arctanx, la tangente inversa o arcotangente, es la inversa de la función tangente tan1. Como tan tiene período π, se restringe al intervalo (−2π,2π), en el que crece, y la inversa de esa restricción, el valor principal, es arctan.
Definición
y=arctanx es el valor y que cumple a la vez las dos condiciones siguientes.
tany=x
−2π<y<2π
Dominio y rango
Como tan toma todos los valores reales en ese intervalo, el dominio de arctan es el conjunto de todos los números reales. El rango es el intervalo abierto (−2π,2π), y los valores de los extremos no se alcanzan nunca.
Simetría y monotonía
Como arctan(−x)=−arctanx, es una función impar y su gráfica es simétrica respecto del origen. La derivada es la siguiente.
dxdarctanx=1+x21
Es siempre positiva, así que la función crece de forma monótona. El denominador no se anula nunca, de modo que la función es suave en toda la recta real, sin ninguna de las tangentes verticales que el arcoseno y el arcocoseno tienen en sus extremos.
Asíntotas
x
arctanx
→−∞
→−2π
−3
−3π
−1
−4π
0
0
1
4π
3
3π
→+∞
→2π
Las asíntotas horizontales y=2π e y=−2π dan una curva suave en forma de S, y los valores no cruzan nunca esas dos rectas.
Punto de inflexión
La segunda derivada es y′′=−(1+x2)22x, cuyo signo cambia solo en x=0. El origen es, por tanto, el único punto de inflexión, y es además el centro de simetría. Cerca de él, arctanx≈x.
Serie y el número π
El desarrollo en torno al origen converge en el intervalo [−1,1].
arctanx=x−3x3+5x5−⋯
Sustituir x=1 y usar arctan1=4π da la serie de Leibniz2.
4π=1−31+51−71+⋯
Su convergencia es lentísima, así que los cálculos prácticos de π usan fórmulas construidas con argumentos menores, como arctan51.
Ángulo polar y atan2
Para hallar el ángulo polar de un punto (x,y), usar arctanxy por sí solo no permite distinguir el primer cuadrante del tercero, ni el segundo del cuarto. Esa ambigüedad es la razón de que casi todos los lenguajes de programación ofrezcan una función aparte de dos argumentos, atan2, que devuelve el ángulo correcto en cualquier dirección.
Aplicaciones
Recuperar un ángulo a partir de una pendiente
La integral ∫1+x2dx=arctanx+C
Los cálculos de fase en procesamiento de señales e ingeniería de control
La rotación y la orientación en informática gráfica