When two inverse trig terms appear in a single problem, the goal is usually to combine them into one. The combining is done by the addition formulas : identities expressing sin − 1 x ± sin − 1 y \sin^{-1} x \pm \sin^{-1} y sin − 1 x ± sin − 1 y and tan − 1 x ± tan − 1 y \tan^{-1} x \pm \tan^{-1} y tan − 1 x ± tan − 1 y as a single inverse term. Each comes with conditions on the signs and magnitudes that you must check before applying.
Sum of two arctangents
tan − 1 x + tan − 1 y = tan − 1 x + y 1 − x y , x y < 1. \tan^{-1} x + \tan^{-1} y = \tan^{-1} \frac{x + y}{1 - xy}, \quad xy < 1. tan − 1 x + tan − 1 y = tan − 1 1 − x y x + y , x y < 1.
If x y = 1 xy = 1 x y = 1 then 1 − x y = 0 1 - xy = 0 1 − x y = 0 and the right side is ± π / 2 \pm \pi/2 ± π /2 depending on signs. If x y > 1 xy > 1 x y > 1 the formula needs a ± π \pm \pi ± π correction:
tan − 1 x + tan − 1 y = π + tan − 1 x + y 1 − x y , x , y > 0 , x y > 1 , \tan^{-1} x + \tan^{-1} y = \pi + \tan^{-1} \frac{x + y}{1 - xy}, \quad x, y > 0, \ xy > 1, tan − 1 x + tan − 1 y = π + tan − 1 1 − x y x + y , x , y > 0 , x y > 1 ,
and similarly with − π -\pi − π for both negative.
Derivation. Let α = tan − 1 x , β = tan − 1 y \alpha = \tan^{-1} x, \beta = \tan^{-1} y α = tan − 1 x , β = tan − 1 y . Then tan ( α + β ) = tan α + tan β 1 − tan α tan β = x + y 1 − x y \tan(\alpha + \beta) = \tfrac{\tan\alpha + \tan\beta}{1 - \tan\alpha \tan\beta} = \tfrac{x + y}{1 - xy} tan ( α + β ) = 1 − t a n α t a n β t a n α + t a n β = 1 − x y x + y . So α + β ≡ tan − 1 x + y 1 − x y ( m o d π ) \alpha + \beta \equiv \tan^{-1} \tfrac{x + y}{1 - xy} \pmod{\pi} α + β ≡ tan − 1 1 − x y x + y ( mod π ) . The correction term comes from checking which branch α + β \alpha + \beta α + β falls into.
Difference of two arctangents
tan − 1 x − tan − 1 y = tan − 1 x − y 1 + x y , x y > − 1. \tan^{-1} x - \tan^{-1} y = \tan^{-1} \frac{x - y}{1 + xy}, \quad xy > -1. tan − 1 x − tan − 1 y = tan − 1 1 + x y x − y , x y > − 1.
Same conditions: a ± π \pm \pi ± π correction is needed when x y < − 1 xy < -1 x y < − 1 .
Sum of two arcsines
For x , y ∈ [ − 1 , 1 ] x, y \in [-1, 1] x , y ∈ [ − 1 , 1 ] with x 2 + y 2 ≤ 1 x^2 + y^2 \le 1 x 2 + y 2 ≤ 1 (i.e., both small enough),
sin − 1 x + sin − 1 y = sin − 1 ( x 1 − y 2 + y 1 − x 2 ) . \sin^{-1} x + \sin^{-1} y = \sin^{-1}(x \sqrt{1 - y^2} + y \sqrt{1 - x^2}). sin − 1 x + sin − 1 y = sin − 1 ( x 1 − y 2 + y 1 − x 2 ) .
The right side comes from the identity sin ( α + β ) = sin α cos β + cos α sin β \sin(\alpha + \beta) = \sin\alpha \cos\beta + \cos\alpha \sin\beta sin ( α + β ) = sin α cos β + cos α sin β . The condition x 2 + y 2 ≤ 1 x^2 + y^2 \le 1 x 2 + y 2 ≤ 1 ensures the sum α + β \alpha + \beta α + β stays in [ − π / 2 , π / 2 ] [-\pi/2, \pi/2] [ − π /2 , π /2 ] .
If x y < 0 xy < 0 x y < 0 the same formula applies for any x , y ∈ [ − 1 , 1 ] x, y \in [-1, 1] x , y ∈ [ − 1 , 1 ] .
If x 2 + y 2 > 1 x^2 + y^2 > 1 x 2 + y 2 > 1 and x y > 0 xy > 0 x y > 0 , we have sin − 1 x + sin − 1 y = π − sin − 1 ( x 1 − y 2 + y 1 − x 2 ) \sin^{-1} x + \sin^{-1} y = \pi - \sin^{-1}(x\sqrt{1-y^2} + y\sqrt{1-x^2}) sin − 1 x + sin − 1 y = π − sin − 1 ( x 1 − y 2 + y 1 − x 2 ) when both are positive, and − π − ( … ) -\pi - (\ldots) − π − ( … ) when both are negative.
Difference of two arcsines
sin − 1 x − sin − 1 y = sin − 1 ( x 1 − y 2 − y 1 − x 2 ) , \sin^{-1} x - \sin^{-1} y = \sin^{-1}(x \sqrt{1 - y^2} - y \sqrt{1 - x^2}), sin − 1 x − sin − 1 y = sin − 1 ( x 1 − y 2 − y 1 − x 2 ) ,
valid when both sides lie in [ − π / 2 , π / 2 ] [-\pi/2, \pi/2] [ − π /2 , π /2 ] (typically when x y ≥ 0 xy \ge 0 x y ≥ 0 or x 2 + y 2 ≤ 1 x^2 + y^2 \le 1 x 2 + y 2 ≤ 1 ).
Sum of two arccosines
cos − 1 x + cos − 1 y = cos − 1 ( x y − 1 − x 2 1 − y 2 ) , \cos^{-1} x + \cos^{-1} y = \cos^{-1}(xy - \sqrt{1 - x^2}\sqrt{1 - y^2}), cos − 1 x + cos − 1 y = cos − 1 ( x y − 1 − x 2 1 − y 2 ) ,
when x + y ≥ 0 x + y \ge 0 x + y ≥ 0 . Otherwise replace by 2 π − 2\pi - 2 π − that expression.
Worked examples
Example 1. Compute tan − 1 ( 1 / 2 ) + tan − 1 ( 1 / 3 ) \tan^{-1}(1/2) + \tan^{-1}(1/3) tan − 1 ( 1/2 ) + tan − 1 ( 1/3 ) .
x y = 1 / 6 < 1 xy = 1/6 < 1 x y = 1/6 < 1 , apply directly: tan − 1 1 / 2 + 1 / 3 1 − 1 / 6 = tan − 1 5 / 6 5 / 6 = tan − 1 1 = π / 4 \tan^{-1}\tfrac{1/2 + 1/3}{1 - 1/6} = \tan^{-1}\tfrac{5/6}{5/6} = \tan^{-1} 1 = \pi/4 tan − 1 1 − 1/6 1/2 + 1/3 = tan − 1 5/6 5/6 = tan − 1 1 = π /4 .
Example 2. Compute tan − 1 2 + tan − 1 3 \tan^{-1} 2 + \tan^{-1} 3 tan − 1 2 + tan − 1 3 .
x y = 6 > 1 xy = 6 > 1 x y = 6 > 1 , both positive. So tan − 1 2 + tan − 1 3 = π + tan − 1 5 1 − 6 = π + tan − 1 ( − 1 ) = π − π / 4 = 3 π / 4 \tan^{-1} 2 + \tan^{-1} 3 = \pi + \tan^{-1}\tfrac{5}{1 - 6} = \pi + \tan^{-1}(-1) = \pi - \pi/4 = 3\pi/4 tan − 1 2 + tan − 1 3 = π + tan − 1 1 − 6 5 = π + tan − 1 ( − 1 ) = π − π /4 = 3 π /4 .
Example 3. Show tan − 1 1 + tan − 1 2 + tan − 1 3 = π \tan^{-1} 1 + \tan^{-1} 2 + \tan^{-1} 3 = \pi tan − 1 1 + tan − 1 2 + tan − 1 3 = π .
tan − 1 2 + tan − 1 3 = 3 π / 4 \tan^{-1} 2 + \tan^{-1} 3 = 3\pi/4 tan − 1 2 + tan − 1 3 = 3 π /4 (above), and tan − 1 1 = π / 4 \tan^{-1} 1 = \pi/4 tan − 1 1 = π /4 . Sum = π = \pi = π .
Example 4. Compute sin − 1 ( 3 / 5 ) + sin − 1 ( 4 / 5 ) \sin^{-1}(3/5) + \sin^{-1}(4/5) sin − 1 ( 3/5 ) + sin − 1 ( 4/5 ) .
Note ( 3 / 5 ) 2 + ( 4 / 5 ) 2 = 1 (3/5)^2 + (4/5)^2 = 1 ( 3/5 ) 2 + ( 4/5 ) 2 = 1 , so x 2 + y 2 = 1 x^2 + y^2 = 1 x 2 + y 2 = 1 , exactly at the boundary. By formula: sin − 1 ( 3 / 5 ⋅ 3 / 5 + 4 / 5 ⋅ 4 / 5 ) = sin − 1 ( 9 / 25 + 16 / 25 ) = sin − 1 ( 1 ) = π / 2 \sin^{-1}(3/5 \cdot 3/5 + 4/5 \cdot 4/5) = \sin^{-1}(9/25 + 16/25) = \sin^{-1}(1) = \pi/2 sin − 1 ( 3/5 ⋅ 3/5 + 4/5 ⋅ 4/5 ) = sin − 1 ( 9/25 + 16/25 ) = sin − 1 ( 1 ) = π /2 .
Cross-check: sin − 1 ( 3 / 5 ) \sin^{-1}(3/5) sin − 1 ( 3/5 ) and sin − 1 ( 4 / 5 ) \sin^{-1}(4/5) sin − 1 ( 4/5 ) are complementary because ( 3 / 5 ) 2 + ( 4 / 5 ) 2 = 1 (3/5)^2 + (4/5)^2 = 1 ( 3/5 ) 2 + ( 4/5 ) 2 = 1 means they correspond to a right triangle. So they sum to π / 2 \pi/2 π /2 . ✓ \checkmark ✓
Example 5. Compute sin − 1 ( 12 / 13 ) + cos − 1 ( 4 / 5 ) \sin^{-1}(12/13) + \cos^{-1}(4/5) sin − 1 ( 12/13 ) + cos − 1 ( 4/5 ) .
Convert: cos − 1 ( 4 / 5 ) = sin − 1 ( 3 / 5 ) \cos^{-1}(4/5) = \sin^{-1}(3/5) cos − 1 ( 4/5 ) = sin − 1 ( 3/5 ) . So we want sin − 1 ( 12 / 13 ) + sin − 1 ( 3 / 5 ) \sin^{-1}(12/13) + \sin^{-1}(3/5) sin − 1 ( 12/13 ) + sin − 1 ( 3/5 ) .
Check x 2 + y 2 = 144 / 169 + 9 / 25 x^2 + y^2 = 144/169 + 9/25 x 2 + y 2 = 144/169 + 9/25 . Use addition: sin − 1 ( 12 13 1 − 9 / 25 + 3 5 1 − 144 / 169 ) = sin − 1 ( 12 13 ⋅ 4 5 + 3 5 ⋅ 5 13 ) = sin − 1 ( 48 + 15 65 ) = sin − 1 ( 63 / 65 ) \sin^{-1}(\tfrac{12}{13}\sqrt{1 - 9/25} + \tfrac{3}{5}\sqrt{1 - 144/169}) = \sin^{-1}(\tfrac{12}{13} \cdot \tfrac{4}{5} + \tfrac{3}{5} \cdot \tfrac{5}{13}) = \sin^{-1}(\tfrac{48 + 15}{65}) = \sin^{-1}(63/65) sin − 1 ( 13 12 1 − 9/25 + 5 3 1 − 144/169 ) = sin − 1 ( 13 12 ⋅ 5 4 + 5 3 ⋅ 13 5 ) = sin − 1 ( 65 48 + 15 ) = sin − 1 ( 63/65 ) .
Example 6. Show tan − 1 1 5 + tan − 1 1 7 + tan − 1 1 3 + tan − 1 1 8 = π / 4 \tan^{-1}\tfrac{1}{5} + \tan^{-1}\tfrac{1}{7} + \tan^{-1}\tfrac{1}{3} + \tan^{-1}\tfrac{1}{8} = \pi/4 tan − 1 5 1 + tan − 1 7 1 + tan − 1 3 1 + tan − 1 8 1 = π /4 .
Pair them: tan − 1 1 5 + tan − 1 1 7 = tan − 1 12 / 35 1 − 1 / 35 = tan − 1 12 34 = tan − 1 6 17 \tan^{-1}\tfrac{1}{5} + \tan^{-1}\tfrac{1}{7} = \tan^{-1}\tfrac{12/35}{1 - 1/35} = \tan^{-1}\tfrac{12}{34} = \tan^{-1}\tfrac{6}{17} tan − 1 5 1 + tan − 1 7 1 = tan − 1 1 − 1/35 12/35 = tan − 1 34 12 = tan − 1 17 6 .
tan − 1 1 3 + tan − 1 1 8 = tan − 1 11 / 24 1 − 1 / 24 = tan − 1 11 23 \tan^{-1}\tfrac{1}{3} + \tan^{-1}\tfrac{1}{8} = \tan^{-1}\tfrac{11/24}{1 - 1/24} = \tan^{-1}\tfrac{11}{23} tan − 1 3 1 + tan − 1 8 1 = tan − 1 1 − 1/24 11/24 = tan − 1 23 11 .
Now tan − 1 6 17 + tan − 1 11 23 = tan − 1 6 / 17 + 11 / 23 1 − 66 / 391 \tan^{-1}\tfrac{6}{17} + \tan^{-1}\tfrac{11}{23} = \tan^{-1}\tfrac{6/17 + 11/23}{1 - 66/391} tan − 1 17 6 + tan − 1 23 11 = tan − 1 1 − 66/391 6/17 + 11/23 .
Numerator: 138 + 187 391 = 325 391 \tfrac{138 + 187}{391} = \tfrac{325}{391} 391 138 + 187 = 391 325 . Denominator: 391 − 66 391 = 325 391 \tfrac{391 - 66}{391} = \tfrac{325}{391} 391 391 − 66 = 391 325 . Ratio = 1 = 1 = 1 . So the sum is tan − 1 1 = π / 4 \tan^{-1} 1 = \pi/4 tan − 1 1 = π /4 . ✓ \checkmark ✓
Try it yourself
Compute tan − 1 1 2 + tan − 1 1 3 \tan^{-1}\tfrac{1}{2} + \tan^{-1}\tfrac{1}{3} tan − 1 2 1 + tan − 1 3 1 .
Compute tan − 1 3 + tan − 1 4 \tan^{-1} 3 + \tan^{-1} 4 tan − 1 3 + tan − 1 4 .
Compute sin − 1 1 2 + sin − 1 1 2 \sin^{-1}\tfrac{1}{2} + \sin^{-1}\tfrac{1}{2} sin − 1 2 1 + sin − 1 2 1 .
Compute sin − 1 3 5 − sin − 1 4 5 \sin^{-1}\tfrac{3}{5} - \sin^{-1}\tfrac{4}{5} sin − 1 5 3 − sin − 1 5 4 .
Solve for x x x : tan − 1 ( x + 1 ) + tan − 1 ( x − 1 ) = tan − 1 8 31 \tan^{-1}(x + 1) + \tan^{-1}(x - 1) = \tan^{-1}\tfrac{8}{31} tan − 1 ( x + 1 ) + tan − 1 ( x − 1 ) = tan − 1 31 8 .
Show tan − 1 1 7 + tan − 1 1 8 = tan − 1 3 11 \tan^{-1}\tfrac{1}{7} + \tan^{-1}\tfrac{1}{8} = \tan^{-1}\tfrac{3}{11} tan − 1 7 1 + tan − 1 8 1 = tan − 1 11 3 .
Show 4 tan − 1 1 5 − tan − 1 1 239 = π / 4 4 \tan^{-1}\tfrac{1}{5} - \tan^{-1}\tfrac{1}{239} = \pi/4 4 tan − 1 5 1 − tan − 1 239 1 = π /4 (Machin's formula).
Compute cos − 1 3 5 + cos − 1 4 5 \cos^{-1}\tfrac{3}{5} + \cos^{-1}\tfrac{4}{5} cos − 1 5 3 + cos − 1 5 4 .
Compute sin − 1 5 13 + sin − 1 12 13 \sin^{-1}\tfrac{5}{13} + \sin^{-1}\tfrac{12}{13} sin − 1 13 5 + sin − 1 13 12 .
Solve sin − 1 x + sin − 1 2 x = π / 3 \sin^{-1} x + \sin^{-1} 2x = \pi/3 sin − 1 x + sin − 1 2 x = π /3 for x x x .
Show tan − 1 x + 1 x + 2 + tan − 1 x − 1 x − 2 = π / 4 \tan^{-1}\tfrac{x + 1}{x + 2} + \tan^{-1}\tfrac{x - 1}{x - 2} = \pi/4 tan − 1 x + 2 x + 1 + tan − 1 x − 2 x − 1 = π /4 for x = 2 x = \sqrt 2 x = 2 .
Compute tan − 1 1 + tan − 1 2 + tan − 1 4 + tan − 1 1 8 \tan^{-1} 1 + \tan^{-1} 2 + \tan^{-1} 4 + \tan^{-1} \tfrac{1}{8} tan − 1 1 + tan − 1 2 + tan − 1 4 + tan − 1 8 1 , careful with branches.
Show cos − 1 x + cos − 1 1 − x 2 = π / 2 \cos^{-1} x + \cos^{-1}\sqrt{1 - x^2} = \pi/2 cos − 1 x + cos − 1 1 − x 2 = π /2 for x ∈ [ 0 , 1 ] x \in [0, 1] x ∈ [ 0 , 1 ] .
If tan − 1 x + tan − 1 y = π / 4 \tan^{-1} x + \tan^{-1} y = \pi/4 tan − 1 x + tan − 1 y = π /4 , find a relation between x x x and y y y .
Pitfalls / Tricks
Always check the sign condition: x y < 1 xy < 1 x y < 1 for the basic arctangent sum formula. Forgetting the ± π \pm \pi ± π correction is the single biggest source of error.
Sum of arcsines becomes painful when x 2 + y 2 > 1 x^2 + y^2 > 1 x 2 + y 2 > 1 ; convert to arctangents.
When you have many terms, pair them strategically: try to make products inside the formula simplify.
Machin-style identities (problem 7) are a JEE classic , you may need iteration.
Next, the most useful single-variable identity collection: the multi-angle formulas.