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[Courses] Calculus Handouts: inverse tri funcs (#8)
* feat: 添加反三角函数的扩展内容及相关图片 * fix: 修正全错排公式推导中的公式排版错误 * refactor file struct and add award winners * [Contest] Award winners (#5) * Upload original file * Award winners * Revise award winners list and scoring criteria Updated the award winners table and added a new section for scoring criteria. * Fix: formatting of participation gratitude message (#7) * Add video recommendation for inverse trigonometric functions Added a section recommending a video resource for inverse trigonometric functions. * upload arcsin, arccos, arctan func pic * Enhance content on inverse trigonometric functions Expanded the explanation of inverse trigonometric functions and their properties, including definitions, ranges, and graphs. * Update inverse trigonometric functions post metadata --------- Co-authored-by: xieyuen <xieyuenol@outlook.com>
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113113
- 对于4个元素的全错排,3个元素排列正确就意味着4个元素排列正确,为什么重复计算?
114114

115115
这个我认为是容斥原理的计算规则.我们在集合中使用容斥原理时,是按交集的个数递增的顺序计算的,像
116-
$|A∪B∪C|=|A|+|B|+|C|-|A∩B|-|B∩C|-|A∩C|+|A∩B∩C|$($|X|$表示集合$X$中元素个数).你可以画Venn图,每一个
116+
$|A \cup B \cup C| = |A| + |B| + |C| - |A \cap B| - |B \cap C| - |A \cap C| + |A \cap B \cap C|$($|X|$表示集合$X$中元素个数).你可以画Venn图,每一个
117117
圆圈代表一个元素的正确排列,就会发现其实我们要求的是“有元素正确排列”的情况,即所有集合的并集的元素个数.
118118
由于针对集合的计算是正确的,所以即便有些集合是空集,算出来的结果也同样是符合真实状况的.
119119

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1111
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12-
- Courses
12+
- Courses
1313
tags:
14-
- Calculus
14+
- 微积分
1515
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1616

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## 知识点
1818

19-
1. 基本概念
20-
- 邻域
21-
- 初等函数和基本初等函数
22-
- 极值和最值
23-
2. 函数极限的定义
24-
- 六种函数极限
25-
3. 极限的性质和运算
26-
- 四则运算
27-
- 保号性
28-
- “抓大头”
29-
4. 重要极限
30-
- $\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1$
31-
- $\lim_{x \to \infty} \left( 1 + \frac{1}{x} \right)^x = e$
32-
5. 函数的连续性
33-
- 最大值、最小值定理
34-
- 介值定理 $\Rightarrow$ 零点存在定理
35-
36-
## 练习题
37-
38-
### 一、求极限
39-
40-
1. $\lim_{x \to 1} \frac{x^3-1}{\ln x}$
41-
2. $\lim_{h \to 0} \frac{\sin (x+h) - \sin x}{h}$
42-
- **提示**: 和差化积公式
43-
3. $\lim_{x \to 0} \frac{\tan x - \sin x}{x^3}$
44-
- **提示**: 等价无穷小代换, 注意加减法不能直接换
45-
4. $\lim_{x \to +\infty} \left(1 - \frac{1}{x} + \frac{2}{x^2} \right)^x$
46-
- **提示**: 重要极限
47-
5. $\lim_{x \to +\infty} \frac{\ln x}{x}$
48-
49-
### 二、解答题(选做)
50-
51-
1. 证明重要极限: $\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1$
52-
2. 求 $\sqrt{2 + \sqrt{2 + \sqrt{2 + \cdots}}}$
53-
- **提示**: 要证明极限的存在性
19+
1. 导数的定义
20+
2. 导数的几何意义
21+
3. 导数的表示方法
22+
4. 导数的计算方法
23+
5. 微分的定义
24+
6. 微分的几何意义
25+
7. 微分的表示方法
26+
8. 高阶导数和高阶微分
27+
9. 微分中值定理
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1+
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2+
title: "课外拓展: 反三角函数"
3+
description: '余切、正割、余割和反三角函数'
4+
date: 2026-04-03
5+
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6+
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license: All Right Reserved, 河源中学数学研究协会
8+
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12+
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13+
tags:
14+
- 三角函数
15+
- 反三角函数
16+
---
17+
18+
## 前言
19+
20+
反三角函数是三角函数的反函数, 是微积分学中不可避免要涉及到的一类基本初等函数, 但是高中教材中完全没有提及. 本文将课本没有的三角函数及其反函数的定义与性质进行总结, 以供同学们参考.
21+
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## 推荐视频
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24+
B 站[宋浩老师](https://space.bilibili.com/66607740)的课还是很不错的, 可以去看看
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26+
{{< bilibili "BV1Eb411u7Fw" >}}
27+
28+
看完你就不需要继续看这篇文章咯
29+
30+
## 三角函数的扩充
31+
32+
在三角函数中, 最基本的一定是 $\sin x$ 和 $\cos x$. 课本已经给出了正弦、余弦和正切函数的详细定义与性质分析, 这里不再赘述. 下面我们讲一下这三个个三角函数:
33+
34+
1. 余切函数 $\cot x$
35+
2. 正割函数 $\sec x$
36+
3. 余割函数 $\csc x$
37+
38+
### 三角函数的定义
39+
40+
余切、正割和余割函数的定义如下:
41+
42+
$$
43+
\begin{aligned}
44+
\cot x &= \cfrac{1}{\tan x} = \cfrac{\cos x}{\sin x} \\
45+
\sec x &= \cfrac{1}{\cos x} \\
46+
\csc x &= \cfrac{1}{\sin x}
47+
\end{aligned}
48+
$$
49+
50+
根据这样的定义, 可以分析出不少的函数性质
51+
52+
### 三角函数的性质
53+
54+
#### 存在域和值域
55+
56+
由上面的定义可得下表
57+
58+
<!--markdownlint-disable MD060-->
59+
| 函数 | 存在域 | 值域 |
60+
|:--------:|:------------------------------------------------------------:|:---------------------------------:|
61+
| $\cot x$ | $x \in \{x \| x \neq k\pi, k \in \mathbb{Z}\}$ | $\mathbb{R}$ |
62+
| $\sec x$ | $x \in \{x \| x \neq \frac{\pi}{2} k\pi, k \in \mathbb{Z}\}$ | $(-\infty, -1] \cup [1, +\infty)$ |
63+
| $\csc x$ | $x \in \{x \| x \neq k\pi, k \in \mathbb{Z}\}$ | $(-\infty, -1] \cup [1, +\infty)$ |
64+
65+
#### 周期性
66+
67+
直接瞪眼法 awa, 不难发现:
68+
69+
1. $\cot (x + \pi) = \cfrac{1}{\tan (x + \pi)} = \cfrac{1}{\tan x} = \cot x \Rightarrow \cot x$ 的基本周期为 $\pi$
70+
2. $\sec (x + 2\pi) = \cfrac{1}{\cos (x + 2\pi)} = \cfrac{1}{\cos x} = \sec x \Rightarrow \sec x$ 的基本周期为 $2\pi$
71+
3. $\csc (x + 2\pi) = \cfrac{1}{\sin (x + 2\pi)} = \cfrac{1}{\sin x} = \csc x \Rightarrow \csc x$ 的基本周期为 $2\pi$
72+
73+
#### 奇偶性
74+
75+
先给出一个定理:
76+
77+
> 对于任意的函数 $f(x)$, 它与 $\cfrac{1}{f(x)}$ 的奇偶性相同.
78+
79+
此定理是显然的.
80+
81+
由此我们就知道:
82+
83+
- $\cot x$ 为奇函数
84+
- $\sec x$ 为偶函数
85+
- $\csc x$ 为奇函数
86+
87+
#### 图像
88+
89+
都这样了咱就直接画图咯
90+
91+
![cot x](cot.png)
92+
![sec x](sec.png)
93+
![csc x](csc.png)
94+
95+
#### 单调性
96+
97+
由上图, 显然:
98+
99+
1. $\cot x$ 在每个区间 $(k\pi, (k + 1)\pi), k \in \mathbb{Z}$ 上单调递减
100+
2. $\sec x$ 在每个区间 $(2k\pi, (2k + 1)\pi), k \in \mathbb{Z}$ 上单调递增, 在每个区间 $((2k + 1)\pi, (2k + 2)\pi), k \in \mathbb{Z}$ 上单调递减
101+
3. $\csc x$ 在每个区间 $(2k\pi, (2k + 1)\pi), k \in \mathbb{Z}$ 上单调递增, 在每个区间 $((2k + 1)\pi, (2k + 2)\pi), k \in \mathbb{Z}$ 上单调递减
102+
103+
### 诱导公式
104+
105+
$2\pi$:
106+
107+
1. $\cot (2\pi + x) = \cot x$
108+
2. $\sec (2\pi + x) = \sec x$
109+
3. $\csc (2\pi + x) = \csc x$
110+
4. $\cot (2\pi - x) = - \cot x$
111+
5. $\sec (2\pi - x) = \sec x$
112+
6. $\csc (2\pi - x) = - \csc x$
113+
114+
$\pi$:
115+
116+
1. $\cot (\pi + x) = \cot x$
117+
2. $\sec (\pi + x) = - \sec x$
118+
3. $\csc (\pi + x) = - \csc x$
119+
4. $\cot (\pi - x) = - \cot x$
120+
5. $\sec (\pi - x) = - \sec x$
121+
6. $\csc (\pi - x) = \csc x$
122+
123+
$\frac{\pi}{2}$:
124+
125+
1. $\cot \left(\frac{\pi}{2} + x\right) = - \tan x$
126+
2. $\sec \left(\frac{\pi}{2} + x\right) = - \csc x$
127+
3. $\csc \left(\frac{\pi}{2} + x\right) = \sec x$
128+
4. $\cot \left(\frac{\pi}{2} - x\right) = \tan x$
129+
5. $\sec \left(\frac{\pi}{2} - x\right) = \csc x$
130+
6. $\csc \left(\frac{\pi}{2} - x\right) = \sec x$
131+
132+
### 三角函数的导数
133+
134+
性质讲的差不多了那我们就上导数吧 awa
135+
136+
1. $(\tan x)' = \left(\cfrac{\sin x}{\cos x}\right)' = \cfrac{\cos^2 x + \sin^2 x}{\cos^2 x} = \sec^2 x$
137+
2. $(\cot x)' = \left(\cfrac{1}{\tan x}\right)' = - \cfrac{\sec^2 x}{\tan^2 x} = -\csc^2 x$
138+
3. $(\sec x)' = \left(\cfrac{1}{\cos x}\right)' = \cfrac{\sin x}{\cos^2 x} = \sec x \tan x$
139+
4. $(\csc x)' = \left(\cfrac{1}{\sin x}\right)' = - \cfrac{\cos x}{\sin^2 x} = - \csc x \cot x$
140+
141+
$\uarr \uarr \uarr$ 上面的导数公式给我背熟!!! $\uarr \uarr \uarr$
142+
143+
## 反三角函数
144+
145+
~ o(* ̄▽ ̄*)o
146+
三角函数搞完了就可以看反三角函数啦awa
147+
148+
### 反三角函数的定义
149+
150+
三角函数是由角求比值, 反三角函数就是由比值求角.
151+
但是, 由于三角函数的周期性, 使得 6 个三角函数在 $\mathbb{R}$ 上都不是单射, 所以都没有反函数.
152+
这样子, 我们就必须对定义域进行限制, 保证反函数的存在性.
153+
154+
怎么限制呢?不妨直接选一个周期或半个周期长的区间, 在保证值域和定义域为 $\mathbb{R}$ 的值域相同的基础上, 尽量靠近原点, 那我们就只需要考虑下面的函数:
155+
156+
1. $y = \sin x, x \in \left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right], y \in [-1, 1]$
157+
2. $y = \cos x, x \in [0, \pi], y \in [-1, 1]$
158+
3. $y = \tan x, x \in \left(-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right), y \in \mathbb{R}$
159+
160+
于是我们就可以定义反正弦、反余弦和反正切函数
161+
162+
- $y = \arcsin x, x \in [-1, 1], y \in [-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}]$
163+
- $y = \arccos x, x \in [-1, 1], y \in [0, \pi]$
164+
- $y = \arctan x, x \in \mathbb{R}, y \in [-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}]$
165+
166+
### 反三角函数的图像和性质
167+
168+
![arcsin x](arcsin.png)
169+
![arccos x](arccos.png)
170+
![arctan x](arctan.png)
171+
172+
#### 单调性
173+
174+
- $\arcsin x, \arctan x$ 在其定义域内单调递增
175+
- $\arccos x$ 在定义域内单调递减
176+
177+
#### 奇偶性
178+
179+
- $\arcsin x, \arctan x$ 都为奇函数
180+
- $\arccos x$ 既不是奇函数也不是偶函数
181+
182+
到这里其实反三角函数就了解的差不多咯~<br>
183+
我们还是推荐看B 站[宋浩老师](https://space.bilibili.com/66607740)的视频awa
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