Własności funkcji cyklometrycznych
\[\bigwedge\limits_{x\in\langle 0, \pi \rangle}\quad \arccos(\cos x)=x\]
Własności funkcji cyklometrycznych
\[\bigwedge\limits_{x\in\langle -{\pi\over 2}, {\pi\over 2} \rangle}\ \:\arcsin(\sin x)=x\]
Własności funkcji cyklometrycznych
\[\bigwedge\limits_{x\in\left(-{\pi\over 2}, {\pi\over 2}\right)}\ \!\text{arctg}\, (\text{tg}\, x)=x\]
Własności funkcji cyklometrycznych
\[\bigwedge\limits_{x\in\left(0, \pi\right)}\quad \text{arcctg}\, (\text{ctg}\, x)=x\]
Definicja funkcji arcus sinus
\[ \arcsin :\ \left<-1,1\right> \longrightarrow \left<-{\pi \over 2},{\pi \over 2}\right> \quad \text{oraz} \quad y=\arcsin x \ \Longleftrightarrow\ x=\sin y \]
Definicja funkcji arcus cosinus
\[ \arccos :\ \left<-1,1\right> \longrightarrow \left<0, \pi \right> \quad \text{oraz}\quad y=\arccos x \ \Longleftrightarrow\ x=\cos y \]
Definicja funkcji arcus tangens
\[ \mathrm{arctg}\, :\ \mathbb{R} \longrightarrow \left(-{\pi \over 2},{\pi \over 2}\right) \quad \text{oraz}\quad y=\mathrm{arctg}\, x \ \Longleftrightarrow\ x=\mathrm{tg}\, y \]
Definicja funkcji arcus cotangens
\[ \mathrm{arcctg}\, :\  \mathbb{R} \longrightarrow \left(0, \pi\right) \quad \text{oraz}\quad y=\mathrm{arcctg}\, x \ \Longleftrightarrow\ x=\mathrm{ctg}\, y \]
Nieparzystość funkcji sinus
\[\sin(-x)=-\sin x\]
Wykresy funkcji wykładniczej
Rysunek przedstawiający wykres funkcji wykładniczej, gdy jej podstawa a jest liczbą dodatnią mniejszą niż 1.
Rysunek przedstawiający wykres funkcji wykładniczej, gdy podstawa a jest większa niż 1.
Wykresy funkcji logarytmicznej
Rysunek przedstawiający wykres funkcji logarytmicznej, gdy jej podstawa a jest liczbą dodatnią mniejszą niż 1.
Rysunek przedstawiający wykres funkcji logarytmicznej, gdy podstawa a jest większa niż 1.
Wykres funkcji arcus sinus
obrazek
Wykres funkcji arcus cosinus
obrazek
Wykres funkcji arcus tangens
obrazek
Wykres funkcji arcus cotangens
obrazek

Równania i nierówności cyklometryczne

Rozwiązując równanie cyklometryczne, ustalamy jego dziedzinę, a następnie wykorzystujemy znane wzory i tożsamości cyklometryczne, aby doprowadzić je do postaci \[ f(x)=a, \] gdzie \(f\) jest funkcją cyklometryczną, \(a\in\mathbb{R}\). Jeżeli liczba \(a\) nie należy do zbioru wartości danej funkcji cyklometrycznej, to równanie jest sprzeczne. W przeciwnym wypadku, aby podać rozwiązania uporządkowanego już równania, korzystamy z definicji odpowiedniej funkcji cyklometrycznej \(f\). Podając rozwiązanie równania cyklometrycznego, musimy jeszcze uwzględnić jego dziedzinę.
Zadanie
Rozwiąż równanie:
  1. \(\displaystyle \arcsin x=5\)
    Dziedziną równania jest zbiór \(D=\left<-1,1\right>\). Ponieważ funkcja arcus sinus przyjmuje tylko wartości ze zbioru \(\left<-{\pi \over 2},{\pi \over 2}\right>\), a \(5\notin \left<-1,1\right>\), to równanie jest sprzeczne.
  2. \(\displaystyle \arcsin (5-x)={\pi\over 3}\)
    Dziedzinę równania wyznaczamy z warunku \[ D:\quad -1\leq 5-x \leq 1 \] \[ \quad\quad\quad -6\leq -x \leq -4 \] \[ \quad\quad 6\geq x \geq 4 \] Zatem dziedziną równania jest zbiór \(D=\left<4,6\right>\). Ponieważ \({\pi\over 3}\in\left<-{\pi \over 2},{\pi \over 2}\right> \), to równanie nie jest sprzeczne. Z definicji funkcji arcus sinus wynika, że skoro \(\arcsin(5-x)=\frac{\pi}{3}\), to \[ 5-x=\sin {\pi\over 3}\]\[ 5-x={\sqrt{3}\over 2} \] \[ x=5-{\sqrt{3}\over 2} \] Pozostaje jeszcze sprawdzić, czy \(5-{\sqrt{3}\over 2}\) należy do dziedziny równania. Ponieważ \(\sqrt{3}\in(1,2)\), to \({\sqrt{3}\over 2}\in\left({1\over 2},1\right)\) i \(5-{\sqrt{3}\over 2}\in\left(4,4{1\over 2}\right)\subset D\). Zatem rozwiązaniem równania \(\arcsin (5-x)={\pi\over 3}\) jest \(x=5-{\sqrt{3}\over 2}\).
  3. \(\displaystyle \arccos x^2={\pi\over 2}\)
    Dziedzinę równania wyznaczamy z warunku \[ D:\quad -1\leq x^2\leq 1 \] Zatem \(D=\left<-1,1\right>\). Z definicji funkcji arcus cosinus wynika, że skoro \(\arccos x^2={\pi\over 2}\), to \[ \quad x^2=\cos {\pi\over 2} \] \[ x^2=0\quad \] \[ x=0 \quad \wedge\quad x\in D \] Zatem rozwiązaniem równania \(\arccos x^2={\pi\over 2}\) jest \(x=0\).
  4. \(\displaystyle \text{arctg}\, 4^{x-1}={\pi\over 4}\)
    Dziedziną równania jest zbiór \(D=\mathbb{R}\). Z definicji funkcji arcus tangens wynika, że skoro \(\text{arctg}\, 4^{x-1}={\pi\over 4}\), to \[ 4^{x-1}=\text{tg}\, {\pi\over 4} \] \[ 4^{x-1}=1 \] \[ 4^{x-1}=4^0 \] Funkcja wykładnicza jest różnowartościowa, więc możemy opuścić podstawę \[ x-1=0 \] \[ x=1\quad \wedge\quad 1\in D \] Zatem rozwiązaniem równania \(\text{arctg}\, 4^{x-1}={\pi\over 4}\) jest \(x=1\).
  5. \(\displaystyle \text{arcctg}\, (\log_2 x)={\pi\over 4}\)
    Dziedziną równania jest zbiór \(D=(0,\infty)\), gdyż argumentem logarytmu może być tylko liczba dodatnia. Z definicji funkcji arcus cotangens wynika, że skoro \(\text{arcctg}\, (\log_2 x)={\pi\over 4}\), to \[ \log_2 x=\text{ctg}\, {\pi\over 4} \] \[ \log_2 x=1\qquad \] \[ \log_2 x=\log_2 2 \] Funkcja logarytmiczna jest różnowartościowa, więc możemy porównać argumenty logarytmów \[ x=2\quad \wedge\quad 2\in D \] Zatem rozwiązaniem równania \(\text{arcctg}\, (\log_2 x)={\pi\over 4}\) jest \(x=2\).
  6. \(\displaystyle 3\arcsin x+\arccos x=0\)
    Dziedziną równania jest zbiór \(D=\left<-1,1\right>\). Ponieważ \(\arcsin x+\arccos x={\pi\over 2}\), to równanie możemy przekształcić następująco \[ 3\arcsin x+\arccos x=0 \] \[ 2\arcsin x + \arcsin x +\arccos x=0 \] \[ 2\arcsin x + {\pi\over 2}=0 \] \[ \quad\quad 2\arcsin x =- {\pi\over 2}\ /:2 \] \[ \arcsin x =- {\pi\over 4} \] Z definicji funkcji arcus sinus wynika, że \[ x =\sin\left( -{\pi\over 4}\right) \] Z uwagi na nieparzystości funkcji sinus otrzymujemy \[ x =-\sin{\pi\over 4} \] \[ x =-{\sqrt{2}\over 2} \] Ponieważ \(-{\sqrt{2}\over 2}\in D\), dlatego rozwiazaniem równania jest \(x=-{\sqrt{2}\over 2}\).
Rozwiązując nierówność cyklometryczną, podobnie jak w przypadku równania cyklometrycznego, ustalamy jej dziedzinę i doprowadzamy ją do postaci \[ f(x) <a,\quad f(x)\leq a, \quad f(x)>a\quad \hbox{lub} \quad f(x)\geq a, \] gdzie \(f\) jest funkcją cyklometryczną, \(a\in\mathbb{R}\). Jeżeli liczba \(a\) nie należy do zbioru wartości danej funkcji cyklometrycznej, to nierówność jest sprzeczna albo tożsamościowa. W przeciwnym przypadku korzystamy z definicji funkcji cyklometrycznej \(f\) i zapisujemy liczbę \(a\) w postaci \(a=f(b)\), gdzie \(b\in D_f\). Ponieważ funkcje cyklometryczne są różnowartościowe, to możemy je opuścić. Należy przy tym jednak uwzględnić monotoniczność funkcji \(f\). W przypadku gdy funkcja ta jest rosnąca , opuszczając ją, nie zmieniamy kierunku nierówności. Jeżeli natomiast funkcja \(f\) jest malejąca, to przy jej opuszczaniu zmieniamy kierunek nierówności na przeciwny. Podając rozwiązanie nierówności cyklometrycznej, musimy jeszcze uwzględnić jej dziedzinę.
Zadanie
Rozwiąż nierówność:
  1. \(\displaystyle \arccos x>7\)
    Dziedziną nierówności jest zbiór \(D=\left<-1,1\right>\). Ponieważ funkcja arcus cosinus przyjmuje tylko wartości ze zbioru \(\left<0,\pi\right>\), czyli wartości mniejsze od \(7\), to nierówność jest sprzeczna.
  2. \(\displaystyle \arcsin x<4\)
    Dziedziną nierówności jest zbiór \(D=\left<-1,1\right>\). Ponieważ funkcja arcus sinus przyjmuje tylko wartości ze zbioru \(\left<-{\pi\over 2},{\pi\over 2}\right>\), czyli wartości mniejsze od \(4\), to nierówność jest spełniona dla każdego \(x\in \left<-1,1\right>\).
  3. \(\displaystyle \arccos x\leq {3\over 4}\pi\)
    Dziedziną nierówności jest zbiór \(D=\left<-1,1\right>\). Ponieważ z własności funkcji cyklometrycznych wynika, że \({3\over 4}\pi=\arccos \left(\cos{3\over 4}\pi\right)\), to nierówność możemy zapisać w postaci \[ \arccos x\leq \arccos \left(\cos{3\over 4}\pi\right) \] Funkcja \(y=\arccos x\) jest funkcją malejącą, dlatego opuszczając ją, zmieniamy kierunek nierówności na przeciwny \[ x\geq\cos{3\over 4}\pi \] Korzystamy ze wzoru redukcyjnego i otrzymujemy \[ x\geq\cos\left(\pi-{\pi\over 4}\right) \] \[ x\geq -\cos{\pi\over 4} \] \[ x\geq -{\sqrt{2}\over 2} \] Po uwzględnieniu dziedziny
    Rozwiązanie nierówności zaznaczone na osi Ox.
    otrzymujemy rozwiązanie nierówności \[ x\in\left< -{\sqrt{2}\over 2},1\right> \]
  4. \(\displaystyle \arcsin x<{\pi\over 6}\)
    Dziedziną nierówności jest zbiór \(D=\left<-1,1\right>\). Ponieważ z własności funkcji cyklometrycznych wynika, że \({\pi\over 6}=\arcsin \left(\sin{\pi\over 6}\right)\), to nierówność możemy zapisać w postaci \[ \arcsin x<\arcsin \left(\sin{\pi\over 6}\right) \] \[ \arcsin x<\arcsin{1\over 2} \] Funkcja \(y=\arcsin x\) jest funkcją rosnącą, dlatego opuszczając ją, nie zmieniamy kierunku nierówności \[ x<{1\over 2} \] Po uwzględnieniu dziedziny
    Rozwiązanie nierówności zaznaczone na osi Ox.
    otrzymujemy rozwiązanie nierówności \[ x\in\left<-1,{1\over 2}\right) \]
  5. \(\displaystyle 3\arcsin (2x-1)<\pi\)
    Ponieważ dziedziną funkcji arcus cosinus jest zbiór \(\left<-1,1\right>\), więc argument \(2x-1\) musi spełniać warunek \[ D:\quad -1\leq 2x-1\leq 1 \quad \Longleftrightarrow\quad 0\leq 2x\leq 2 \quad \Longleftrightarrow\quad 0\leq x\leq 1 \] Dziedziną nierówności jest więc zbiór \(D=\left<0,1\right>\). Podzielimy obie strony nierówności przez \(3\) \[ \quad 3\arcsin(2x-1)<\pi \ /:3 \] \[ \arcsin (2x-1)<{\pi\over 3} \] Ponieważ z własności funkcji cyklometrycznych wynika, że \({\pi\over 3}=\arcsin \left(\sin{\pi\over 3}\right)\), dlatego nierówność możemy zapisać w postaci \[ \arcsin (2x-1)<\arcsin \left(\sin{\pi\over 3}\right) \] \[ \arcsin (2x-1)<\arcsin{\sqrt{3}\over 2} \] Funkcja \(y=\arcsin x\) jest funkcją rosnącą, dlatego opuszczając ją, nie zmieniamy kierunku nierówności \[ 2x-1<{\sqrt{3}\over 2} \] \[ \qquad 2x<1+{\sqrt{3}\over 2}\ /:2 \] \[ x<{2+\sqrt{3}\over 4} \] Po uwzględnieniu dziedziny
    Rozwiązanie nierówności zaznaczone na osi Ox.
    otrzymujemy rozwiązanie nierówności \[ x\in\left<0,{2+\sqrt{3}\over 4}\right) \]
  6. \(\displaystyle 5\mathrm{arctg}\, 5x + \mathrm{arctg}\, 5x >{3\over 2}\pi\)
    Dziedziną nierówności jest zbiór \(D=\mathbb{R}\). Ponieważ \(\mathrm{arctg}\, 5x + \mathrm{arcctg}\, 5x={\pi\over 2}\), dlatego możemy przekształcić nierówność w następujący sposób \[ 5\mathrm{arctg}\, 5x + \mathrm{arctg}\, 5x >{3\over 2}\pi \] \[ 4\mathrm{arctg}\, 5x +\mathrm{arctg}\, 5x + \mathrm{arctg}\, 5x >{3\over 2}\pi \] \[ 4\mathrm{arctg}\, 5x +{\pi\over 2} >{3\over 2}\pi \] \[ 4\mathrm{arctg}\, 5x >\pi \] Podzielimy obie strony nierówności przez \(4\) \[ \quad 4\mathrm{arctg}\, 5x>\pi \ /:4 \] \[ \mathrm{arctg}\, 5x>{\pi\over 4} \] Ponieważ z własności funkcji cyklometrycznych wynika, że \({\pi\over 4}=\mathrm{arctg}\, \left(\mathrm{tg}\,{\pi\over 4}\right)\), dlatego nierówność możemy zapisać w postaci \[ \mathrm{arctg}\, 5x>\mathrm{arctg}\, \left(\mathrm{tg}\,{\pi\over 4}\right) \] \[ \mathrm{arctg}\, 5x>\mathrm{arctg}\, 1 \] Funkcja \(y=\mathrm{arctg}\, x\) jest funkcją rosnącą, dlatego opuszczając ją, nie zmieniamy kierunku nierówności \[ \quad 5x>1\ /:5 \] \[ x>{1\over 5} \] Zatem rozwiązaniem nierówności jest \[ x\in\left({1\over 5},\infty\right) \]
  7. \(\displaystyle \mathrm{arcctg}\, (x-2)\geq{\pi\over 6}\)
    Dziedziną nierówności jest zbiór \(D=\mathbb{R}\). Ponieważ z własności funkcji cyklometrycznych wynika, że \({\pi\over 6}=\mathrm{arcctg}\, \left(\mathrm{ctg}\,{\pi\over 6}\right)\), dlatego nierówność możemy zapisać w postaci \[ \mathrm{arcctg}\, (x-2)\geq\mathrm{arcctg}\, \left(\mathrm{ctg}\,{\pi\over 6}\right) \] \[ \mathrm{arcctg}\, (x-2)\geq\mathrm{arcctg}\, \sqrt{3} \] Funkcja \(y=\mathrm{arcctg}\, x\) jest funkcją malejącą, dlatego opuszczając ją, zmieniamy kierunek nierówności na przeciwny \[ x-2\leq \sqrt{3} \] \[ x\leq \sqrt{3} +2 \] Zatem rozwiązaniem nierówności jest \[ x\in\left(-\infty,\sqrt{3} +2\right> \]