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Trigonometrische Funktionen

Sekans, Kosekans und Kotangens: Graphen, Ableitungen, Integrale

Die Kehrwerte der Winkelfunktionen sec x, csc x und cot x: Definitionen, Graphen, Asymptoten, alle drei Ableitungen und Integrale mit Rechenbeispielen.

Trigonometrische Funktionen Aktualisiert 3 Min. Lesezeit

Auf einen Blick

\sec x = \frac{1}{\cos x}, \quad \csc x = \frac{1}{\sin x}, \quad \cot x = \frac{\cos x}{\sin x}
Definitionsbereich von sec x
x \ne \frac{\pi}{2} + k\pi
Wertebereich von sec x
(-\infty, -1] \cup [1, \infty)
Ableitung
\sec x \tan x
Integral
\ln\lvert\sec x + \tan x\rvert + C
Perioden
\sec und \csc: 2\pi; \cot: \pi
Auf dieser Seite
  1. Definitionen
  2. Graphen von Sekans und Kosekans
  3. Ableitungen von sec, csc und cot
  4. Integrale von sec, csc und cot
  5. Rechenbeispiele
  6. Häufige Fehler
  7. Wo du sie brauchst

Die Kehrwerte der Winkelfunktionen sind Sekans, Kosekans und Kotangens. Jede ist eins durch eine grundlegende Winkelfunktion: \sec x = \frac{1}{\cos x}, \csc x = \frac{1}{\sin x} und \cot x = \frac{1}{\tan x}. Sie tauchen ständig in Formeln für Ableitungen und Integrale auf. Auch wenn du sie selten zeichnest, brauchst du also ihre Analysis-Fakten.

Definitionen

\sec x = \frac{1}{\cos x}, \qquad \csc x = \frac{1}{\sin x}, \qquad \cot x = \frac{\cos x}{\sin x} = \frac{1}{\tan x}

Eine Merkhilfe für die Zuordnung: Zwischen jeder Funktion links und ihrem Partner steht genau ein „Ko“. Sekans gehört zu Kosinus, Kosekans gehört zu Sinus.

Funktion Kehrwert von Nicht definiert bei Periode Wertebereich
\sec x \cos x x = \frac{\pi}{2} + k\pi 2\pi \lvert y\rvert \ge 1
\csc x \sin x x = k\pi 2\pi \lvert y\rvert \ge 1
\cot x \tan x x = k\pi \pi alle reellen Zahlen

Graphen von Sekans und Kosekans

Graph von y = sec x mit y = cos x zum Vergleich
Wo \cos x = \pm 1 ist, berührt \sec x den Kosinus. Wo \cos x \to 0 geht, schießt \sec x gegen eine Asymptote.

Der Sekans liegt nie zwischen -1 und 1: Teilt man 1 durch eine Zahl aus [-1, 1], erhält man immer einen Wert, dessen Betrag mindestens 1 ist. Der Graph des Kosekans hat dieselbe Form, um \frac{\pi}{2} nach rechts verschoben, mit Asymptoten bei den Vielfachen von \pi.

Graph von y = cot x mit Asymptoten bei x = 0 und x = π
Der Kotangens fällt auf jedem Intervall (k\pi, (k+1)\pi) von \infty bis -\infty und schneidet die Achse bei x = \frac{\pi}{2}.

Ableitungen von sec, csc und cot

Funktion Ableitung
\sec x \sec x\tan x
\csc x -\csc x\cot x
\cot x -\csc^2 x

Warum (\sec x)' = \sec x\tan x gilt. Schreibe \sec x = (\cos x)^{-1} und wende die Kettenregel an:

\frac{d}{dx}(\cos x)^{-1} = -(\cos x)^{-2}\cdot(-\sin x) = \frac{1}{\cos x}\cdot\frac{\sin x}{\cos x} = \sec x\tan x

Dieselben Schritte mit \sin x liefern (\csc x)' = -\csc x\cot x, und die Quotientenregel für \frac{\cos x}{\sin x} liefert (\cot x)' = \frac{-\sin^2 x - \cos^2 x}{\sin^2 x} = -\csc^2 x.

Integrale von sec, csc und cot

Funktion Integral
\sec x \ln\lvert\sec x + \tan x\rvert + C
\csc x -\ln\lvert\csc x + \cot x\rvert + C
\cot x \ln\lvert\sin x\rvert + C
\sec^2 x \tan x + C
\csc^2 x -\cot x + C
\sec x\tan x \sec x + C
\csc x\cot x -\csc x + C

Das Integral des Sekans. Erweitere Zähler und Nenner mit \sec x + \tan x:

\int \sec x\,dx = \int \frac{\sec^2 x + \sec x\tan x}{\sec x + \tan x}\,dx

Der Zähler ist genau die Ableitung des Nenners. Mit u = \sec x + \tan x ergibt sich also \int\frac{du}{u} = \ln|\sec x + \tan x| + C.

Das Integral des Kotangens. Mit u = \sin x gilt \int\frac{\cos x}{\sin x}\,dx = \int\frac{du}{u} = \ln|\sin x| + C.

Rechenbeispiele

Beispiel 1. Leite f(x) = \sec(2x) ab. Nach der Kettenregel ist f'(x) = 2\sec(2x)\tan(2x).

Beispiel 2. Leite g(x) = x\cot x ab. Nach der Produktregel ist g'(x) = \cot x - x\csc^2 x.

Beispiel 3. Berechne \int_0^{\pi/3}\sec x\tan x\,dx. Die Stammfunktion ist \sec x, das Ergebnis also \sec\frac{\pi}{3} - \sec 0 = 2 - 1 = 1.

Beispiel 4. Berechne \int \csc^2(5x)\,dx. Mit u = 5x ergibt sich -\frac{1}{5}\cot(5x) + C.

Häufige Fehler

  1. Kehrwerte und Umkehrfunktionen verwechseln. \sec x = \frac{1}{\cos x}, aber \cos^{-1}x bedeutet Arkuskosinus.
  2. Sekans mit Sinus paaren. Der Sekans ist der Kehrwert des Kosinus, der Kosekans der Kehrwert des Sinus.
  3. Minuszeichen verlieren. Die Ableitungen von \csc x und \cot x sind beide negativ.
  4. \int\sec x\,dx = \sec x\tan x raten. Das ist die Ableitung, nicht das Integral.

Wo du sie brauchst

Die Identitäten 1 + \tan^2 x = \sec^2 x und 1 + \cot^2 x = \csc^2 x sind der Motor der trigonometrischen Substitution, bei der aus \sqrt{1 + x^2} dann \sec\theta wird. Der Sekans taucht auch als Ableitung des Tangens auf: (\tan x)' = \sec^2 x. Eine Übersicht über alle sechs trigonometrischen Ableitungen findest du unter Ableitungen der trigonometrischen Funktionen.

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Häufig gestellte Fragen

Was ist die Ableitung von sec x?

Die Ableitung von \sec x ist \sec x\tan x. Schreibe \sec x = (\cos x)^{-1} und wende die Kettenregel an: -(\cos x)^{-2}(-\sin x) = \frac{1}{\cos x}\cdot\frac{\sin x}{\cos x}.

Was ist das Integral von sec x?

Das Integral ist \int \sec x\,dx = \ln|\sec x + \tan x| + C. Der übliche Trick ist, mit \frac{\sec x + \tan x}{\sec x + \tan x} zu erweitern. Danach ist der Zähler die Ableitung des Nenners.

Was sind die Ableitungen von csc x und cot x?

Die Ableitung von \csc x ist -\csc x\cot x und die Ableitung von \cot x ist -\csc^2 x. Beide haben ein Minuszeichen, wie jede Ableitung einer „Ko“-Funktion.

Ist sec x dasselbe wie die Umkehrfunktion von cos x?

Nein. \sec x = \frac{1}{\cos x} ist ein Kehrwert. Die Umkehrfunktion des Kosinus ist \arccos x, manchmal \cos^{-1}x geschrieben, und das ist eine ganz andere Funktion.

Geschrieben vom PracticeCalculus-Team

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