Fonction arctangente
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La fonction arctangente est la fonction réciproque de la restriction de la fonction tangente à l'intervalle ]-½π; ½π[. Notée naguère arctg, elle se note désormais arctan.
Concrètement, si x appartient à ]-½π ; ½π[ et y appartient à ℝ :
La courbe représentative de la fonction arctangente est obtenue à partir de la courbe représentative de la restriction de la fonction tangente à l'intervalle ]-½π ; ½π[ par une réflexion d'axe la droite d'équation y = x.
Sommaire |
[modifier] Développement en série de Taylor
Le développement en série de Taylor de la fonction arctangente est :
Cette série entière converge quand et . La fonction arctangente est cependant définie sur tout .
Le développement en série peut être utilisé pour effectuer un calcul approché du nombre π : la formule la plus simple est le cas x = 1, appelée formule de Leibniz
La formule de Machin, plus sophistiquée,
fut utilisée par John Machin en 1706 pour calculer les 100 premières décimales de π et par William Shanks en 1873 pour calculer les 707 premières décimales, sur lesquelles seules 527 étaient justes.
[modifier] Équation fonctionnelle
De arctan(1⁄x) on peut déduire arctan(x) et inversement :
Ces équations fonctionnelles peuvent se prouver par exemple en montrant que la dérivée est nulle. On a :
et
donc
On en déduit que arctan(1⁄x) + arctan(x) est constante par morceau sur chaque intervalle de son ensemble de définition, et on trouve facilement la valeur de cette constante en calculant la valeur prise en x = 1 et x = − 1.
[modifier] Fonction réciproque
Par définition, la réciproque de la fonction arctangente est la fonction tangente :
[modifier] Dérivée
que l'on démontre très facilement en dérivant les 2 membres de la relation : tan(arctan(x)) = x
On utilise la formule de la dérivation d'une composée de fonction :
En utilisant la formule de la dérivée d'une tangente, on obtient :
Comme les fonctions tangente et arctangente sont réciproques, leur composition est égale à la fonction identité de dérivée constante 1. On en déduit l'expression recherchée :
[modifier] Intégration
La fonction arctangente joue un rôle important dans l'intégration des expressions de la forme
Si le discriminant D = b2 − 4ac est positif ou nul, l'intégration est possible en revenant à une fraction partielle. Si le discriminant est négatif, on peut faire la substitution par
qui donne pour l'expression à intégrer
L'intégrale est alors
La primitive de la fonction arctangente proprement dite est
[modifier] Formule remarquable
Nous avons la formule suivante :
[modifier] Remarque
On peut exprimer la fonction arctangente par un logarithme complexe :