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 oder  – und der Arkuskosinus (oder auch Arkuscosinus) – geschrieben oder  – sind Umkehrfunktionen der (geeignet) eingeschränkten Sinus- bzw. Kosinusfunktion. Sinus und Kosinus sind Funktionen, die einen Winkel auf einen Wert im Intervall abbilden; als deren Umkehrfunktionen bilden Arkussinus und Arkuskosinus einen Wert aus wieder auf einen zugehörigen Winkel ab. Da Sinus und Kosinus periodische Funktionen sind, gibt es aber zu jedem Wert aus unendlich viele zugehörige Winkel. Daher wird zur Umkehrung von Sinus und Kosinus deren Definitionsmenge auf das Intervall für Sinus und auf 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 beginnen die namentlich auf Taschenrechnern verbreiteten Schreibweisen und die klassische Schreibweise bzw. zu verdrängen, was eventuell zu Verwechslungen mit den Kehrwerten des Sinus und Kosinus (Kosekans und Sekans) führen kann.[2]

    Die Sinusfunktion ist -periodisch und innerhalb einer Periode nicht injektiv. Daher muss ihr Definitionsbereich geeignet eingeschränkt werden, um eine umkehrbar-eindeutige Funktion zu erhalten. Da es für diese Einschränkung mehrere Möglichkeiten gibt, spricht man von Zweigen des Arkussinus. Meist wird der Hauptzweig (oder Hauptwert)

    die Umkehrfunktion der Einschränkung der Sinusfunktion auf das Intervall betrachtet.

    Analog zum Arkussinus wird der Hauptzweig des Arkuskosinus als die Umkehrfunktion von definiert. Dies ergibt mit

    ebenfalls eine bijektive Funktion. Mittels

    lassen sich diese beiden Funktionen ineinander umrechnen.

      Arkussinus Arkuskosinus
    Funktionsgraph Arcsin Arccos
    Definitionsmenge
    Bildmenge
    Monotonie streng monoton steigend streng monoton fallend
    Symmetrien Ungerade Funktion (Punktsymmetrie zu ):
    Punktsymmetrie zu
    Asymptoten keine keine
    Nullstellen Eine Nullstelle bei Eine Nullstelle bei
    Sprungstellen keine keine
    Polstellen keine keine
    Extrema Globales Maximum an der Stelle ,
    globales Minimum an der Stelle
    Globales Maximum an der Stelle ,
    globales Minimum an der Stelle
    Wendepunkte

    Formeln für negative Argumente

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    Aufgrund der Symmetrieeigenschaften gilt:

    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:

    Die Taylorreihe des Arkuskosinus ergibt sich aus der Beziehung :

    Beide Reihen haben den Konvergenzradius 1.

    Der Ausdruck bezeichnet dabei die Doppelfakultät und mit dem Ausdruck CBC wird der Zentralbinomialkoeffizient bezeichnet:

    So wird der Zentralbinomialkoeffizient mit Hilfe von der Fakultätsfunktion beziehungsweise der Gaußschen Pifunktion definiert.

    Im Gegensatz zum Arkussinus selbst hat das Quadrat des Arkussinus in dessen MacLaurinschen Reihe den Zentralbinomialkoeffizienten[3] nicht im Zähler, sondern im Nenner:

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

    Verkettungen mit Sinus und Kosinus

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    Für die Arkusfunktionen gelten unter anderem folgende Formeln:

    , denn für gilt und .
    , denn für gilt und .
    , denn für gilt und .
    , denn für gilt und .

    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

    für Definiert man so werden diese beiden Gleichungen auch für richtig. Alternativ dazu kann man auch

    verwenden, was sich aus Obigem durch Anwenden der Funktionalgleichung des Arkustangens ergibt und für gilt. Für lässt sich Letzteres auch zu

    vereinfachen.

    Additionstheoreme

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

    Daraus folgt insbesondere für doppelte Funktionswerte

    Arkussinus
    Arkuskosinus
    Umrechnung

    Standardisierte Integraldarstellungen

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    Die Integraldarstellungen des Arkussinus bzw. Arkuskosinus sind gegeben durch:

    Integralidentität mit dem Logarithmus Naturalis

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

    Durch Bildung der Ursprungsstammfunktion bezüglich x entsteht folgende Formel:

    Die nun gezeigte Integralidentität wurde durch den Mathematiker James Harper entdeckt und in seinen Werken A simple proof of und Another simple proof of [4] 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:

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

    Integralidentität mit dem Areatangens Hyperbolicus

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    Und mit dem Areatangens Hyperbolicus kann für den Arkussinus eine Integralidentität aufgestellt werden:

    Durch Bildung der Ursprungsstammfunktion bezüglich x entsteht folgende Formel:

    Wenn der Grenzwert von dieser Identität für berechnet wird, dann entsteht für dieses Integral über den Areatangens Hyperbolicus folgende Identität:

    Und mit dieser Formel kann das Basler Problem bewiesen werden:

    Daraus folgt:

    Stammfunktionen von Arkussinus und Arkuskosinus

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    Arkussinus
    Arkuskosinus

    Stammfunktion des kardinalisierten Arkussinus

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    Wenn der Arkussinus durch die identische Abbildungsfunktion geteilt wird, dann stellt diese Funktion den kardinalisierten Arkussinus dar.

    Die ursprüngliche Stammfunktion des kardinalisierten Arkussinus ist das sogenannte Arkussinusintegral und dies ist eine nicht elemenare Funktion:

    Nach dem Fundamentalsatz der Infinitesimalrechnung gilt somit:

    das bekannteste Beispiel für einen Wert dieser Stammfunktion:

    Mit dem Satz von Fubini kann der nun genannte Wert des Integrals bewiesen werden:

    Mit diesem Arkussinusintegral kann ebenso das sogenannte Arkustangensintegral direkt erzeugt werden:

    Komplexe Argumente

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      mit

    Zur Funktion siehe Areakosinus hyperbolicus, und für die Funktion gilt

    mit der Heaviside-Funktion .

    Wichtige Funktionswerte

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    Siehe auch: Sinus und Kosinus: Wichtige Funktionswerte

    Die folgende Tabelle listet die wichtigen Funktionswerte der beiden Arkusfunktionen auf.[5]

    Weitere wichtige Werte sind:

    Kettenbruchdarstellung des Arkussinus

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

    Komplexe Funktion

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

    Diese beiden Formeln kann man wie folgt herleiten:

    Für :

    Für :

    • James D. Harper: A simple proof of 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. Derrick Henry Lehmer: Interesting Series Involving the Central Binomial Coefficient. Volume 92, 1985. Seite 452
    4. James D.Harper, Another simple proof of , American Mathematical Monthly, Band 110, Nr. 6, 2003, S. 540–541
    5. Georg Hoever: Höhere Mathematik kompakt. Springer Spektrum, Berlin Heidelberg 2014, ISBN 978-3-662-43994-4 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).