反三角函數計算機

以逐步解題計算 arcsin、arccos 與 arctan
arcsin(1/2)
arccos(-sqrt(2)/2)
arctan(sqrt(3))
sin(arccos(3/5))

什麼是反三角函數?

反三角函數是標準三角函數的反運算。給定一個比值,它們回傳一個角度:

arcsin⁡(x)=θ  ⟺  sin⁡(θ)=x\arcsin(x) = \theta \iff \sin(\theta) = x
arccos⁡(x)=θ  ⟺  cos⁡(θ)=x\arccos(x) = \theta \iff \cos(\theta) = x
arctan⁡(x)=θ  ⟺  tan⁡(θ)=x\arctan(x) = \theta \iff \tan(\theta) = x

由於三角函數不是一對一的,我們限制其定義域以定義恰當的反函數:

函數定義域值域(主值)
arcsin⁡(x)\arcsin(x)[−1,1][-1, 1][−π2,π2]\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]
arccos⁡(x)\arccos(x)[−1,1][-1, 1][0,π][0, \pi]
arctan⁡(x)\arctan(x)(−∞,∞)(-\infty, \infty)(−π2,π2)\left(-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right)

替代記號:sin⁡−1(x)\sin^{-1}(x)、cos⁡−1(x)\cos^{-1}(x)、tan⁡−1(x)\tan^{-1}(x)(注意:sin⁡−1(x)≠1sin⁡x\sin^{-1}(x) \neq \frac{1}{\sin x})。

關鍵關係:

  • 對所有 x∈[−1,1]x \in [-1, 1] 都有 arcsin⁡(x)+arccos⁡(x)=π2\arcsin(x) + \arccos(x) = \frac{\pi}{2}
  • 對所有 xx 都有 arctan⁡(x)+arccot(x)=π2\arctan(x) + \text{arccot}(x) = \frac{\pi}{2}

反三角函數出現在積分(∫11+x2 dx=arctan⁡x+C\int \frac{1}{1+x^2}\,dx = \arctan x + C)、幾何、導航與物理中。

如何計算反三角函數

方法 1:使用已知值

對於標準值,反向使用單位圓:

arcsin⁡(12)=π6因為 sin⁡π6=12\arcsin\left(\frac{1}{2}\right) = \frac{\pi}{6} \quad \text{因為 } \sin\frac{\pi}{6} = \frac{1}{2}

常見精確值:

輸入arcsin⁡\arcsinarccos⁡\arccosarctan⁡\arctan
0000π2\frac{\pi}{2}00
12\frac{1}{2}π6\frac{\pi}{6}π3\frac{\pi}{3}—
22\frac{\sqrt{2}}{2}π4\frac{\pi}{4}π4\frac{\pi}{4}—
32\frac{\sqrt{3}}{2}π3\frac{\pi}{3}π6\frac{\pi}{6}—
11π2\frac{\pi}{2}00π4\frac{\pi}{4}
3\sqrt{3}——π3\frac{\pi}{3}

方法 2:直角三角形法

要計算像 cos⁡(arcsin⁡(35))\cos(\arcsin(\frac{3}{5})) 這樣的複合運算:

  1. 令 θ=arcsin⁡(35)\theta = \arcsin(\frac{3}{5}),所以 sin⁡θ=35\sin\theta = \frac{3}{5}
  2. 畫一個直角三角形:對邊 =3= 3,斜邊 =5= 5
  3. 求鄰邊 =25−9=4= \sqrt{25 - 9} = 4(畢氏定理)
  4. 因此 cos⁡θ=45\cos\theta = \frac{4}{5}

方法 3:代數恆等式

用於化簡的有用恆等式:

sin⁡(arccos⁡x)=1−x2\sin(\arccos x) = \sqrt{1 - x^2}
cos⁡(arcsin⁡x)=1−x2\cos(\arcsin x) = \sqrt{1 - x^2}
tan⁡(arcsin⁡x)=x1−x2\tan(\arcsin x) = \frac{x}{\sqrt{1 - x^2}}
sin⁡(arctan⁡x)=x1+x2\sin(\arctan x) = \frac{x}{\sqrt{1 + x^2}}
cos⁡(arctan⁡x)=11+x2\cos(\arctan x) = \frac{1}{\sqrt{1 + x^2}}

方法 4:反三角函數的導數

這些對微積分至關重要:

ddxarcsin⁡x=11−x2\frac{d}{dx}\arcsin x = \frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
ddxarccos⁡x=−11−x2\frac{d}{dx}\arccos x = -\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}
ddxarctan⁡x=11+x2\frac{d}{dx}\arctan x = \frac{1}{1+x^2}

方法比較

方法最適用於關鍵特徵
已知值標準比值輸入為 0,12,22,32,10, \frac{1}{2}, \frac{\sqrt{2}}{2}, \frac{\sqrt{3}}{2}, 1
直角三角形複合運算cos⁡(arcsin⁡(⋅))\cos(\arcsin(\cdot)) 型算式
恆等式代數化簡需消去反三角函數
計算機非標準小數不期望有精確形式

應避免的常見錯誤

  • 混淆 sin⁡−1(x)\sin^{-1}(x) 與 1sin⁡x\frac{1}{\sin x}:記號 sin⁡−1(x)\sin^{-1}(x) 表示 arcsin,而非餘割。利用上下文或優先使用「arc」記號以避免混淆。
  • 忽略主值範圍:arcsin⁡(−12)=−π6\arcsin(-\frac{1}{2}) = -\frac{\pi}{6},而非 11π6\frac{11\pi}{6}。答案必須落在定義範圍 [−π2,π2][-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}] 內。
  • 錯誤套用消去:對 x∈[−1,1]x \in [-1,1] 有 sin⁡(arcsin⁡x)=x\sin(\arcsin x) = x,但 arcsin⁡(sin⁡x)=x\arcsin(\sin x) = x 只在 x∈[−π2,π2]x \in [-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}] 時成立。在此範圍外,你會得到帶適當正負號的參考角。
  • 定義域錯誤:arcsin⁡(2)\arcsin(2) 與 arccos⁡(−3)\arccos(-3) 在實數範圍內無定義,因為它們的定義域為 [−1,1][-1, 1]。
  • 畢氏步驟的正負號錯誤:使用直角三角形法時,務必根據主值範圍所隱含的象限取正確的正負號。

Examples

Step 1: 我們需要 θ∈[0,π]\theta \in [0, \pi] 使得 cos⁡θ=−32\cos\theta = -\frac{\sqrt{3}}{2}
Step 2: 我們知道 cos⁡π6=32\cos\frac{\pi}{6} = \frac{\sqrt{3}}{2}。由於餘弦為負,θ\theta 在第二象限
Step 3: θ=π−π6=5π6\theta = \pi - \frac{\pi}{6} = \frac{5\pi}{6}
Answer: 5π6\frac{5\pi}{6}

Step 1: 令 θ=arctan⁡43\theta = \arctan\frac{4}{3},所以 tan⁡θ=43\tan\theta = \frac{4}{3} 且 θ∈(−π2,π2)\theta \in (-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2})
Step 2: 畫直角三角形:對邊 =4= 4,鄰邊 =3= 3,斜邊 =16+9=5= \sqrt{16 + 9} = 5
Step 3: sin⁡θ=對邊斜邊=45\sin\theta = \frac{\text{對邊}}{\text{斜邊}} = \frac{4}{5}
Answer: 45\frac{4}{5}

Step 1: 先計算 sin⁡5π4\sin\frac{5\pi}{4}。此角在第三象限,參考角為 π4\frac{\pi}{4}:sin⁡5π4=−22\sin\frac{5\pi}{4} = -\frac{\sqrt{2}}{2}
Step 2: 現在求 arcsin⁡(−22)\arcsin(-\frac{\sqrt{2}}{2}):我們需要 θ∈[−π2,π2]\theta \in [-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}] 且 sin⁡θ=−22\sin\theta = -\frac{\sqrt{2}}{2}
Step 3: θ=−π4\theta = -\frac{\pi}{4}(在受限範圍的第四象限)
Answer: −π4-\frac{\pi}{4}

Frequently Asked Questions

Arcsin(x) 回答「哪個角的正弦值為 x?」arccos 與 arctan 同理。它們是 sin、cos、tan 的反運算。例如,arcsin(1/2) = 30 度(或 pi/6 弧度),因為 sin(30 度) = 1/2。

因為正弦、餘弦與正切是週期性的,每個輸出值對應無限多個角。為使反函數成為恰當的函數(每個輸入對應一個輸出),我們限制在主值範圍。arcsin 為 [-pi/2, pi/2],arccos 為 [0, pi],arctan 為 (-pi/2, pi/2)。

不。sin^(-1)(x) 表示 arcsin(x),即反函數。倒數 1/sin(x) 寫作 csc(x)(餘割)。由於指數記號的模糊性,這是常見的混淆來源。

Arcsin 與 arccos 只接受介於 -1 與 1(含)之間的輸入,因為正弦與餘弦永遠不超出該範圍。Arctan 接受任意實數作為輸入,因為正切能產生任意實數值。

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