y=arcsinxy = \arcsin x

逆正弦 y=arcsinxy = \arcsin x

arcsinx\arcsin x(逆正弦、アークサイン)は、正弦関数 sin\sin の逆関数です1sin\sin は周期関数なので全区間では一対一になりません。そこで単調に増加する区間 [π2,π2]\left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right] に制限し、その逆関数(主値)を arcsin\arcsin と定めます。

定義

y=arcsinxy = \arcsin x は、次の 22 つを同時に満たす yy です。

  • siny=x\sin y = x
  • π2yπ2-\dfrac{\pi}{2} \leq y \leq \dfrac{\pi}{2}

定義域と値域

定義域は区間 [1,1][-1, 1] です。sin\sin の値が 1-1 から 11 までしかとらないためです。値域は区間 [π2,π2]\left[-\dfrac{\pi}{2}, \dfrac{\pi}{2}\right] になります。

対称性と増減

arcsin(x)=arcsinx\arcsin(-x) = -\arcsin x が成り立つ奇関数で、グラフは原点対称です。導関数は次のとおりです。

ddxarcsinx=11x2(1<x<1)\frac{d}{dx}\arcsin x = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}} \quad (-1 < x < 1)

つねに正なので、定義域全体で単調に増加します。

特徴的な値

xxarcsinx\arcsin x
1-1π2-\dfrac{\pi}{2}
0000
12\dfrac{1}{2}π6\dfrac{\pi}{6}
22\dfrac{\sqrt{2}}{2}π4\dfrac{\pi}{4}
32\dfrac{\sqrt{3}}{2}π3\dfrac{\pi}{3}
11π2\dfrac{\pi}{2}

端点での接線

両端 x=±1x = \pm 1 では導関数の分母が 00 に近づくため傾きが限りなく大きくなり、接線は垂直になります。もとの sin\sinx=±π2x = \pm\dfrac{\pi}{2} で水平な接線をもつことが、逆関数では垂直な接線として現れます。原点付近では arcsinxx\arcsin x \approx x です。

逆余弦との関係

arcsinx+arccosx=π2\arcsin x + \arccos x = \frac{\pi}{2}

つまり両者を足すとつねに直角になります。arcsin\arcsin が増える分だけ arccos\arccos が減るので、和は動きません。

級数展開

原点のまわりの展開は次のようになり、区間 [1,1][-1, 1] で収束します。

arcsinx=x+x36+3x540+\arcsin x = x + \frac{x^3}{6} + \frac{3x^5}{40} + \cdots

応用

  • 正弦の値から角度を求める逆問題
  • 単振動や波動の位相の計算
  • 三角形の解法(正弦定理から角を求める)
  • 積分 dx1x2=arcsinx+C\int \frac{dx}{\sqrt{1 - x^2}} = \arcsin x + C
  1. Inverse trigonometric functions、Wikipedia