微积分 · 追问笔记
THE CALCULUS LIFESAVER / 第 10 章

反函数与反三角函数

利用反函数关系求导,并把主值范围当成反三角计算的一部分。

4 组核心追问3 组练习原书 pp. 201–224

先修:第 1、8、9 章

这一章怎么读
  1. 先看问题,暂停一下,用自己的话作答。
  2. 卡住时只展开提示,再阅读推理与公式。
  3. 独立做三组练习;隔一天不看解答重做错题。

建议将一章分成数次学习;以能解释理由、独立做题为进度标准。

本章目录10.1 反函数与斜率10.2.1–10.2.3 常用反三角函数10.2.4–10.2.6 其他反三角与化简10.3 反双曲函数
追问 01

10.1 反函数与斜率

没有反函数的显式公式,也能求它的导数吗?

先看一个提示

f(y)=xf(y)=xxx 求导。

展开推理与讲解

在一个区间上,导数始终为正可保证严格递增,从而对值域有逆。若 f(a)=bf(a)=bf(a)0f'(a)\ne0,反函数在对应点的斜率是其倒数。先找原函数中哪个输入对应 bb,再代入导数,不能错误使用 1/f(b)1/f'(b)

(f1)(b)=1f(a),f(a)=b(f^{-1})'(b)=\frac1{f'(a)},\quad f(a)=b
追问 02

10.2.1–10.2.3 常用反三角函数

为什么 arcsin(sinx)\arcsin(\sin x) 不总等于 xx

先看一个提示

反函数只能返回所选主值区间中的角。

展开推理与讲解

arcsin\arcsin 值域为 [π/2,π/2][-\pi/2,\pi/2]arccos\arccos[0,π][0,\pi]arctan\arctan(π/2,π/2)(-\pi/2,\pi/2)。前两者定义域为 [1,1][-1,1],导数在内部成立;反正切定义域为实数。通过隐式求导与主值区间的符号可推出公式。

(arcsinx)=11x2,(arccosx)=11x2,(arctanx)=11+x2(\arcsin x)'=\frac1{\sqrt{1-x^2}},\quad(\arccos x)'=-\frac1{\sqrt{1-x^2}},\quad(\arctan x)'=\frac1{1+x^2}
追问 03

10.2.4–10.2.6 其他反三角与化简

反正割导数为什么带绝对值?

先看一个提示

主值范围中余弦与正割的符号不固定。

展开推理与讲解

按原书常用约定,反正割值域取 [0,π]{π/2}[0,\pi]\setminus\{\pi/2\},反余割取 [π/2,π/2]{0}[-\pi/2,\pi/2]\setminus\{0\},反余切取 (0,π)(0,\pi)。前两者输入满足 x1\lvert x\rvert\ge1。不同教材约定可能不同,计算前确认范围;嵌套三角函数可用参考角与三角形化简。

(arcsecx)=1xx21,(arccscx)=1xx21,(arccotx)=11+x2(\operatorname{arcsec}x)'=\frac1{\lvert x\rvert\sqrt{x^2-1}},\quad(\operatorname{arccsc}x)'=-\frac1{\lvert x\rvert\sqrt{x^2-1}},\quad(\operatorname{arccot}x)'=-\frac1{1+x^2}
追问 04

10.3 反双曲函数

怎样把反双曲函数化成对数?

先看一个提示

y=arsinhxy=\operatorname{arsinh}x,把 eye^y 当作未知量解二次方程。

展开推理与讲解

双曲正弦在实数上单调,双曲余弦需要限制到非负输入才取常用逆。反双曲正切的定义域为 (1,1)(-1,1)。它们可以用对数与根式显式表示,再求导;反双曲正割、余割、余切可由倒数关系转换,仍要检查定义域。

arsinhx=ln(x+x2+1),arcoshx=ln(x+x21) (x1),artanhx=12ln1+x1x\operatorname{arsinh}x=\ln(x+\sqrt{x^2+1}),\quad\operatorname{arcosh}x=\ln(x+\sqrt{x^2-1})\ (x\ge1),\quad\operatorname{artanh}x=\tfrac12\ln\frac{1+x}{1-x}

本章练习 · 先尝试,再揭示

本书没有独立章末习题集。以下明确区分原书例题、正文结论改编及补充自测;页码是印刷页码,链接另标 PDF 页序。延伸问法已在题目或解答中说明。

练习 1 / 3

原书例题重述 · 10.1.3 · 原书 p. 204(PDF 第 229 页)↗

f(x)=x3/3x2+5x11f(x)=x^3/3-x^2+5x-11,证明它有反函数并求 (f1)(11)(f^{-1})'(-11)

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

把导数配方,随后找 f(a)=11f(a)=-11

提示二 · 关键转折

f(x)=(x1)2+4f'(x)=(x-1)^2+4,而 f(0)=11f(0)=-11

参考解答 · 完成尝试后再展开

导数处处正,函数严格递增;三次首项还保证值域为实数。对应原输入为 0,故 (f1)(11)=1/f(0)=1/5(f^{-1})'(-11)=1/f'(0)=1/5。不需要解出完整的反函数公式。

练习 2 / 3

原书例题重述 · 10.2.6 · 原书 p. 218(PDF 第 243 页)↗

化简 arcsin(sin(13π/10))\arcsin(\sin(13\pi/10))

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

结果必须落在反正弦主值区间。

提示二 · 关键转折

第三象限的参考角为 3π/103\pi/10,正弦为负。

参考解答 · 完成尝试后再展开

具有相同正弦且在 [π/2,π/2][-\pi/2,\pi/2] 的角为 3π/10-3\pi/10。直接消去 arcsin\arcsinsin\sin 得到 13π/1013\pi/10 会超出值域。

练习 3 / 3

补充自测 · 对应 10.2–10.3 · 本笔记编写

arctan(2x)\arctan(2x)arsinhx\operatorname{arsinh}x 的导数。

写下我的思路
提示一 · 从哪里开始

第一问链式法则;第二问可从对数形式出发。

提示二 · 关键转折

ln(x+x2+1)\ln(x+\sqrt{x^2+1}) 求导并约简。

参考解答 · 完成尝试后再展开

依次为 2/(1+4x2)2/(1+4x^2)1/x2+11/\sqrt{x^2+1},定义域均为实数。两者外观相近,但一个分母不带根号,另一个带根号。

学习闭环

过关自查

写一段自己的章节总结

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