摘要
本课构造正弦、余弦和正切的反函数。由于这些函数是周期函数,它们不是单射;要求它们的反函数,必须把它们限制在每个值只取一次的区间上:正弦限制在 [−2π,2π] 上,余弦限制在 [0,π] 上,正切限制在 (−2π,2π) 上。本课由按弧长行进的公理(它断言行进点的横坐标在第一个半周中严格递减)推出余弦在 [0,π] 上严格递减;由此并利用对称性,证明正弦和正切在各自的区间上严格递增,且三个限制都是双射;定义反正弦、反余弦和反正切,并把它们的图像作为关于直线 y=x 的反射得到。随后证明联系它们的恒等式,仔细区分 sin(arcsinx)=x(总是成立)与 arcsin(sinx)=x(只在主值区间中成立),并在完整的一周中解方程 sinx=c、cosx=c 和 tanx=c。
学习目标
- 由行进公理推出余弦和正弦在其主值区间上的严格单调性,用它证明正切的单调性,并定义三个反函数及其定义域和值域。
- 把反正弦、反余弦和反正切的图像作为关于直线 y=x 的反射作出,并计算它们在特殊点处的值。
- 证明反三角函数的复合恒等式、对称恒等式与余角恒等式,并化简把三角函数与其反函数结合在一起的表达式。
- 利用反三角函数和单位圆的对称性,在区间 [0,2π) 中解最简三角方程。
三角函数的限制
根据课程 I 中关于函数的运算的课,一个函数有反函数当且仅当它是双射,这时反函数的图像是原函数图像关于直线 y=x 的反射。然而,在关于三角函数及其图像的课中研究的三角函数都不是单射:正弦和余弦的周期为 2π,正切的周期为 π,因此每个值都重复无穷多次。不仅如此,在同一个周期之内值也会重复:由在关于三角比的课中证明的补角的对称性,sin(π−x)=sinx 成立。既然如此,要求这些函数的反函数,就必须把它们限制在一个区间上,使它们在其上是单射并取遍所有的值。所选的区间包含锐角,且函数在其上严格单调。
余弦在 [0,π] 上严格递减;正弦在 [−2π,2π] 上严格递增,正切在 (−2π,2π) 上严格递增。
这里用到通过单位圆上的点 P(θ)=(cosθ,sinθ) 给出的正弦与余弦的定义(见关于三角比的课),以及在关于角及其度量的课中承认的按弧长行进的公理。余弦的单调性正是该公理的半周性质的转述;正弦和正切的单调性由它证明。
证明
- 1
设 α 与 β 满足 0≤α<β≤π。点 P(α) 与 P(β) 是两条弧的终点,这两条弧的长分别为 α 与 β,都从 (1,0) 出发按逆时针方向前进;这两点都在行进的第一个半周中,而第一个半周覆盖上半圆。
- 2
由公理的半周性质,在第一个半周中,行进点的横坐标严格递减:P(α) 的横坐标大于 P(β) 的横坐标。由于按定义余弦就是 P(θ) 的横坐标,横坐标之间的不等式就是余弦之间的不等式。
- 3
现在设 −2π≤α<β≤2π。它们的余角满足 2π−β<2π−α,并且在 [0,π] 中;由余角的对称性,一个角的正弦是它的余角的余弦,又因为余弦在 [0,π] 上递减,所以正弦在 [−2π,2π] 上递增。
- 4
对于正切,设 0≤α<β<2π。由前面几步,0≤sinα<sinβ 且 cosα>cosβ>cos2π=0。先增大分子、再减小分母(二者都为正),商就增大。
- 5
正切是奇函数,因为它是奇函数正弦与偶函数余弦之商。若 −2π<α<β≤0,则它们的相反数满足 0≤−β<−α,变号后,紧接在前的那一步中的不等式反向;若 α<0<β,则正切在 α 处为负,在 β 处为正。所以,正切在整个区间 (−2π,2π) 上递增。
双射限制
根据关于函数的运算的课中的单调函数定理,每个严格单调函数都是单射。剩下要证明的是:每个限制都取遍其值域中的所有值。
正弦限制在 [−2π,2π] 上,是到 [−1,1] 上的双射;余弦限制在 [0,π] 上,是到 [−1,1] 上的双射;正切限制在 (−2π,2π) 上,是到 R 上的双射。
单射性由上面的定理得出。每个限制都取遍它的所有值,这一点由行进公理的覆盖性质(单位圆上的每一点都是一条从 (1,0) 出发的弧的终点)以及“一周不重复点”的引理得出,二者都来自关于角及其度量的课。
证明
- 1
由上面的定理,三个限制都严格单调,而每个严格单调函数都是单射:上半圆上两个不同的角有不同的横坐标。
- 2
设 c 满足 −1≤c≤1。下面的点 Q 在单位圆上;由覆盖性质以及一周不重复点,它是 P(θ),这里 θ 是 [0,2π) 中唯一的一个。
- 3
Q 的纵坐标不是负数,而根据关于三角比的课中各象限的符号,正弦在 (π,2π) 上为负:所以这个 θ 在 [0,π] 中,并且它的余弦是 c。限制后的余弦取遍 [−1,1] 中的所有值。
- 4
由余角的对称性,2π−θ 的正弦是 θ 的余弦,当 θ 取遍 [0,π] 时,它的余角取遍 [−2π,2π]:限制后的正弦也取遍 [−1,1] 中的所有值。
- 5
对于正切,关于三角函数及其图像的课中的正切性质定理指出,它的值域是 R:给定 m,过原点、斜率为 m 的直线与右半圆交于一点 P(x),这里 x 介于 −2π 与 2π 之间。这一点也可以由周期性看出:若 tanx=m,则从 x 中减去 π 的一个整数倍(如同化到第一周时那样),就得到该区间中正切相同的一个数。
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