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正切函数的图像与性质

正切函数由单位圆上的纵坐标与横坐标之比定义:tan⁡x=sin⁡x/cos⁡x。当横坐标为零时,这个比值没有定义;图像因此被一条条竖直渐近线隔成分支,不能像正弦、余弦那样画成处处连通的波浪线。

定义域与周期

cos⁡x=0 恰在 x=π/2+kπ,其中 k∈ℤ。所以正切的定义域是全体实数去掉这些角。加上半周时正弦、余弦同时变号,商不变: tan⁡(x+π)=−sin⁡x−cos⁡x=tan⁡x. 最小正周期为 π。正切还是奇函数,因为 tan⁡(−x)=−tan⁡x;它经过 (0,0)、(π/4,1) 和 (−π/4,−1)。

正切图像的两条上升分支由负二分之派、二分之派和三二分之派的竖直虚线隔开,两支相隔派
虚线处余弦为零、正切无定义;一支图像平移 π 就得到下一支。

一条分支上的增减

在 (−π/2,π/2) 内,cos⁡x>0。若 x1<x2 都在此区间,两个角之差满足 0<x2−x1<π,于是 tan⁡x2−tan⁡x1=sin⁡(x2−x1)cos⁡x1cos⁡x2>0. 分子为正、分母也为正,因此这一整支严格递增。利用周期性,结论平移到每个 (−π/2+kπ,π/2+kπ)。但不能说正切在整个定义域上严格递增:跨过渐近线,两侧函数值会从很大的正数跳到很大的负数,且渐近线处根本无值。

靠近 π/2 的左侧,cos⁡x 是接近零的正数,sin⁡x 接近 1,比值趋向正无穷;从右侧靠近时,分母是接近零的负数,比值趋向负无穷。符号随侧别而变,不能把渐近线写成函数达到“无穷大”的点。每条分支的值域都是全体实数。

一次角度判断

求 tan⁡(3π/4):终点在第二象限,sin⁡(3π/4)=2/2、cos⁡(3π/4)=−2/2,所以正切为 −1。也可用 3π/4=−π/4+π 和周期 π 得到相同值。两种办法都要求先确认角没有落在无定义位置。

练习:解 tan⁡x=1。一条分支中 x=π/4,其余同值角与它相差整数个周期,故全部解为 x=π/4+kπ,k∈ℤ。

参考资料