode nicht injektiv ist, muss ihr Definitionsbereich geeignet eingeschränkt werden, um eine umkehrbar-eindeutige Funktion zu erhalten. Hierfür gibt es mehrere Möglichkeiten, weshalb man von Zweigen des Arkussinus spricht. Meist wird der Hauptzweig (oder Hauptwert)

    arcsin⁡:[−1,1]→[−π2,π2],

    die Umkehrfunktion der Einschränkung der Sinusfunktion auf das Intervall [−π/2,π/2], betrachtet.

    Analog zum Arkussinus wird der Hauptzweig des Arkuskosinus als die Umkehrfunktion der Einschränkung der Kosinusfunktion auf das Intervall [0,π] definiert. Dies ergibt mit

    arccos⁡:[−1,1]→[0,π]

    ebenfalls eine bijektive Funktion. Mittels

    arccos⁡(x)+arcsin⁡(x)=π2

    lassen sich diese beiden Funktionen ineinander umrechnen.

    In den Anwendungsdisziplinen und insbesondere im technischen Bereich werden Winkel häufig in Grad gemessen. Der Hauptzweig der Sinusfunktion ist dann das Intervall [−90∘,90∘] und der Hauptzweig der Kosinusfunktion das Intervall [0,180∘]. Entsprechend lauten die Wertebereiche des Arkussinus und Arkuskosinus.

      Arkussinus Arkuskosinus
    Funktionsgraph Arcsin Arccos
    Definitionsmenge [−1,1] [−1,1]
    Bildmenge [−π2,π2] [0,π]
    Monotonie streng monoton steigend streng monoton fallend
    Symmetrien Ungerade Funktion (Punktsymmetrie zu (0,0)):
    arcsin⁡(−x)=−arcsin⁡(x)
    Punktsymmetrie zu (0,π2):
    arccos⁡(x)=π−arccos⁡(−x)
    Asymptoten keine keine
    Nullstellen Eine Nullstelle bei x=0 Eine Nullstelle bei x=1
    Sprungstellen keine keine
    Polstellen keine keine
    Extrema Globales Maximum π2 an der Stelle 1,
    globales Minimum −π2 an der Stelle −1
    Globales Maximum π an der Stelle −1,
    globales Minimum 0 an der Stelle 1
    Wendepunkte (0,0) (0,π2)

    Formeln für negative Argumente

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    Aufgrund der Symmetrieeigenschaften gilt:

    arcsin⁡(−x)=−arcsin⁡(x)
    arccos⁡(−x)=π−arccos⁡(x)

    Reihenentwicklungen

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    Die Taylorreihe des Arkussinus erhält man durch Entwickeln der Ableitung in eine binomische Reihe und anschließende Integration, sie ist gegeben durch:[4]

    arcsin⁡(x)=∑k=0∞(2k−1)!!(2k)!!x2k+12k+1=∑k=0∞(2kk)x2k+14k(2k+1)=∑k=0∞CBC⁡(k)4k(2k+1)x2k+1==x+12⋅x33+1⋅32⋅4⋅x55+1⋅3⋅52⋅4⋅6⋅x77+⋯

    Die Taylorreihe des Arkuskosinus ergibt sich aus der Beziehung arccos⁡x=π2−arcsin⁡x:

    arccos⁡(x)=π2−∑k=0∞(2k−1)!!(2k)!!x2k+12k+1=π2−∑k=0∞(2kk)x2k+14k(2k+1)

    Beide Reihen haben den Konvergenzradius 1.

    Das Symbol !! steht dabei für die Doppelfakultät und mit dem Ausdruck CBC wird der Zentralbinomialkoeffizient bezeichnet:

    CBC⁡(k)=(2kk)=(2k)!(k!)2

    Im Gegensatz zum Arkussinus selbst hat das Quadrat des Arkussinus in dessen MacLaurinschen Reihe den Zentralbinomialkoeffizienten[5] nicht im Zähler, sondern im Nenner:

    arcsin⁡(x)2=∑n=1∞22n−1n2CBC⁡(n)x2n==x2+13⋅x4+845⋅x6+435⋅x8+⋯

    Das Gleiche gilt somit auch für den Quotienten aus Arkussinus und Pythagoräischer Gegenstückfunktion:

    arcsin⁡(x)1−x2=∑n=1∞22n−1nCBC⁡(n)x2n−1=x+23⋅x3+815⋅x5+1635⋅x7+⋯

    Verkettungen mit Sinus und Kosinus

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    Für die Arkusfunktionen gelten unter anderem folgende Formeln:

    sin⁡(arccos⁡(x))=1−x2, denn für y=arccos⁡(x) gilt y∈[0,π] und sin⁡(y)=1−cos2(y).
    cos⁡(arcsin⁡(x))=1−x2, denn für y=arcsin⁡(x) gilt y∈[−π2,π2] und cos⁡(y)=1−sin2(y).
    sin⁡(arctan⁡(x))=x1+x2, denn für y=arctan⁡(x) gilt y∈]−π2,π2[ und sin⁡(y)=tan⁡(y)1+tan2(y).
    cos⁡(arctan⁡(x))=11+x2, denn für y=arctan⁡(x) gilt y∈]−π2,π2[ und cos⁡(y)=11+tan2(y).

    Beziehung zum Arkustangens

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    Von besonderer Bedeutung in älteren Programmiersprachen ohne implementierte Arkussinus- und Arkuskosinusfunktion sind folgende Beziehungen, die es ermöglichen, den Arkussinus und Arkuskosinus aus dem vielleicht implementierten Arkustangens zu berechnen. Aufgrund obiger Formeln gilt

    arcsin⁡(x)=arctan⁡(x1−x2)
    arccos⁡(x)=π2−arctan⁡(x1−x2)

    für |x|<1. Definiert man arctan⁡(10):=limt→∞arctan⁡(t)=π2, so werden diese beiden Gleichungen auch für x=±1 richtig. Alternativ dazu kann man auch

    arcsin⁡(x)=2arctan⁡(x1+1−x2)
    arccos⁡(x)=π2−2arctan⁡(x1+1−x2)

    verwenden, was sich aus Obigem durch Anwenden der Funktionalgleichung des Arkustangens ergibt und für |x|≤1 gilt. Für −1<x≤1 lässt sich Letzteres auch zu

    arccos⁡(x)=2arctan⁡(1−x1+x)

    vereinfachen.

    Additionstheoreme

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    Die Additionstheoreme für Arkussinus und Arkuskosinus erhält man mit Hilfe der Additionstheoreme für Sinus und Kosinus:

    arcsin⁡x+arcsin⁡y={arcsin⁡(sin⁡(arcsin⁡x+arcsin⁡y))=arcsin⁡(x1−y2+y1−x2)wennxy≤0oderx2+y2≤1π−arcsin⁡(sin⁡(arcsin⁡x+arcsin⁡y))=π−arcsin⁡(x1−y2+y1−x2)wennx>0undy>0undx2+y2>1−π−arcsin⁡(sin⁡(arcsin⁡x+arcsin⁡y))=−π−arcsin⁡(x1−y2+y1−x2)wennx<0undy<0undx2+y2>1arccos⁡x+arccos⁡y={arccos⁡(cos⁡(arccos⁡x+arccos⁡y))=arccos⁡(xy−1−x21−y2)wennx+y≥02π−arccos⁡(cos⁡(arccos⁡x+arccos⁡y))=2π−arccos⁡(xy−1−x21−y2)wennx+y<0

    Daraus folgt insbesondere für doppelte Funktionswerte

    2arcsin⁡x={arcsin⁡(2x1−x2)wenn2x2≤1π−arcsin⁡(2x1−x2)wennx>0und2x2>1−π−arcsin⁡(2x1−x2)wennx<0und2x2>1
    2arccos⁡x={arccos⁡(2x2−1)wennx≥02π−arccos⁡(2x2−1)wennx<0
    Arkussinus
    ddxarcsin⁡(x)=11−x2,−1<x<1
    Arkuskosinus
    ddxarccos⁡(x)=−11−x2,−1<x<1
    Umrechnung
    ddxarccos⁡(x)=−ddxarcsin⁡(x)

    Standardisierte Integraldarstellungen

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    Die Integraldarstellungen des Arkussinus bzw. Arkuskosinus sind gegeben durch:

    arcsin⁡(x)=∫0xdt1−t2=∫01x1−x2y2dy
    arccos⁡(x)=∫x1dt1−t2=π2−∫01x1−x2y2dy

    Integralidentität mit dem Logarithmus naturalis

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    Auch mit dem Logarithmus naturalis kann für den Arkussinus eine Integralidentität aufgestellt werden:

    11−x2=∫014(y2+1)π[(y2+1)2−4x2y2]dy

    Durch Bildung der Ursprungsstammfunktion bezüglich x entsteht folgende Formel:

    arcsin⁡(x)=∫011πyln⁡(y2+2xy+1y2−2xy+1)dy

    Die nun gezeigte Integralidentität wurde durch den Mathematiker James Harper entdeckt und in seinen Werken A simple proof of 1+1/22+1/32+…=π2/6 und Another simple proof of 1+1/22+1/32+…=π2/6[6] aus dem Jahre 2003 behandelt. James Harper löste damit unter anderem das Basler Problem und konnte einige weitere Integralidentitäten aufstellen, welche das Bindeglied zwischen den Arkusfunktionen und den Areafunktionen beziehungsweise Logarithmusfunktionen darstellen. Beispielsweise gilt folgendes Integral:

    ∫011yln⁡(y2+y+1y2−y+1)dy=π26

    Eine analoge Integralidentität nach demselben Grundmuster kann für das Quadrat des Arkuskosinus hervorgebracht werden:

    arccos⁡(x)2=π23−∫012yln⁡(y2+2xy+1)dy

    Integralidentität mit dem Areatangens hyperbolicus

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    Mit dem Areatangens hyperbolicus kann für den Arkussinus eine Integralidentität aufgestellt werden:

    2arcsin⁡(x)1−x2=∫012x(1−x2)(1−x2y2)dy

    Durch Bildung der Ursprungsstammfunktion bezüglich x entsteht folgende Formel:

    arcsin⁡(x)2=∫012y[artanh⁡(y)−artanh⁡(1−x2y1−x2y2)]dy

    Wenn der Grenzwert von dieser Identität für x=1 berechnet wird, dann entsteht für dieses Integral über den Areatangens hyperbolicus folgende Identität:

    ∫011yartanh⁡(y)dy=π28

    Mit dieser Formel kann das Basler Problem bewiesen werden:

    ∫011yartanh⁡(y)dy=∫01(1y∑n=1∞12n−1y2n−1)dy=∑n=1∞1(2n−1)2

    Daraus folgt:

    ∑n=1∞1(2n−1)2=π28

    Stammfunktionen von Arkussinus und Arkuskosinus

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    Arkussinus
    ∫arcsin⁡(x)dx=xarcsin⁡(x)+1−x2+C
    Arkuskosinus
    ∫arccos⁡(x)dx=xarccos⁡(x)−1−x2+C

    Stammfunktion des kardinalisierten Arkussinus

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    Die durch x↦arcsin⁡(x)x definierte Funktion wird als kardinalisierter Arkussinus bezeichnet. Eine Stammfunktion davon ist das sogenannte Arkussinusintegral, eine nicht elementare Funktion:

    ∫0x1yarcsin⁡(y)dy=∫011zarcsin⁡(xz)dz=Si2(x)

    Komplexe Argumente

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    arcsin⁡(a+bi)=sgn+⁡a2⋅arccos((a2+b2−1)2+4b2−(a2+b2))+i⋅sgn+⁡b2⋅arcosh((a2+b2−1)2+4b2+(a2+b2))   mit a,b∈ℝ
    arccos⁡(a+bi)=π2−arcsin⁡(a+bi)

    Zur Funktion arcosh siehe Areakosinus hyperbolicus, und für die Funktion sgn+⁡:ℝ→{−1,1} gilt

    sgn+⁡(x):=2⋅Θ(x)−1={+1für x≥0−1für x<0

    mit der Heaviside-Funktion Θ.

    Wichtige Funktionswerte

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    Siehe auch: Sinus und Kosinus: Wichtige Funktionswerte

    Die folgende Tabelle listet die wichtigen Funktionswerte der beiden Arkusfunktionen auf.

    x arcsin⁡(x) arccos⁡(x)
    0 0∘ 0 90∘ π2
    12 30∘ π6 60∘ π3
    122 45∘ π4 45∘ π4
    123 60∘ π3 30∘ π6
    1 90∘ π2 0∘ 0

    Weitere wichtige Werte sind:

    x arcsin⁡(x) arccos⁡(x)
    14(6−2) 15∘ π12 75∘ 5π12
    14(5−1) 18∘ π10 72∘ 2π5
    1410−25 36∘ π5 54∘ 3π10
    14(1+5) 54∘ 3π10 36∘ π5
    1410+25 72∘ 2π5 18∘ π10
    14(6+2) 75∘ 5π12 15∘ π12

    Kettenbruchdarstellung des Arkussinus

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    H. S. Wall fand 1948 für den Arkussinus folgende Darstellung als Kettenbruch:

    arcsin⁡(x)=x1−x21−1⋅2x23−1⋅2x25−3⋅4x27−3⋅4x29−5⋅6x211−…

    Komplexe Funktion

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    Man kann Arkussinus und Arkuskosinus auch durch den Hauptzweig des komplexen Logarithmus ausdrücken:

    arcsin⁡z=−iln⁡(iz+1−z2)
    arccos⁡z=−iln⁡(z+i1−z2)

    Diese beiden Formeln kann man wie folgt herleiten:

    Für arcsin⁡z:

    sin⁡(x)=eix−e−ix2ieix−e−ix2i=zeix−1eix=2zi(eix)2−1=2zieix(eix)2−2zieix−1=0eix=−−2zi2±(−2zi2)2−(−1)eix=zi±1−z2ix=ln⁡(zi±1−z2)x=ln⁡(zi±1−z2)ix=ln⁡(zi±1−z2)ii2x=ln⁡(zi±1−z2)i−1x=−iln⁡(zi±1−z2)arcsin⁡z=−iln⁡(zi±1−z2)

    Für arccos⁡z:

    cos⁡(x)=eix+e−ix2eix+e−ix2=zeix+1eix=2z(eix)2+1=2zeix(eix)2−2zeix+1=0eix=−−2z2±(−2z2)2−1eix=z±z2−1ix=ln⁡(z±i1−z2)x=ln⁡(z±i1−z2)ix=ln⁡(z±i1−z2)ii2x=ln⁡(z±i1−z2)i−1x=−iln⁡(z±i1−z2)arccos⁡z=−iln⁡(z±i1−z2)
    • James D. Harper: A simple proof of 1+1/22+1/32+…=π2/6 The American Mathematical Monthly 109(6) (Jun. – Jul., 2003) 540–541.

    Einzelnachweise

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    1. ↑ Wolfgang Zeuge: Nützliche und schöne Geometrie. 3.3 Die Umkehrfunktionen. Springer Spektrum, Berlin 2021, ISBN 978-3-662-63831-6, S. 46.
    2. ↑ Eric W. Weisstein: Inverse Trigonometric Functions. In: MathWorld (englisch).
    3. ↑ Tilo Arens et al.: Mathematik. 5. Auflage. Springer, Berlin, Heidelberg 2022, ISBN 978-3-662-64388-4, S. 126.
    4. ↑ Ilʹja N. Bronštejn: Taschenbuch der Mathematik. 11., aktualisierte Auflage. Haan-Gruiten 2020, ISBN 978-3-8085-5792-1, S. 1079.
    5. ↑ Derrick Henry Lehmer: Interesting Series Involving the Central Binomial Coefficient. Volume 92, 1985. Seite 452
    6. ↑ James D.Harper, Another simple proof of 1+122+132+⋯=π26, American Mathematical Monthly, Band 110, Nr. 6, 2003, S. 540–541