Der Arkussinus – geschrieben ${\displaystyle \arcsin }$ oder ${\displaystyle \operatorname {asin} }$ – und der Arkuskosinus (oder auch Arkuscosinus) – geschrieben ${\displaystyle \arccos }$ oder ${\displaystyle \operatorname {acos} }$ – sind Umkehrfunktionen der (geeignet) eingeschränkten Sinus- bzw. Kosinusfunktion. Sinus und Kosinus sind Funktionen, die einen Winkel auf einen Wert im Intervall ${\displaystyle [-1,1]}$ abbilden; als deren Umkehrfunktionen bilden Arkussinus und Arkuskosinus einen Wert aus ${\displaystyle [-1,1]}$ wieder auf einen zugehörigen Winkel ab. Da Sinus und Kosinus periodische Funktionen sind, gibt es aber zu jedem Wert aus ${\displaystyle [-1,1]}$ unendlich viele zugehörige Winkel. Daher wird zur Umkehrung von Sinus und Kosinus deren Definitionsmenge auf das Intervall ${\displaystyle [-{\tfrac {\pi }{2}},{\tfrac {\pi }{2}}]}$ für Sinus und auf ${\displaystyle [0,\pi ]}$ für Kosinus eingeschränkt. Sinus und Kosinus sind auf diesen Intervallen streng monoton und daher umkehrbar.

Zusammen mit dem Arkustangens als Umkehrfunktion des (ebenfalls geeignet eingeschränkten) Tangens bilden der Arkussinus und Arkuskosinus den Kern der Klasse der Arkusfunktionen. Aufgrund der in neuerer Zeit für Umkehrfunktionen gebräuchlichen Schreibweise ${\displaystyle f^{-1}}$ beginnen die namentlich auf Taschenrechnern verbreiteten Schreibweisen ${\displaystyle \sin ^{-1}}$ und ${\displaystyle \cos ^{-1}}$ die klassische Schreibweise ${\displaystyle \arcsin }$ bzw. ${\displaystyle \arccos }$ zu verdrängen, was eventuell zu Verwechslungen mit den Kehrwerten des Sinus und Kosinus (Kosekans und Sekans) führen kann.

Definitionen

Die Sinusfunktion ist ${\displaystyle 2\pi }$-periodisch und innerhalb einer Periode nicht injektiv. Daher muss ihr Definitionsbereich geeignet eingeschränkt werden, um eine umkehrbar-eindeutige Funktion zu erhalten. Da es für diese Einschränkung mehrere Möglichkeiten gibt, spricht man von Zweigen des Arkussinus. Meist wird der Hauptzweig (oder Hauptwert)

${\displaystyle \arcsin \colon [-1,1]\to \left[-{\frac {\pi }{2}},{\frac {\pi }{2}}\right],}$

die Umkehrfunktion der Einschränkung ${\displaystyle \sin |_{\left[-{\frac {\pi }{2}},{\frac {\pi }{2}}\right]}}$ der Sinusfunktion auf das Intervall ${\displaystyle \left[-{\frac {\pi }{2}},{\frac {\pi }{2}}\right],}$ betrachtet.

Analog zum Arkussinus wird der Hauptzweig des Arkuskosinus als die Umkehrfunktion von ${\displaystyle \cos |_{[0,\pi ]}}$ definiert. Dies ergibt mit

${\displaystyle \arccos \colon [-1,1]\to [0,\pi ]}$

ebenfalls eine bijektive Funktion. Mittels

${\displaystyle \arccos(x)+\arcsin(x)={\frac {\pi }{2}}}$

lassen sich diese beiden Funktionen ineinander umrechnen.

Eigenschaften

	Arkussinus	Arkuskosinus
Funktionsgraph
Definitionsmenge	${\displaystyle [-1,1]}$	${\displaystyle [-1,1]}$
Bildmenge	${\displaystyle \left[-{\frac {\pi }{2}},{\frac {\pi }{2}}\right]}$	${\displaystyle [0,\pi ]}$
Monotonie	streng monoton steigend	streng monoton fallend
Symmetrien	Ungerade Funktion (Punktsymmetrie zu ${\displaystyle (0,0)}$): ${\displaystyle \arcsin(-x)=-\arcsin(x)}$	Punktsymmetrie zu ${\displaystyle \left(0,{\tfrac {\pi }{2}}\right)\colon }$ ${\displaystyle \arccos(x)=\pi -\arccos(-x)}$
Asymptoten	keine	keine
Nullstellen	Eine Nullstelle bei ${\displaystyle x=0}$	Eine Nullstelle bei ${\displaystyle x=1}$
Sprungstellen	keine	keine
Polstellen	keine	keine
Extrema	Globales Maximum ${\displaystyle {\tfrac {\pi }{2}}}$ an der Stelle ${\displaystyle 1}$, globales Minimum ${\displaystyle -{\tfrac {\pi }{2}}}$ an der Stelle ${\displaystyle -1}$	Globales Maximum ${\displaystyle \pi }$ an der Stelle ${\displaystyle -1}$, globales Minimum ${\displaystyle 0}$ an der Stelle ${\displaystyle 1}$
Wendepunkte	${\displaystyle (0,0)}$	${\displaystyle \left(0,{\frac {\pi }{2}}\right)}$

Formeln für negative Argumente

Aufgrund der Symmetrieeigenschaften gilt:

${\displaystyle \arcsin(-x)=-\arcsin(x)}$

${\displaystyle \arccos(-x)=\pi -\arccos(x)}$

Reihenentwicklungen

Die Taylorreihe des Arkussinus erhält man durch Entwickeln der Ableitung in eine binomische Reihe und anschließende Integration, sie ist gegeben durch:

${\displaystyle {\begin{aligned}\arcsin(x)&=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {(2k-1)!!}{(2k)!!}}{\frac {x^{2k+1}}{2k+1}}=\sum _{k=0}^{\infty }{\binom {2k}{k}}{\frac {x^{2k+1}}{4^{k}(2k+1)}}=\sum _{k=0}^{\infty }\,{\frac {\operatorname {CBC} (k)}{4^{k}(2k+1)}}\,x^{2k+1}=\\&={x+{\frac {1}{2}}\cdot {\frac {x^{3}}{3}}+{\frac {1\cdot 3}{2\cdot 4}}\cdot {\frac {x^{5}}{5}}+{\frac {1\cdot 3\cdot 5}{2\cdot 4\cdot 6}}\cdot {\frac {x^{7}}{7}}+\dotsb }\end{aligned}}}$

Die Taylorreihe des Arkuskosinus ergibt sich aus der Beziehung ${\displaystyle \arccos x={\tfrac {\pi }{2}}-\arcsin x}$:

${\displaystyle \arccos(x)={\frac {\pi }{2}}-\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {(2k-1)!!}{(2k)!!}}{\frac {x^{2k+1}}{2k+1}}={\frac {\pi }{2}}-\sum _{k=0}^{\infty }{\binom {2k}{k}}{\frac {x^{2k+1}}{4^{k}(2k+1)}}}$

Beide Reihen haben den Konvergenzradius 1.

Der Ausdruck ${\displaystyle k!!}$ bezeichnet dabei die Doppelfakultät und mit dem Ausdruck CBC wird der Zentralbinomialkoeffizient bezeichnet:

${\displaystyle \operatorname {CBC} (x)={2x \choose x}={\frac {(2x)!}{(x!)^{2}}}={\frac {\Pi (2x)}{\Pi (x)^{2}}}=\prod _{n=1}^{\infty }{\bigl [}{\bigl (}1+{\frac {x}{n}}{\bigr )}^{2}{\bigl (}1+{\frac {2x}{n}}{\bigr )}^{-1}{\bigr ]}}$

So wird der Zentralbinomialkoeffizient mit Hilfe von der Fakultätsfunktion beziehungsweise der Gaußschen Pifunktion definiert.

Im Gegensatz zum Arkussinus selbst hat das Quadrat des Arkussinus in dessen MacLaurinschen Reihe den Zentralbinomialkoeffizienten nicht im Zähler, sondern im Nenner:

${\displaystyle {\begin{aligned}\arcsin(x)^{2}&=\sum _{n=1}^{\infty }\,{\frac {2^{2n-1}}{n^{2}\operatorname {CBC} (n)}}\,x^{2n}=\\&={x^{2}+{\frac {1}{3}}\cdot x^{4}+{\frac {8}{45}}\cdot x^{6}+{\frac {4}{35}}\cdot x^{8}+\dotsb }\end{aligned}}}$

Das Gleiche gilt somit auch für den Quotienten aus Arkussinus und Pythagoräischer Gegenstückfunktion:

${\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {\arcsin(x)}{\sqrt {1-x^{2}}}}&=\sum _{n=1}^{\infty }\,{\frac {2^{2n-1}}{n\operatorname {CBC} (n)}}\,x^{2n-1}\\&={x+{\frac {2}{3}}\cdot x^{3}+{\frac {8}{15}}\cdot x^{5}+{\frac {16}{35}}\cdot x^{7}+\dotsb }\end{aligned}}}$

Verkettungen mit Sinus und Kosinus

Für die Arkusfunktionen gelten unter anderem folgende Formeln:

${\displaystyle \sin(\arccos(x))={\sqrt {1-x^{2}}}}$, denn für ${\displaystyle y=\arccos(x)}$ gilt ${\displaystyle y\in \left[0,{\pi }\right]}$ und ${\displaystyle \sin(y)={\sqrt {1-\cos ^{2}(y)}}}$.

${\displaystyle \cos(\arcsin(x))={\sqrt {1-x^{2}}}}$, denn für ${\displaystyle y=\arcsin(x)}$ gilt ${\displaystyle y\in \left[-{\frac {\pi }{2}},{\frac {\pi }{2}}\right]}$ und ${\displaystyle \cos(y)={\sqrt {1-\sin ^{2}(y)}}}$.

${\displaystyle \sin(\arctan(x))={\frac {x}{\sqrt {1+x^{2}}}}}$, denn für ${\displaystyle y=\arctan(x)}$ gilt ${\displaystyle y\in \left]-{\frac {\pi }{2}},{\frac {\pi }{2}}\right[}$ und ${\displaystyle \sin(y)={\frac {\tan(y)}{\sqrt {1+\tan ^{2}(y)}}}}$.

${\displaystyle \cos(\arctan(x))={\frac {1}{\sqrt {1+x^{2}}}}}$, denn für ${\displaystyle y=\arctan(x)}$ gilt ${\displaystyle y\in \left]-{\frac {\pi }{2}},{\frac {\pi }{2}}\right[}$ und ${\displaystyle \cos(y)={\frac {1}{\sqrt {1+\tan ^{2}(y)}}}}$.

Beziehung zum Arkustangens

Von besonderer Bedeutung in älteren Programmiersprachen ohne implementierte Arkussinus- und Arkuskosinusfunktion sind folgende Beziehungen, die es ermöglichen, den Arkussinus und Arkuskosinus aus dem vielleicht implementierten Arkustangens zu berechnen. Aufgrund obiger Formeln gilt

${\displaystyle \arcsin(x)=\arctan \left({\frac {x}{\sqrt {1-x^{2}}}}\right)}$

${\displaystyle \arccos(x)={\frac {\pi }{2}}-\arctan \left({\frac {x}{\sqrt {1-x^{2}}}}\right)}$

für ${\displaystyle |x|<1.}$ Definiert man ${\displaystyle \arctan \left({\tfrac {1}{0}}\right):=\lim _{t\to \infty }\arctan(t)={\tfrac {\pi }{2}},}$ so werden diese beiden Gleichungen auch für ${\displaystyle x=\pm 1}$ richtig. Alternativ dazu kann man auch

${\displaystyle \arcsin(x)=2\arctan \left({\frac {x}{1+{\sqrt {1-x^{2}}}}}\right)}$

${\displaystyle \arccos(x)={\frac {\pi }{2}}-2\arctan \left({\frac {x}{1+{\sqrt {1-x^{2}}}}}\right)}$

verwenden, was sich aus Obigem durch Anwenden der Funktionalgleichung des Arkustangens ergibt und für ${\displaystyle |x|\leq 1}$ gilt. Für ${\displaystyle -1<x\leq 1}$ lässt sich Letzteres auch zu

${\displaystyle \arccos(x)=2\arctan \left({\sqrt {\frac {1-x}{1+x}}}\right)}$

vereinfachen.

Additionstheoreme

Die Additionstheoreme für Arkussinus und Arkuskosinus erhält man mit Hilfe der Additionstheoreme für Sinus und Kosinus:

${\displaystyle \arcsin x+\arcsin y=\left\{{\begin{array}{rcrl}\arcsin(\sin(\arcsin x+\arcsin y))&=&\arcsin \left(x{\sqrt {1-y^{2}}}+y{\sqrt {1-x^{2}}}\right)&{\text{wenn}}\quad xy\leq 0\quad {\text{oder}}\quad x^{2}+y^{2}\leq 1\\\pi -\arcsin(\sin(\arcsin x+\arcsin y))&=&\pi -\arcsin \left(x{\sqrt {1-y^{2}}}+y{\sqrt {1-x^{2}}}\right)&{\text{wenn}}\quad x>0\quad {\text{und}}\quad y>0\quad {\text{und}}\quad x^{2}+y^{2}>1\\-\pi -\arcsin(\sin(\arcsin x+\arcsin y))&=&-\pi -\arcsin \left(x{\sqrt {1-y^{2}}}+y{\sqrt {1-x^{2}}}\right)&{\text{wenn}}\quad x<0\quad {\text{und}}\quad y<0\quad {\text{und}}\quad x^{2}+y^{2}>1\\\end{array}}\right.}$${\displaystyle \arccos x+\arccos y=\left\{{\begin{array}{rcrl}\arccos(\cos(\arccos x+\arccos y))&=&\arccos \left(xy-{\sqrt {1-x^{2}}}{\sqrt {1-y^{2}}}\right)&{\text{wenn}}\quad x+y\geq 0\\2\pi -\arccos(\cos(\arccos x+\arccos y))&=&2\pi -\arccos \left(xy-{\sqrt {1-x^{2}}}{\sqrt {1-y^{2}}}\right)&{\text{wenn}}\quad x+y<0\\\end{array}}\right.}$

Daraus folgt insbesondere für doppelte Funktionswerte

${\displaystyle 2\arcsin x=\left\{{\begin{array}{rl}\arcsin \left(2x{\sqrt {1-x^{2}}}\right)&{\text{wenn}}\quad 2x^{2}\leq 1\\\pi -\arcsin \left(2x{\sqrt {1-x^{2}}}\right)&{\text{wenn}}\quad x>0\quad {\text{und}}\quad 2x^{2}>1\\-\pi -\arcsin \left(2x{\sqrt {1-x^{2}}}\right)&{\text{wenn}}\quad x<0\quad {\text{und}}\quad 2x^{2}>1\\\end{array}}\right.}$

${\displaystyle 2\arccos x=\left\{{\begin{array}{rl}\arccos \left(2x^{2}-1\right)&{\text{wenn}}\quad x\geq 0\\2\pi -\arccos \left(2x^{2}-1\right)&{\text{wenn}}\quad x<0\\\end{array}}\right.}$

Ableitungen

Arkussinus

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} x}}\arcsin(x)={\frac {1}{\sqrt {1-x^{2}}}},\qquad -1<x<1}$

Arkuskosinus

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} x}}\arccos(x)=-{\frac {1}{\sqrt {1-x^{2}}}},\qquad -1<x<1}$

Umrechnung

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} x}}\arccos(x)=-{\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} x}}\arcsin(x)}$

Integrale

Komplexe Argumente

${\displaystyle {\begin{aligned}\arcsin(a+b\,\mathrm {i} )=\quad {\frac {\operatorname {sgn^{+}} {a}}{2}}\cdot \arccos &\left({\sqrt {(a^{2}+b^{2}-1)^{2}+4b^{2}}}-(a^{2}+b^{2})\right)\\+\;\mathrm {i} \cdot {\frac {\operatorname {sgn^{+}} {b}}{2}}\cdot \operatorname {arcosh} &\left({\sqrt {(a^{2}+b^{2}-1)^{2}+4b^{2}}}+(a^{2}+b^{2})\right)\end{aligned}}}$   mit ${\displaystyle a,b\in \mathbb {R} }$

${\displaystyle \arccos(a+b\,\mathrm {i} )={\frac {\pi }{2}}-\arcsin(a+b\,\mathrm {i} )}$

Zur Funktion ${\displaystyle \operatorname {arcosh} }$ siehe Areakosinus hyperbolicus, und für die Funktion ${\displaystyle \operatorname {sgn^{+}} \colon \mathbb {R} \to \{-1,1\}}$ gilt

${\displaystyle \operatorname {sgn^{+}} (x):=2\cdot \Theta (x)-1={\begin{cases}+1&{\text{für }}x\geq 0\\-1&{\text{für }}x<0\end{cases}}}$

mit der Heaviside-Funktion ${\displaystyle \Theta }$.

Anmerkungen

Wichtige Funktionswerte

Siehe auch: Sinus und Kosinus: Wichtige Funktionswerte

Die folgende Tabelle listet die wichtigen Funktionswerte der beiden Arkusfunktionen auf.

${\displaystyle x}$	${\displaystyle \arcsin(x)}$		${\displaystyle \arccos(x)}$
${\displaystyle 0}$	${\displaystyle 0^{\circ }}$	${\displaystyle 0}$	${\displaystyle 90^{\circ }}$	${\displaystyle {\frac {\pi }{2}}}$
${\displaystyle {\frac {1}{2}}}$	${\displaystyle 30^{\circ }}$	${\displaystyle {\frac {\pi }{6}}}$	${\displaystyle 60^{\circ }}$	${\displaystyle {\frac {\pi }{3}}}$
${\displaystyle {\frac {1}{2}}{\sqrt {2}}}$	${\displaystyle 45^{\circ }}$	${\displaystyle {\frac {\pi }{4}}}$	${\displaystyle 45^{\circ }}$	${\displaystyle {\frac {\pi }{4}}}$
${\displaystyle {\frac {1}{2}}{\sqrt {3}}}$	${\displaystyle 60^{\circ }}$	${\displaystyle {\frac {\pi }{3}}}$	${\displaystyle 30^{\circ }}$	${\displaystyle {\frac {\pi }{6}}}$
${\displaystyle 1}$	${\displaystyle 90^{\circ }}$	${\displaystyle {\frac {\pi }{2}}}$	${\displaystyle 0^{\circ }}$	${\displaystyle 0}$

Weitere wichtige Werte sind:

${\displaystyle x}$	${\displaystyle \arcsin(x)}$		${\displaystyle \arccos(x)}$
${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}({\sqrt {6}}-{\sqrt {2}})}$	${\displaystyle 15^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {\pi }{12}}}$	${\displaystyle 75^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {5\pi }{12}}}$
${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}\left({\sqrt {5}}-1\right)}$	${\displaystyle 18^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {\pi }{10}}}$	${\displaystyle 72^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {2\pi }{5}}}$
${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}{\sqrt {10-2{\sqrt {5}}}}}$	${\displaystyle 36^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {\pi }{5}}}$	${\displaystyle 54^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {3\pi }{10}}}$
${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}\left(1+{\sqrt {5}}\right)}$	${\displaystyle 54^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {3\pi }{10}}}$	${\displaystyle 36^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {\pi }{5}}}$
${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}{\sqrt {10+2{\sqrt {5}}}}}$	${\displaystyle 72^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {2\pi }{5}}}$	${\displaystyle 18^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {\pi }{10}}}$
${\displaystyle {\tfrac {1}{4}}({\sqrt {6}}+{\sqrt {2}})}$	${\displaystyle 75^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {5\pi }{12}}}$	${\displaystyle 15^{\circ }}$	${\displaystyle {\tfrac {\pi }{12}}}$

Siehe auch

• Formelsammlung Trigonometrie
• Trigonometrische Funktionen

Literatur

• Ilja Bronstein, Konstantin Semendjajew: Taschenbuch der Mathematik. B.G. Teubner, Stuttgart 1991. ISBN 3-87144-492-8.

• I. N. Bronstein, K. A. Semendjajev, G. Musiol, H. Mühlig (Hrsg.): Taschenbuch der Mathematik. 7., vollständig überarbeitete und ergänzte Auflage. Verlag Harri Deutsch, Frankfurt am Main 2008, ISBN 978-3-8171-2007-9, S. 85–88. 
• G.Huvent: Autour de la primitive de tp coth (αt/2). 3. Februar 2002. Seite 5

• James D. Harper: A simple proof of ${\displaystyle 1+1/2^{2}+1/3^{2}+\ldots =\pi ^{2}/6}$ The American Mathematical Monthly 109(6) (Jun. – Jul., 2003) 540–541.

Einzelnachweise

1. ↑ Wolfgang Zeuge: Nützliche und schöne Geometrie. 3.3 Die Umkehrfunktionen. Springer Spektrum, Berlin 2021, ISBN 978-3-662-63831-6, S. 46. 
2. ↑ Eric W. Weisstein: Inverse Trigonometric Functions. In: MathWorld (englisch).
3. ↑ Derrick Henry Lehmer: Interesting Series Involving the Central Binomial Coefficient. Volume 92, 1985. Seite 452
4. ↑ James D.Harper, Another simple proof of ${\displaystyle 1+{\frac {1}{2^{2}}}+{\frac {1}{3^{2}}}+\cdots ={\frac {\pi ^{2}}{6}}}$, American Mathematical Monthly, Band 110, Nr. 6, 2003, S. 540–541
5. ↑ Georg Hoever: Höhere Mathematik kompakt. Springer Spektrum, Berlin Heidelberg 2014, ISBN 978-3-662-43994-4 (eingeschränkte Vorschau in der Google-Buchsuche).