Loading [MathJax]/jax/element/mml/optable/BasicLatin.js
Saltar al contenido principal
Library homepage
 

Text Color

Text Size

 

Margin Size

 

Font Type

Enable Dyslexic Font
LibreTexts Español

2.12: Funciones trigonométricas inversas

( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\)

Una aplicación muy útil de la diferenciación implícita es encontrar las derivadas de funciones inversas. Ya hemos utilizado este enfoque para encontrar la derivada de la inversa de la función exponencial — el logaritmo.

Ahora vamos a considerar el problema de encontrar las derivadas de las inversas de las funciones trigonométricas. Ahora es un muy buen momento para volver atrás y releer la Sección 0.6 sobre funciones inversas — especialmente Definición 0.6.4. Lo más importante es que dada una funciónf(x), su función inversaf1(x) sólo existe, con dominioD, cuandof(x) pasa la “prueba de línea horizontal”, que dice que para cada unoY enD la línea horizontaly=Y se cruza la gráficay=f(x) exactamente una vez. (Es decir,f(x) es una función uno a uno.)

Empecemos jugando con la función seno y determinemos cómo restringir el dominio desinx para que exista su función inversa.

Ejemplo 2.12.1 La inversa desin(x).

Vamosy=f(x)=sin(x). Nos gustaría encontrar la función inversa que tomay y nos devuelve unx valor único para quesin(x)=y.

  • Por cada número realY, el número dex -valores que obedecensin(x)=Y, es exactamente el número de veces que la línea recta horizontaly=Y cruza la gráfica desin(x).
  • Cuando1Y1, la línea horizontal cruza la gráfica infinitamente muchas veces. Esto se ilustra en la figura anterior por la líneay=0.3.
  • Por otro lado, cuandoY<1 oY>1, la líneay=Y nunca se cruza con la gráfica desin(x). Esto se ilustra en la figura de arriba por la líneay=1.2.

Esta es exactamente la prueba de línea horizontal y muestra que la función sinusoidal no es uno a uno.

Ahora considere la función

\ begin {align*} y &=\ sin (x) &\ text {con dominio} -\ frac {\ pi} {2}\ leq x\ leq\ frac {\ pi} {2}\ end {align*}

Esta función tiene la misma fórmula pero el dominio ha sido restringido de manera que, como ahora mostraremos, se satisface la prueba de línea horizontal.

Como vimos anteriormente cuando|Y|>1 nox obedecesin(x)=Y y, para cada uno1Y1, la líneay=Y (ilustrada en la figura anterior cony=0.3) cruza la curvay=sin(x) infinitamente muchas veces, de manera que hay infinitamente muchosx los que obedecenf(x)=sinx=Y. Sin embargo exactamente uno de esos cruces (el punto en la figura) tieneπ2xπ2.

Es decir, para cada uno1Y1, hay exactamente unax, llamadaX, que obedece a ambos

\ begin {alinear*}\ sin X &= Y &\ text {y} && -\ frac {\ pi} {2}\ le X\ le\ frac {\ pi} {2}\ end {align*}

Ese valor único, normalmenteX, se denotaarcsin(Y). Eso es

\ begin {alinear*}\ sin (\ arcsin (Y)) &= Y &\ text {y} && -\ frac {\ pi} {2}\ le\ arcsin (Y)\ le\ frac {\ pi} {2}\ end {align*}

Yx,El cambio de nombre de la función inversaarcsin(x) se define para todos1x1 y está determinado por la ecuación

Ecuación 2.12.2

sin(arcsin(x))=xandπ2arcsin(x)π2.

Tenga en cuenta que muchos textos usaránsin1(x) para denotar arcoseno, sin embargo usaremosarcsin(x) ya que sentimos que es más claro 1; el lector debe reconocer ambos.

Ejemplo 2.12.3 Más sobre la inversa desin(x).

Desde

sinπ2=1sinπ6=12

yπ2π6,π2π2, tenemos

arcsin1=π2arcsin12=π6

A pesar de que

sin(2π)=0

no es cierto esoarcsin0=2π, y no es cierto quearcsin(sin(2π))=2π, porque no2π es entreπ2 yπ2. Más generalmente

\ begin {align*}\ arcsin\ big (\ sin (x)\ big) &=\ text {el ángulo único}\ theta\ text {entre} -\ frac {\ pi} {2}\ text {y}\ frac {\ pi} {2}\ text {obedeciendo}\ sin\ theta =\ sin x\ &= x\ quad\ texto {si y solo si $-\ frac {\ pi} {2}\ le x\ le\ frac {\ pi} {2} $}\ end {alinear*}

Entonces, por ejemplo,arcsin(sin(11π16)) no puede ser11π16 porque11π16 es más grande queπ2. Entonces, ¿cómo encontramos la respuesta correcta? Comience por esbozar la gráfica desin(x).

Parece que la gráfica desinx es simétrica sobrex=π2. La forma matemática de decir que “la gráfica desinx es simétrica sobrex=π2” es “sin(π2θ)=sin(π2+θ)” para todosθ. Eso es verdad 2.

Ahora11π16=π2+3π16 así

sin(11π16)=sin(π2+3π16)=sin(π23π16)=sin(5π16)

y, ya que de hecho5π16 está entreπ2 yπ2,

arcsin(sin(11π16))=5π16(and not 11π16).

Derivadas de funciones trig inversas

Ahora que hemos explorado la función arcoseno estamos listos para encontrar su derivada. Vamos a llamar

\ begin {align*}\ arcsin (x) &=\ theta (x),\ end {align*}

para que la derivada que estamos buscando seadθdx. La ecuación anterior es (después de tomar seno de ambos lados) equivalente a

\ start {alinear*}\ sin (\ theta) &= x\ end {alinear*}

Ahora diferencie esto usando diferenciación implícita (solo tenemos que recordar queθ varía conx y usa la regla de la cadena con cuidado):

\ begin {align*}\ cos (\ theta)\ cdot\ dfrac {d\ theta} {dx} &= 1\\\ dfrac {d\ theta} {dx} &=\ frac {1} {\ cos (\ theta)} &\ text {sustituto $\ theta =\ arcsin x$}\\ dfrac {d} {dx}\ x &=\ frac {1} {\ cos (\ arcsin x)}\ end {alinear*}

Esto no se ve tan mal, pero no es realmente muy satisfactorio porque el lado derecho se expresa en términos dearcsin(x) y no tenemos una fórmula explícita paraarcsin(x).

Sin embargo incluso sin una fórmula explícitaarcsin(x), ya que es una cuestión sencilla obtener una fórmula explícita para lacos(arcsin(x)), que es todo lo que necesitamos. Simplemente dibuja un triángulo en ángulo recto con un ángulo siendoarcsin(x). Esto se hace en la figura de abajo 3.

Desdesin(θ)=x (ver 2.12.2), hemos hecho el lado opuesto al ánguloθ de longitudx y la hipotenusa de longitud1. Entonces, por Pitágoras, el lado adyacente aθ tiene longitud1x2 y así

\ comenzar {reunir*}\ cos\ grande (\ arcsin (x)\ grande) =\ cos (\ theta) =\ sqrt {1-x^2}\ end {reunir*}

lo que a su vez nos da la respuesta que necesitamos:

\ begin {reunir*}\ dfrac {d} {dx}\ arcsin (x) =\ frac {1} {\ sqrt {1-x^2}}\ end {reunir*}

Las definiciones paraarccos,arctan yarccot se desarrollan de la misma manera. Aquí están las gráficas que se utilizan.

Las definiciones para las dos funciones trigonométricas inversas restantes también pueden desarrollarse de la misma manera 4 De hecho, hay dos definiciones diferentes ampliamente utilizadas dearcsecx. Under our definition, below, θ=arcsecx takes values in 0θπ. Some people, perfectly legitimately, define θ=arcsecx to take values in the union of 0θ<π2 and πθ<3π2. Our definition is sometimes called the “trigonometry friendly” definition. The definition itself has the advantage of simplicity. The other definition is sometimes called the “calculus friendly” definition. It eliminates some absolute values and hence simplifies some computations. Similarly there are two different widely used definitions of arccscx. 5 Uno también podría definirarccot(x)=arctan(1/x) with arccot(0)=π2. We have chosen not to do so, because the definition we have chosen is both continuous and standard.. Pero es un poco más fácil de usar

\ comenzar {reunir*}\ csc x=\ frac {1} {\ sin x}\ qquad\ seg x=\ frac {1} {\ cos x}\ fin {reunir*}

Definición 2.12.4.

arcsinxse define para|x|1. Es el número único obedeciendo

\ begin {align*}\ sin\ big (\ arcsin (x)\ big) &=x &&\ text {y} & -\ frac {\ pi} {2}\ le &\ arcsin (x)\ le\ frac {\ pi} {2}\\ end {align*}

arccosxse define para|x|1. Es el número único obedeciendo

\ begin {align*}\ cos\ big (\ arccos (x)\ big) &=x &&\ text {y} & 0\ le &\ arccos (x)\ le\ pi\\ end {alinear*}

arctanxse define para todosxR. Es el número único obedeciendo

\ begin {align*}\ tan\ big (\ arctan (x)\ big) &=x &&\ text {y} & -\ frac {\ pi} {2}\ lt &\ arctan (x)\ lt\ frac {\ pi} {2}\\ end {align*}

arccscx=arcsin1xse define para|x|1. Es el número único obedeciendo

\ begin {align*}\ csc\ big (\ textrm {arccsc} (x)\ big) &=x &&\ text {y} & -\ frac {\ pi} {2}\ le &\ textrm {arccsc} (x)\ le\ frac {\ pi} {2}\\ end {align*}

\boldsymbol{\ \ \ \ \ \ \ \}Porquecsc(0) es indefinido,arccsc(x) nunca toma el valor0.

\ begin {align*}\ end {align*}

arcsecx=arccos1xse define para|x|1. Es el número único obedeciendo

\ begin {align*}\ sec\ big (\ textrm {arcsec} (x)\ big) &=x &&\ text {y} & 0\ le &\ textrm {arcsec} (x)\ le\ pi\\ end {alinear*}

\boldsymbol{\ \ \ \ \ \ \ \}Porquesec(π/2) es indefinido,arcsec(x) nunca toma el valorπ/2.

\ begin {align*}\ end {align*}

arccotxse define para todosxR. Es el número único obedeciendo

\ start {alinear*}\ cuna\ grande (\ textrm {arccot} (x)\ grande) &=x &&\ texto {y} & 0\ lt &\ textrm {arccot} (x)\ lt\ pi\ end {alinear*}
Ejemplo 2.12.5 La derivada dearccosx.

Para encontrar la derivada dearccos podemos seguir los mismos pasos:

  • Escribearccos(x)=θ(x) para quecosθ=x y la derivada deseada esdθdx.
  • Diferenciar implícitamente, recordando queθ es una función dex:

    \ begin {align*} -\ sin\ theta\ dfrac {d\ theta} {dx} &= 1\\\ dfrac {d\ theta} {dx} &= -\ frac {1} {\ sin\ theta}\\ dfrac {d} {dx}\ arccos x &= -\ frac {1} {\ sin (\ arccos x)}. \ end {alinear*}

  • Para simplificar esta expresión, vuelva a dibujar el triángulo relevante

    de la que vemos

    \ begin {align*}\ sin (\ arccos x) =\ sin\ theta &=\ sqrt {1-x^2}. \ end {alinear*}

  • Por lo tanto

    \ begin {alinear*}\ dfrac {d} {dx}\ arccos x &= -\ frac {1} {\ sqrt {1-x^2}}. \ end {alinear*}

Ejemplo 2.12.6 El derivado dearctanx.

Pasos muy similares dan la derivada dearctanx:

  • Empezar conθ=arctanx,tanθ=x.
  • Diferenciar implícitamente:

    \ begin {align*}\ seg^2\ theta\ dfrac {d\ theta} {dx} &= 1\\\ dfrac {d\ theta} {dx} &=\ frac {1} {\ seg^2\ theta} =\ cos^2\ theta\\ dfrac {d} {dx}\ arctan x &=\ cos^2 (\ tan x). \ end {alinear*}

  • Para simplificar esta expresión, dibujamos el triángulo relevante

    de la que vemos

    \ begin {reunir*}\ cos^2 (\ arctan x) =\ cos^2\ theta =\ frac {1} {1+x^2}\ end {reunir*}

  • Por lo tanto

    \ begin {alinear*}\ dfrac {d} {dx}\ arctan x &=\ frac {1} {1+x^2}. \ end {alinear*}

Un cálculo casi idéntico da la derivada dearccotx:

  • Empezar conθ=arccotx,cotθ=x.
  • Diferenciar implícitamente:

    \ begin {alinear*} -\ csc^2\ theta\ dfrac {d\ theta} {dx} &= 1\\\ dfrac {d} {dx}\ textrm {arccot} x =\ dfrac {d\ theta} {dx} &= -\ frac {1} {\ csc^2\ theta} = -\ sin^2\ theta = -\ frac {1} {1+x^2}\ final {alinear*}

    desde el triángulo
Ejemplo 2.12.7 La derivada dearccscx.

Para encontrar la derivada dearccsc podemos usar su definición y la regla de la cadena.

\ begin {align*}\ theta &=\ textrm {arccsc} x &\ text {tomar cosecante de ambos lados}\\\ csc\ theta &= x &\ text {pero $\ csc\ theta =\ frac {1} {\ sin\ theta} $, así voltear ambos lados}\\\ sin\ theta &=\ frac {1} {x} &\ text {ahora toma arcsine de ambos lados}\\\ theta &=\ arcsin\ izquierda (\ frac {1} {x}\ derecha)\ end {alinear*}

Ahora solo diferencie, usando cuidadosamente la regla de la cadena:

\ begin {align*}\ dfrac {d\ theta} {dx} &=\ dfrac {d} {dx}\ arcsin\ izquierda (\ frac {1} {x}\ derecha)\\ &=\ frac {1} {\ sqrt {1-x^ {-2}}}\ cdot\ frac {-1} {x^2}\\ end {align*}

Para simplificar aún más vamos a factorialx2 fuera de la raíz cuadrada. Tenemos que tener un poco de cuidado al hacer eso. Echa otro vistazo a los ejemplos 1.5.6 y 1.5.7 y la discusión entre ellos antes de continuar.

\ begin {align*} &=\ frac {1} {\ sqrt {x^ {-2} (x^2-1)}}\ cdot\ frac {-1} {x^2}\\ &=\ frac {1} {|x^ {-1} |\ cdot\ sqrt {x^2-1}}\ cdot\ frac {-1} {x^2} &\ texto {nota que $x^2\ cdot |x^ {-1} | = |x|$.}\\ &= -\ frac {1} {|x|\ sqrt {x^2-1}}\ end {align*}

De la misma manera podemos encontrar la derivada de la función trigonométrica inversa restante. Simplemente usamos su definición, un derivado que ya conocemos y la regla de la cadena.

\ begin {reunir*}\ dfrac {d} {dx}\ textrm {arcsec} (x) =\ dfrac {d} {dx}\ arccos\ Grande (\ frac {1} {x}\ Grande) =-\ frac {1} {\ sqrt {1-\ frac {1} {x^2}}}\ cdot\ Grande (-\ frac {1} {x^2}\ Grande) =\ frac {1} {|x|\ sqrt {x^2-1}}\ end {reunir*}

A modo de resumen, tenemos

Teorema 2.12.8.

Las derivadas de las funciones trigonométricas inversas son

\ begin {alinear*}\ dfrac {d} {dx}\ arcsin (x) &=\ frac {1} {\ sqrt {1-x^2}} &\ dfrac {d} {dx}\ textrm {arccsc} (x) &= -\ frac {1} {|x|\ sqrt {x^2-1}}\\ dfrac {d} {dx}\ arccos (x) &= -\ frac {1} {\ sqrt {1-x^2}} &\ dfrac {d} {dx}\ textrm {arcsec} (x) &=\ frac {1} {|x|\ sqrt {x^2-1}}\\\ dfrac {d} {dx}\ arctan (x) &= frac {1 } {1+x^2} &\ dfrac {d} {dx}\ textrm {arccot} (x) &= -\ frac {1} {1+x^2}\ end {align*}

Ejercicios

Etapa 1
Ejercicio2.12.1

Dar los dominios de cada una de las siguientes funciones.

\ begin {align*}\ mbox {(a)} f (x) &=\ arcsin (\ cos x) &\ mbox {(b)} g (x) &=\ textrm {arccsc} (\ cos x)\\ mbox {(c)} h (x) &=\ sin (\ arccos x)\ end {align*}

Ejercicio2.12.2

Una partícula comienza a moverse a la vezt=10, y se mueve hacia arriba y hacia abajo, de modo que su altura en el momentot10 viene dada porcost. Verdadero o falso: la partícula tiene altura 1 a la vezt=arccos(1).

Ejercicio2.12.3

La curvay=f(x) se muestra a continuación, para alguna funciónf. Restringirf al intervalo más grande posible que contenga0 sobre el cual es uno a uno, y esbozar la curvay=f1(x).

Ejercicio2.12.4

aDejen ser alguna constante. ¿Dónde tiene la curvay=ax+cosx una línea tangente horizontal?

Ejercicio2.12.5

Definir una funciónf(x)=arcsinx+arccscx. ¿Cuál es el dominio def(x)? ¿Dónde esf(x) diferenciable?

Etapa 2
Ejercicio2.12.6

Diferenciarf(x)=arcsin(x3). ¿Cuál es el dominio def(x)?

Ejercicio2.12.7

Diferenciarf(t)=arccostt21. ¿Cuál es el dominio def(t)?

Ejercicio2.12.8

Diferenciarf(x)=arcsec(x22). ¿Cuál es el dominio def(x)?

Ejercicio2.12.9

Diferenciarf(x)=1aarctan(xa), dóndea es una constante distinta de cero. ¿Cuál es el dominio def(x)?

Ejercicio2.12.10

Diferenciarf(x)=xarcsinx+1x2. ¿Cuál es el dominio def(x)?

Ejercicio2.12.11

¿Para qué valores dex es la línea tangente ay=arctan(x2) horizontal?

Ejercicio2.12.12

Evaluarddx{arcsinx+arccosx}.

Ejercicio2.12.13 (✳)

Encuentra la derivada dey=arcsin(1x).

Ejercicio2.12.14 (✳)

Encuentra la derivada dey=arctan(1x).

Ejercicio2.12.15 (✳)

Calcular y simplificar la derivada de(1+x2)arctanx.

Ejercicio2.12.16

Demostrar queddx{sin(arctan(x))}=(x2+1)3/2.

Ejercicio2.12.17

Demostrar queddx{cot(arcsin(x))}=1x21x2.

Ejercicio2.12.18 (✳)

Determinar todos los puntos de la curvay=arcsinx donde la línea tangente es paralela a la líneay=2x+9.

Ejercicio2.12.19

x¿Para qué valores de la funciónf(x)=arctan(cscx) tiene una línea tangente horizontal?

Etapa 3
Ejercicio2.12.20 (✳)

Dejarf(x)=x+cosx, y dejarg(y)=f1(y) ser la función inversa. Determinarg(y).

Ejercicio2.12.21 (✳)

f(x)=2xsin(x)es uno a uno. Encuentra(f1)(π1).

Ejercicio2.12.22 (✳)

f(x)=ex+xes uno a uno. Encuentra(f1)(e+1).

Ejercicio2.12.23

Diferenciarf(x)=[sinx+2]arcsecx. ¿Cuál es el dominio de esta función?

Ejercicio2.12.24

Supongamos que no puedes recordar si la derivada de arcoseno es11x2 o1x21. Describe cómo el dominio de arcoseno sugiere que uno de estos es incorrecto.

Ejercicio2.12.25

Evaluarlim

Ejercicio\PageIndex{26}

Supongamosf(2x+1)=\dfrac{5x-9}{3x+7}\text{.} Evaluarf^{-1}(7)\text{.}

Ejercicio\PageIndex{27}

Supongamosf^{-1}(4x-1)=\dfrac{2x+3}{x+1}\text{.} Evaluarf(0)\text{.}

Ejercicio\PageIndex{28}

Supongamos que una curva está definida implícitamente por

\arcsin(x+2y)=x^2+y^2 \nonumber

Resolver paray' en términos dex yy\text{.}


This page titled 2.12: Funciones trigonométricas inversas is shared under a CC BY-NC-SA 4.0 license and was authored, remixed, and/or curated by Joel Feldman, Andrew Rechnitzer and Elyse Yeager via source content that was edited to the style and standards of the LibreTexts platform.

Support Center

How can we help?