Interested Article - Дифференцирование тригонометрических функций

Функция синуса и косинуса в единичном круге
Функция Производная

Дифференцирование тригонометрических функций — это математический процесс нахождения производной тригонометрической функции или скорости её изменения по отношению к переменной. Например, производная функции синуса записывается как sin′( a ) = cos( a ), что означает, что скорость изменения sin( x ) под определённым углом x = a задаётся косинусом этого угла.

Все производные круговых тригонометрических функций могут быть найдены из производных sin( x ) и cos( x ) с помощью , применяемого к таким функциям, как tan( x ) = sin( x )/cos( x ). Зная эти производные, можно производные от обратных тригонометрических функций найти с помощью неявного дифференцирования .

Все указанные функции непрерывны и дифференцируемы в своей области определения .

Доказательства производных тригонометрических функций

Предел sin(θ)/θ при стремлении θ к 0

Круг с центром O и радиусом r
(r = OK = OA)

На диаграмме справа показан круг с центром O и радиусом r = 1. Пусть два радиуса OA и OK образуют дугу в θ радиан. Поскольку мы рассматриваем предел, когда θ стремится к нулю, мы можем предположить, что θ — это небольшое положительное число, скажем, 0 < θ < ½ π в первом квадранте.

На схеме пусть R 1 будет треугольником OAK , R 2 круговым сектором OAK и R 3 — треугольником OAL . Тогда площадь треугольника OAK :

Площадь кругового сектора OAK — это , а площадь треугольника OAL определяется как

Поскольку каждый объект содержится в следующем, мы имеем:

Более того, поскольку sin θ > 0 в первом квадранте, мы можем разделить на ½ sin θ , получив:

На последнем этапе мы взяли обратно три положительных члена, изменив неравенство.

Мы пришли к выводу, что для 0 < θ < ½ π выражение sin( θ )/ θ будет всегда меньше 1 и всегда больше cos(θ). Таким образом, чем ближе θ к 0, тем сильнее sin( θ )/ θ становится " сжатым " между потолком на высоте 1 и полом на высоте cos θ , который стремится к 1; следовательно, sin( θ )/ θ стремится к 1, когда θ стремится к 0 с положительной стороны:

Для случая, когда θ — это небольшое отрицательное число -½ π <θ <0, мы используем тот факт, что синус — это нечётная функция :

Предел (cos(θ)-1)/θ при стремлении θ к 0

Последний раздел позволяет нам относительно легко рассчитать этот новый предел. Это делается простым трюком. В этом расчёте знак θ неважен.

С использованием cos 2 θ – 1 = –sin 2 θ , факт, что предел произведения является произведением пределов, а предельный результат из предыдущего раздела, мы находим, что:

Предел tan(θ)/θ при стремлении θ к 0

Используя и то, что функция тангенс нечётна и предел произведения является произведением пределов, мы находим:

Производная функции синуса

Из определения производной

Мы рассчитываем производную функции синуса из определения предела :

Используя формулы сложения углов sin(α+β) = sin α cos β + sin β cos α , мы имеем:

Использование пределов для функций синуса и косинуса :

Из производной гиперболических функций

Если использовать гиперболические функции , то формально можно получить, что:

,

т.к.

Производная функции косинуса

Из определения производной

Мы снова вычисляем производную функции косинуса из определения предела:

Используя формулу сложения углов cos(α+β) = cos α cos β – sin α sin β , мы имеем:

Использование пределов для функций синуса и косинуса :

Из производной гиперболических функций

Если использовать гиперболические функции , то формально можно получить, что:

Из цепного правила

Чтобы вычислить производную функции косинуса из цепного правила, сначала обратите внимание на три следующих факта:

Первое и второе — это тригонометрические тождества , а третье доказано выше. Используя эти три факта, мы можем написать следующее:

Мы можем дифференцировать это, используя цепное правило . Положив , мы имеем:

.

Таким образом, мы доказали, что

.

Производная функции тангенса

Из определения производной

Чтобы вычислить производную функции тангенса tan θ , мы используем первые принципы . По определению:

Используя известную формулу угла tan(α+β) = (tan α + tan β) / (1 - tan α tan β) , мы имеем:

Используя тот факт, что предел произведения является произведением пределов:

Используя предел для функции тангенса и тот факт, что tan δ стремится к 0, поскольку δ стремится к 0:

Сразу видим, что:

Из производной гиперболических функций

Из правила частного

Также можно вычислить производную функции тангенса , используя правило частного :

Числитель можно упростить до 1 с помощью пифагорового тождества , что даёт нам:

Следовательно,

Доказательства производных обратных тригонометрических функций

Следующие производные можно найти, установив переменную y равной обратной тригонометрической функции , от которой мы хотим взять производную. Используя неявное дифференцирование и затем решая для dy / dx , производная обратной функции будет найдена в терминах y . Чтобы преобразовать dy / dx обратно в термины x , мы можем нарисовать эталонный треугольник на единичной окружности, положив θ равным y . Используя теорему Пифагора и определение обычных тригонометрических функций, мы наконец можем выразить dy / dx через x .

Дифференцирование функции арксинуса

Пусть

где

Тогда

Взяв производную по с обеих сторон и решив для , имеем:

Подставляя сверху , имеем:

Подставляя сверху , имеем:

Из производной обратной гиперболической функции


Дифференцирование функции арккосинуса

Пусть

где

Тогда

Взяв производную по с обеих сторон и решив для , имеем:

Подставляя сверху , получаем:

Подставляя сверху , получаем:

В качестве альтернативы, как только производная от установлена, производная от сразу следует путём дифференцирования тождества так, что .

Из производной обратной гиперболической функции


Дифференцирование функции арктангенса

Пусть

где

Тогда

Взяв производную по с обеих сторон и решив для , имеем:

Левая сторона:

, используя пифагорово тождество

Правая сторона:

Следовательно,

Подставляя сверху , получаем:

Из производной обратной гиперболической функции

Дифференцирование функции арккотангенса

Пусть

где Тогда

Взяв производную по с обеих сторон и решив для , имеем:

Левая сторона:

, используя пифагорово тождество

Правая сторона:

Следовательно,

Подставляя , получаем:

Из производной обратной гиперболической функции

Дифференцирование функции арксеканса

Использование неявного дифференцирования

Пусть

Тогда

(Абсолютное значение в выражении необходимо, поскольку произведение секанса и тангенса в интервале y всегда неотрицательно, а радикал всегда неотрицателен по определению главного квадратного корня , поэтому оставшийся множитель также должен быть неотрицательным, что достигается за счёт использования абсолютного значения x .)

Использование цепного правила

В качестве альтернативы, производная арксеканса может быть получена из производной арккосинуса с использованием цепного правила .

Пусть

где

and

Тогда, применяя цепное правило к , имеем:

Дифференцирование функции арккосеканса

Использование неявного дифференцирования

Пусть

Тогда

(Абсолютное значение в выражении необходимо, поскольку произведение косеканса и котангенса в интервале y всегда неотрицательно, а радикал всегда неотрицателен по определению главного квадратного корня , поэтому оставшийся множитель также должен быть неотрицательным, что достигается за счёт использования абсолютного значения x .)

Использование цепного правила

В качестве альтернативы, производная арккосеканса может быть получена из производной арксинуса с использованием цепного правила .

Пусть

где

and

Тогда, применяя цепное правило к , имеем:

См. также

Примечания

  1. . math24.ru . Math24. Дата обращения: 7 июля 2021. 9 июля 2021 года.

Литература

  • , Под редакцией Абрамовица и Стегуна, Национальное бюро стандартов, Серия по прикладной математике, 55 (1964)
  • Курант Р. . — 4. — Москва: Наука, 1970. — Т. 1. — 672 с.
Источник —

Same as Дифференцирование тригонометрических функций