Функция синуса и косинуса в единичном круге
Функция
Производная
sin
(
x
)
{\displaystyle \sin(x)}
cos
(
x
)
{\displaystyle \cos(x)}
cos
(
x
)
{\displaystyle \cos(x)}
−
sin
(
x
)
{\displaystyle -\sin(x)}
tan
(
x
)
{\displaystyle \tan(x)}
sec
2
(
x
)
{\displaystyle \sec ^{2}(x)}
cot
(
x
)
{\displaystyle \cot(x)}
−
csc
2
(
x
)
{\displaystyle -\csc ^{2}(x)}
sec
(
x
)
{\displaystyle \sec(x)}
sec
(
x
)
tan
(
x
)
{\displaystyle \sec(x)\tan(x)}
csc
(
x
)
{\displaystyle \csc(x)}
−
csc
(
x
)
cot
(
x
)
{\displaystyle -\csc(x)\cot(x)}
arcsin
(
x
)
{\displaystyle \arcsin(x)}
1
1
−
x
2
{\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {1-x^{2}}}}}
arccos
(
x
)
{\displaystyle \arccos(x)}
−
1
1
−
x
2
{\displaystyle -{\frac {1}{\sqrt {1-x^{2}}}}}
arctan
(
x
)
{\displaystyle \arctan(x)}
1
x
2
+
1
{\displaystyle {\frac {1}{x^{2}+1}}}
arccot
(
x
)
{\displaystyle \operatorname {arccot}(x)}
−
1
x
2
+
1
{\displaystyle -{\frac {1}{x^{2}+1}}}
arcsec
(
x
)
{\displaystyle \operatorname {arcsec}(x)}
1
|
x
|
x
2
−
1
{\displaystyle {\frac {1}{|x|{\sqrt {x^{2}-1}}}}}
arccsc
(
x
)
{\displaystyle \operatorname {arccsc}(x)}
−
1
|
x
|
x
2
−
1
{\displaystyle -{\frac {1}{|x|{\sqrt {x^{2}-1}}}}}
Дифференцирование тригонометрических функций
— 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
:
A
r
e
a
(
R
1
)
=
1
2
|
O
A
|
|
O
B
|
sin
θ
=
1
2
sin
θ
.
{\displaystyle \mathrm {Area} (R_{1})={\tfrac {1}{2}}\ |OA|\ |OB|\sin \theta ={\tfrac {1}{2}}\sin \theta \,.}
Площадь кругового сектора
OAK
— это
A
r
e
a
(
R
2
)
=
1
2
θ
{\displaystyle \mathrm {Area} (R_{2})={\tfrac {1}{2}}\theta }
, а площадь треугольника
OAL
определяется как
A
r
e
a
(
R
3
)
=
1
2
|
O
A
|
|
A
C
|
=
1
2
tan
θ
.
{\displaystyle \mathrm {Area} (R_{3})={\tfrac {1}{2}}\ |OA|\ |AC|={\tfrac {1}{2}}\tan \theta \,.}
Поскольку каждый объект содержится в следующем, мы имеем:
Area
(
R
1
)
<
Area
(
R
2
)
<
Area
(
R
3
)
⟺
1
2
sin
θ
<
1
2
θ
<
1
2
tan
θ
.
{\displaystyle {\text{Area}}(R_{1})<{\text{Area}}(R_{2})<{\text{Area}}(R_{3})\iff {\tfrac {1}{2}}\sin \theta <{\tfrac {1}{2}}\theta <{\tfrac {1}{2}}\tan \theta \,.}
Более того, поскольку
sin
θ
> 0
в первом квадранте, мы можем разделить на ½
sin
θ
, получив:
1
<
θ
sin
θ
<
1
cos
θ
⟹
1
>
sin
θ
θ
>
cos
θ
.
{\displaystyle 1<{\frac {\theta }{\sin \theta }}<{\frac {1}{\cos \theta }}\implies 1>{\frac {\sin \theta }{\theta }}>\cos \theta \,.}
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:
lim
θ
→
0
+
sin
θ
θ
=
1
.
{\displaystyle \lim _{\theta \to 0^{+}}{\frac {\sin \theta }{\theta }}=1\,.}
Для случая, когда
θ
— это небольшое отрицательное число -½ π <θ <0, мы используем тот факт, что синус — это
нечётная функция
:
lim
θ
→
0
−
sin
θ
θ
=
lim
θ
→
0
+
sin
(
−
θ
)
−
θ
=
lim
θ
→
0
+
−
sin
θ
−
θ
=
lim
θ
→
0
+
sin
θ
θ
=
1
.
{\displaystyle \lim _{\theta \to 0^{-}}\!{\frac {\sin \theta }{\theta }}\ =\ \lim _{\theta \to 0^{+}}\!{\frac {\sin(-\theta )}{-\theta }}\ =\ \lim _{\theta \to 0^{+}}\!{\frac {-\sin \theta }{-\theta }}\ =\ \lim _{\theta \to 0^{+}}\!{\frac {\sin \theta }{\theta }}\ =\ 1\,.}
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.
lim
θ
→
0
cos
θ
−
1
θ
=
lim
θ
→
0
(
cos
θ
−
1
θ
)
(
cos
θ
+
1
cos
θ
+
1
)
=
lim
θ
→
0
cos
2
θ
−
1
θ
(
cos
θ
+
1
)
.
{\displaystyle \lim _{\theta \to 0}\,{\frac {\cos \theta -1}{\theta }}\ =\ \lim _{\theta \to 0}\left({\frac {\cos \theta -1}{\theta }}\right)\!\!\left({\frac {\cos \theta +1}{\cos \theta +1}}\right)\ =\ \lim _{\theta \to 0}\,{\frac {\cos ^{2}\!\theta -1}{\theta \,(\cos \theta +1)}}.}
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:
lim
θ
→
0
cos
θ
−
1
θ
=
lim
θ
→
0
−
sin
2
θ
θ
(
cos
θ
+
1
)
=
(
−
lim
θ
→
0
sin
θ
θ
)
(
lim
θ
→
0
sin
θ
cos
θ
+
1
)
=
(
−
1
)
(
0
2
)
=
0
.
{\displaystyle \lim _{\theta \to 0}\,{\frac {\cos \theta -1}{\theta }}\ =\ \lim _{\theta \to 0}\,{\frac {-\sin ^{2}\theta }{\theta (\cos \theta +1)}}\ =\ \left(-\lim _{\theta \to 0}{\frac {\sin \theta }{\theta }}\right)\!\left(\lim _{\theta \to 0}\,{\frac {\sin \theta }{\cos \theta +1}}\right)\ =\ (-1)\left({\frac {0}{2}}\right)=0\,.}
Предел tan(θ)/θ при стремлении θ к 0
Используя
и то, что функция тангенс нечётна и предел произведения является произведением пределов, мы находим:
lim
θ
→
0
tan
θ
θ
=
(
lim
θ
→
0
sin
θ
θ
)
(
lim
θ
→
0
1
cos
θ
)
=
(
1
)
(
1
)
=
1
.
{\displaystyle \lim _{\theta \to 0}{\frac {\tan \theta }{\theta }}\ =\ \left(\lim _{\theta \to 0}{\frac {\sin \theta }{\theta }}\right)\!\left(\lim _{\theta \to 0}{\frac {1}{\cos \theta }}\right)\ =\ (1)(1)\ =\ 1\,.}
Производная функции синуса
Из определения производной
Мы рассчитываем производную
функции синуса
из
определения предела
:
d
d
θ
sin
θ
=
lim
δ
→
0
sin
(
θ
+
δ
)
−
sin
θ
δ
.
{\displaystyle {\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\,\sin \theta =\lim _{\delta \to 0}{\frac {\sin(\theta +\delta )-\sin \theta }{\delta }}.}
Используя
формулы сложения углов
sin(α+β) = sin α cos β + sin β cos α
, мы имеем:
d
d
θ
sin
θ
=
lim
δ
→
0
sin
θ
cos
δ
+
sin
δ
cos
θ
−
sin
θ
δ
=
lim
δ
→
0
(
sin
δ
δ
cos
θ
+
cos
δ
−
1
δ
sin
θ
)
.
{\displaystyle {\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\,\sin \theta =\lim _{\delta \to 0}{\frac {\sin \theta \cos \delta +\sin \delta \cos \theta -\sin \theta }{\delta }}=\lim _{\delta \to 0}\left({\frac {\sin \delta }{\delta }}\cos \theta +{\frac {\cos \delta -1}{\delta }}\sin \theta \right).}
Использование пределов для функций
синуса
и
косинуса
:
d
d
θ
sin
θ
=
(
1
)
cos
θ
+
(
0
)
sin
θ
=
cos
θ
.
{\displaystyle {\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\,\sin \theta =(1)\cos \theta +(0)\sin \theta =\cos \theta \,.}
Из производной гиперболических функций
Если использовать
гиперболические функции
, то формально можно получить, что:
d
d
x
sin
(
x
)
=
−
d
d
x
i
sh
(
i
x
)
=
ch
(
i
x
)
=
cos
(
x
)
{\displaystyle {d \over dx}\sin(x)=-{d \over dx}i\operatorname {sh} (ix)=\operatorname {ch} (ix)=\cos(x)}
,
т.к.
sin
(
x
)
=
exp
(
i
x
)
−
exp
(
−
i
x
)
2
i
=
sh
(
i
x
)
i
=
−
i
sh
(
i
x
)
;
{\displaystyle \sin(x)={\exp(ix)-\exp(-ix) \over 2i}={\operatorname {sh} (ix) \over i}=-i\operatorname {sh} (ix);}
cos
(
x
)
=
exp
(
i
x
)
+
exp
(
−
i
x
)
2
=
ch
(
i
x
)
{\displaystyle \cos(x)={\exp(ix)+\exp(-ix) \over 2}=\operatorname {ch} (ix)}
Производная функции косинуса
Из определения производной
Мы снова вычисляем производную
функции косинуса
из определения предела:
d
d
θ
cos
θ
=
lim
δ
→
0
cos
(
θ
+
δ
)
−
cos
θ
δ
.
{\displaystyle {\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\,\cos \theta =\lim _{\delta \to 0}{\frac {\cos(\theta +\delta )-\cos \theta }{\delta }}.}
Используя формулу сложения углов
cos(α+β) = cos α cos β – sin α sin β
, мы имеем:
d
d
θ
cos
θ
=
lim
δ
→
0
cos
θ
cos
δ
−
sin
θ
sin
δ
−
cos
θ
δ
=
lim
δ
→
0
(
cos
δ
−
1
δ
cos
θ
−
sin
δ
δ
sin
θ
)
.
{\displaystyle {\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\,\cos \theta =\lim _{\delta \to 0}{\frac {\cos \theta \cos \delta -\sin \theta \sin \delta -\cos \theta }{\delta }}=\lim _{\delta \to 0}\left({\frac {\cos \delta -1}{\delta }}\cos \theta \,-\,{\frac {\sin \delta }{\delta }}\sin \theta \right).}
Использование пределов для функций
синуса
и
косинуса
:
d
d
θ
cos
θ
=
(
0
)
cos
θ
−
(
1
)
sin
θ
=
−
sin
θ
.
{\displaystyle {\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\,\cos \theta =(0)\cos \theta -(1)\sin \theta =-\sin \theta \,.}
Из производной гиперболических функций
Если использовать
гиперболические функции
, то формально можно получить, что:
d
d
x
cos
(
x
)
=
d
d
x
i
ch
(
i
x
)
=
i
sh
(
i
x
)
=
−
sin
(
x
)
{\displaystyle {d \over dx}\cos(x)={d \over dx}i\operatorname {ch} (ix)=i\operatorname {sh} (ix)=-\sin(x)}
Из цепного правила
Чтобы вычислить производную функции косинуса из цепного правила, сначала обратите внимание на три следующих факта:
cos
θ
=
sin
(
π
2
−
θ
)
{\displaystyle \cos \theta =\sin \left({\tfrac {\pi }{2}}-\theta \right)}
sin
θ
=
cos
(
π
2
−
θ
)
{\displaystyle \sin \theta =\cos \left({\tfrac {\pi }{2}}-\theta \right)}
d
d
θ
sin
θ
=
cos
θ
{\displaystyle {\tfrac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\sin \theta =\cos \theta }
Первое и второе — это
тригонометрические тождества
, а третье доказано выше. Используя эти три факта, мы можем написать следующее:
d
d
θ
cos
θ
=
d
d
θ
sin
(
π
2
−
θ
)
{\displaystyle {\tfrac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\cos \theta ={\tfrac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\sin \left({\tfrac {\pi }{2}}-\theta \right)}
Мы можем дифференцировать это, используя
цепное правило
. Положив
f
(
x
)
=
sin
x
,
g
(
θ
)
=
π
2
−
θ
{\displaystyle f(x)=\sin x,\ \ g(\theta )={\tfrac {\pi }{2}}-\theta }
, мы имеем:
d
d
θ
f
(
g
(
θ
)
)
=
f
′
(
g
(
θ
)
)
⋅
g
′
(
θ
)
=
cos
(
π
2
−
θ
)
⋅
(
0
−
1
)
=
−
sin
θ
{\displaystyle {\tfrac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}f\!\left(g\!\left(\theta \right)\right)=f^{\prime }\!\left(g\!\left(\theta \right)\right)\cdot g^{\prime }\!\left(\theta \right)=\cos \left({\tfrac {\pi }{2}}-\theta \right)\cdot (0-1)=-\sin \theta }
.
Таким образом, мы доказали, что
d
d
θ
cos
θ
=
−
sin
θ
{\displaystyle {\tfrac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\cos \theta =-\sin \theta }
.
Производная функции тангенса
Из определения производной
Чтобы вычислить производную
функции тангенса
tan
θ
, мы используем
первые принципы
. По определению:
d
d
θ
tan
θ
=
lim
δ
→
0
(
tan
(
θ
+
δ
)
−
tan
θ
δ
)
.
{\displaystyle {\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\,\tan \theta =\lim _{\delta \to 0}\left({\frac {\tan(\theta +\delta )-\tan \theta }{\delta }}\right).}
Используя известную формулу угла
tan(α+β) = (tan α + tan β) / (1 - tan α tan β)
, мы имеем:
d
d
θ
tan
θ
=
lim
δ
→
0
[
tan
θ
+
tan
δ
1
−
tan
θ
tan
δ
−
tan
θ
δ
]
=
lim
δ
→
0
[
tan
θ
+
tan
δ
−
tan
θ
+
tan
2
θ
tan
δ
δ
(
1
−
tan
θ
tan
δ
)
]
.
{\displaystyle {\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\,\tan \theta =\lim _{\delta \to 0}\left[{\frac {{\frac {\tan \theta +\tan \delta }{1-\tan \theta \tan \delta }}-\tan \theta }{\delta }}\right]=\lim _{\delta \to 0}\left[{\frac {\tan \theta +\tan \delta -\tan \theta +\tan ^{2}\theta \tan \delta }{\delta \left(1-\tan \theta \tan \delta \right)}}\right].}
Используя тот факт, что предел произведения является произведением пределов:
d
d
θ
tan
θ
=
lim
δ
→
0
tan
δ
δ
×
lim
δ
→
0
(
1
+
tan
2
θ
1
−
tan
θ
tan
δ
)
.
{\displaystyle {\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\,\tan \theta =\lim _{\delta \to 0}{\frac {\tan \delta }{\delta }}\times \lim _{\delta \to 0}\left({\frac {1+\tan ^{2}\theta }{1-\tan \theta \tan \delta }}\right).}
Используя предел для
функции тангенса
и тот факт, что tan
δ
стремится к 0, поскольку
δ
стремится к 0:
d
d
θ
tan
θ
=
1
×
1
+
tan
2
θ
1
−
0
=
1
+
tan
2
θ
.
{\displaystyle {\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\,\tan \theta =1\times {\frac {1+\tan ^{2}\theta }{1-0}}=1+\tan ^{2}\theta .}
Сразу видим, что:
d
d
θ
tan
θ
=
1
+
sin
2
θ
cos
2
θ
=
cos
2
θ
+
sin
2
θ
cos
2
θ
=
1
cos
2
θ
=
sec
2
θ
.
{\displaystyle {\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\,\tan \theta =1+{\frac {\sin ^{2}\theta }{\cos ^{2}\theta }}={\frac {\cos ^{2}\theta +\sin ^{2}\theta }{\cos ^{2}\theta }}={\frac {1}{\cos ^{2}\theta }}=\sec ^{2}\theta \,.}
Из производной гиперболических функций
d
d
x
tan
(
x
)
=
−
i
d
d
x
th
(
i
x
)
=
−
i
i
ch
2
(
i
x
)
=
1
ch
2
(
i
x
)
=
1
cos
2
(
x
)
{\displaystyle {d \over dx}\tan(x)=-i{d \over dx}\operatorname {th} (ix)=-i{i \over \operatorname {ch} ^{2}(ix)}={1 \over \operatorname {ch} ^{2}(ix)}={1 \over \cos ^{2}(x)}}
Из правила частного
Также можно вычислить производную
функции тангенса
, используя
правило частного
:
d
d
θ
tan
θ
=
d
d
θ
sin
θ
cos
θ
=
(
sin
θ
)
′
⋅
cos
θ
−
sin
θ
⋅
(
cos
θ
)
′
cos
2
θ
=
cos
2
θ
+
sin
2
θ
cos
2
θ
{\displaystyle {\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\tan \theta ={\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}{\frac {\sin \theta }{\cos \theta }}={\frac {\left(\sin \theta \right)^{\prime }\cdot \cos \theta -\sin \theta \cdot \left(\cos \theta \right)^{\prime }}{\cos ^{2}\theta }}={\frac {\cos ^{2}\theta +\sin ^{2}\theta }{\cos ^{2}\theta }}}
Числитель можно упростить до 1 с помощью
пифагорового тождества
, что даёт нам:
1
cos
2
θ
=
sec
2
θ
{\displaystyle {\frac {1}{\cos ^{2}\theta }}=\sec ^{2}\theta }
Следовательно,
d
d
θ
tan
θ
=
sec
2
θ
{\displaystyle {\frac {\operatorname {d} }{\operatorname {d} \!\theta }}\tan \theta =\sec ^{2}\theta }
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
y
=
arcsin
x
,
{\displaystyle y=\arcsin x\ ,}
где
−
π
2
≤
y
≤
π
2
.
{\displaystyle -{\frac {\pi }{2}}\leq y\leq {\frac {\pi }{2}}.}
Тогда
sin
y
=
x
.
{\displaystyle \sin y=x\ .}
Взяв производную по
x
{\displaystyle x}
с обеих сторон и решив для
d
y
/
d
x
{\displaystyle dy/dx}
, имеем:
d
d
x
sin
y
=
d
d
x
x
,
{\displaystyle {d \over dx}\sin y={d \over dx}x,}
cos
y
⋅
d
y
d
x
=
1
.
{\displaystyle \cos y\cdot {dy \over dx}=1\ .}
Подставляя сверху
cos
y
=
1
−
sin
2
y
{\displaystyle \cos y={\sqrt {1-\sin ^{2}y}}}
, имеем:
1
−
sin
2
y
⋅
d
y
d
x
=
1
{\displaystyle {\sqrt {1-\sin ^{2}y}}\cdot {dy \over dx}=1}
Подставляя сверху
x
=
sin
y
{\displaystyle x=\sin y}
, имеем:
1
−
x
2
⋅
d
y
d
x
=
1
{\displaystyle {\sqrt {1-x^{2}}}\cdot {dy \over dx}=1}
d
y
d
x
=
1
1
−
x
2
{\displaystyle {dy \over dx}={\frac {1}{\sqrt {1-x^{2}}}}}
Из производной обратной гиперболической функции
d
d
x
arcsin
(
x
)
=
−
i
d
d
x
arsh
(
i
x
)
=
−
i
i
1
+
i
2
x
2
=
1
1
−
x
2
{\displaystyle {d \over dx}\arcsin(x)=-i{d \over dx}\operatorname {arsh} (ix)=-i{i \over {\sqrt {1+i^{2}x^{2}}}}={1 \over {\sqrt {1-x^{2}}}}}
Дифференцирование функции арккосинуса
Пусть
y
=
arccos
x
{\displaystyle y=\arccos x\,\!}
где
0
≤
y
≤
π
{\displaystyle 0\leq y\leq \pi }
Тогда
cos
y
=
x
{\displaystyle \cos y=x\,\!}
Взяв производную по
x
{\displaystyle x}
с обеих сторон и решив для
d
y
/
d
x
{\displaystyle dy/dx}
, имеем:
d
d
x
cos
y
=
d
d
x
x
{\displaystyle {d \over dx}\cos y={d \over dx}x}
−
sin
y
⋅
d
y
d
x
=
1
{\displaystyle -\sin y\cdot {dy \over dx}=1}
Подставляя сверху
sin
y
=
1
−
cos
2
y
{\displaystyle \sin y={\sqrt {1-\cos ^{2}y}}\,\!}
, получаем:
−
1
−
cos
2
y
⋅
d
y
d
x
=
1
{\displaystyle -{\sqrt {1-\cos ^{2}y}}\cdot {dy \over dx}=1}
Подставляя сверху
x
=
cos
y
{\displaystyle x=\cos y\,\!}
, получаем:
−
1
−
x
2
⋅
d
y
d
x
=
1
{\displaystyle -{\sqrt {1-x^{2}}}\cdot {dy \over dx}=1}
d
y
d
x
=
−
1
1
−
x
2
{\displaystyle {dy \over dx}=-{\frac {1}{\sqrt {1-x^{2}}}}}
В качестве альтернативы, как только производная от
arcsin
x
{\displaystyle \arcsin x}
установлена, производная от
arccos
x
{\displaystyle \arccos x}
сразу следует путём дифференцирования тождества
arcsin
x
+
arccos
x
=
π
/
2
{\displaystyle \arcsin x+\arccos x=\pi /2}
так, что
(
arccos
x
)
′
=
−
(
arcsin
x
)
′
{\displaystyle (\arccos x)'=-(\arcsin x)'}
.
Из производной обратной гиперболической функции
d
d
x
arccos
(
x
)
=
−
i
d
d
x
arch
(
i
x
)
=
−
i
i
i
2
x
2
−
1
=
−
1
1
−
x
2
{\displaystyle {d \over dx}\arccos(x)=-i{d \over dx}\operatorname {arch} (ix)=-i{i \over {\sqrt {i^{2}x^{2}-1}}}=-{1 \over {\sqrt {1-x^{2}}}}}
Дифференцирование функции арктангенса
Пусть
y
=
arctan
x
{\displaystyle y=\arctan x\,\!}
где
−
π
2
<
y
<
π
2
{\displaystyle -{\frac {\pi }{2}}<y<{\frac {\pi }{2}}}
Тогда
tan
y
=
x
{\displaystyle \tan y=x\,\!}
Взяв производную по
x
{\displaystyle x}
с обеих сторон и решив для
d
y
/
d
x
{\displaystyle dy/dx}
, имеем:
d
d
x
tan
y
=
d
d
x
x
{\displaystyle {d \over dx}\tan y={d \over dx}x}
Левая сторона:
d
d
x
tan
y
=
sec
2
y
⋅
d
y
d
x
=
(
1
+
tan
2
y
)
d
y
d
x
{\displaystyle {d \over dx}\tan y=\sec ^{2}y\cdot {dy \over dx}=(1+\tan ^{2}y){dy \over dx}}
, используя пифагорово тождество
Правая сторона:
d
d
x
x
=
1
{\displaystyle {d \over dx}x=1}
Следовательно,
(
1
+
tan
2
y
)
d
y
d
x
=
1
{\displaystyle (1+\tan ^{2}y){dy \over dx}=1}
Подставляя сверху
x
=
tan
y
{\displaystyle x=\tan y\,\!}
, получаем:
(
1
+
x
2
)
d
y
d
x
=
1
{\displaystyle (1+x^{2}){dy \over dx}=1}
d
y
d
x
=
1
1
+
x
2
{\displaystyle {dy \over dx}={\frac {1}{1+x^{2}}}}
Из производной обратной гиперболической функции
d
d
x
arctan
(
x
)
=
−
i
d
d
x
arth
(
i
x
)
=
−
i
i
1
−
i
2
x
2
=
1
1
+
x
2
{\displaystyle {d \over dx}\arctan(x)=-i{d \over dx}\operatorname {arth} (ix)=-i{i \over 1-i^{2}x^{2}}={1 \over 1+x^{2}}}
Дифференцирование функции арккотангенса
Пусть
y
=
arccot
x
{\displaystyle y=\operatorname {arccot} x}
где
0
<
y
<
π
{\displaystyle 0<y<\pi }
Тогда
cot
y
=
x
{\displaystyle \cot y=x}
Взяв производную по
x
{\displaystyle x}
с обеих сторон и решив для
d
y
/
d
x
{\displaystyle dy/dx}
, имеем:
d
d
x
cot
y
=
d
d
x
x
{\displaystyle {\frac {d}{dx}}\cot y={\frac {d}{dx}}x}
Левая сторона:
d
d
x
cot
y
=
−
csc
2
y
⋅
d
y
d
x
=
−
(
1
+
cot
2
y
)
d
y
d
x
{\displaystyle {d \over dx}\cot y=-\csc ^{2}y\cdot {dy \over dx}=-(1+\cot ^{2}y){dy \over dx}}
, используя пифагорово тождество
Правая сторона:
d
d
x
x
=
1
{\displaystyle {d \over dx}x=1}
Следовательно,
−
(
1
+
cot
2
y
)
d
y
d
x
=
1
{\displaystyle -(1+\cot ^{2}y){\frac {dy}{dx}}=1}
Подставляя
x
=
cot
y
{\displaystyle x=\cot y}
, получаем:
−
(
1
+
x
2
)
d
y
d
x
=
1
{\displaystyle -(1+x^{2}){\frac {dy}{dx}}=1}
d
y
d
x
=
−
1
1
+
x
2
{\displaystyle {\frac {dy}{dx}}=-{\frac {1}{1+x^{2}}}}
Из производной обратной гиперболической функции
d
d
x
arccot
(
x
)
=
i
d
d
x
arcth
(
i
x
)
=
i
i
1
−
i
2
x
2
=
−
1
1
+
x
2
{\displaystyle {d \over dx}\operatorname {arccot}(x)=i{d \over dx}\operatorname {arcth} (ix)=i{i \over 1-i^{2}x^{2}}=-{1 \over 1+x^{2}}}
Дифференцирование функции арксеканса
Использование неявного дифференцирования
Пусть
y
=
arcsec
x
|
x
|
≥
1
{\displaystyle y=\operatorname {arcsec} x\ \ |x|\geq 1}
Тогда
x
=
sec
y
y
∈
[
0
,
π
2
)
∪
(
π
2
,
π
]
{\displaystyle x=\sec y\ \ y\in \left[0,{\frac {\pi }{2}}\right)\cup \left({\frac {\pi }{2}},\pi \right]}
d
x
d
y
=
sec
y
tan
y
=
|
x
|
x
2
−
1
{\displaystyle {\frac {dx}{dy}}=\sec y\tan y=|x|{\sqrt {x^{2}-1}}}
(Абсолютное значение в выражении необходимо, поскольку произведение секанса и тангенса в интервале
y
всегда неотрицательно, а радикал
x
2
−
1
{\displaystyle {\sqrt {x^{2}-1}}}
всегда неотрицателен по определению главного
квадратного корня
, поэтому оставшийся множитель также должен быть неотрицательным, что достигается за счёт использования абсолютного значения
x
.)
d
y
d
x
=
1
|
x
|
x
2
−
1
{\displaystyle {\frac {dy}{dx}}={\frac {1}{|x|{\sqrt {x^{2}-1}}}}}
Использование цепного правила
В качестве альтернативы, производная арксеканса может быть получена из производной арккосинуса с использованием
цепного правила
.
Пусть
y
=
arcsec
x
=
arccos
(
1
x
)
{\displaystyle y=\operatorname {arcsec} x=\arccos \left({\frac {1}{x}}\right)}
где
|
x
|
≥
1
{\displaystyle |x|\geq 1}
and
y
∈
[
0
,
π
2
)
∪
(
π
2
,
π
]
{\displaystyle y\in \left[0,{\frac {\pi }{2}}\right)\cup \left({\frac {\pi }{2}},\pi \right]}
Тогда, применяя цепное правило к
arccos
(
1
x
)
{\displaystyle \arccos \left({\frac {1}{x}}\right)}
, имеем:
d
y
d
x
=
−
1
1
−
(
1
x
)
2
⋅
(
−
1
x
2
)
=
1
x
2
1
−
1
x
2
=
1
x
2
x
2
−
1
x
2
=
1
x
2
x
2
−
1
=
1
|
x
|
x
2
−
1
{\displaystyle {\frac {dy}{dx}}=-{\frac {1}{\sqrt {1-({\frac {1}{x}})^{2}}}}\cdot \left(-{\frac {1}{x^{2}}}\right)={\frac {1}{x^{2}{\sqrt {1-{\frac {1}{x^{2}}}}}}}={\frac {1}{x^{2}{\frac {\sqrt {x^{2}-1}}{\sqrt {x^{2}}}}}}={\frac {1}{{\sqrt {x^{2}}}{\sqrt {x^{2}-1}}}}={\frac {1}{|x|{\sqrt {x^{2}-1}}}}}
Дифференцирование функции арккосеканса
Использование неявного дифференцирования
Пусть
y
=
arccsc
x
|
x
|
≥
1
{\displaystyle y=\operatorname {arccsc} x\ \ |x|\geq 1}
Тогда
x
=
csc
y
y
∈
[
−
π
2
,
0
)
∪
(
0
,
π
2
]
{\displaystyle x=\csc y\ \ \ y\in \left[-{\frac {\pi }{2}},0\right)\cup \left(0,{\frac {\pi }{2}}\right]}
d
x
d
y
=
−
csc
y
cot
y
=
−
|
x
|
x
2
−
1
{\displaystyle {\frac {dx}{dy}}=-\csc y\cot y=-|x|{\sqrt {x^{2}-1}}}
(Абсолютное значение в выражении необходимо, поскольку произведение косеканса и котангенса в интервале
y
всегда неотрицательно, а радикал
x
2
−
1
{\displaystyle {\sqrt {x^{2}-1}}}
всегда неотрицателен по определению главного
квадратного корня
, поэтому оставшийся множитель также должен быть неотрицательным, что достигается за счёт использования абсолютного значения
x
.)
d
y
d
x
=
−
1
|
x
|
x
2
−
1
{\displaystyle {\frac {dy}{dx}}={\frac {-1}{|x|{\sqrt {x^{2}-1}}}}}
Использование цепного правила
В качестве альтернативы, производная арккосеканса может быть получена из производной арксинуса с использованием
цепного правила
.
Пусть
y
=
arccsc
x
=
arcsin
(
1
x
)
{\displaystyle y=\operatorname {arccsc} x=\arcsin \left({\frac {1}{x}}\right)}
где
|
x
|
≥
1
{\displaystyle |x|\geq 1}
and
y
∈
[
−
π
2
,
0
)
∪
(
0
,
π
2
]
{\displaystyle y\in \left[-{\frac {\pi }{2}},0\right)\cup \left(0,{\frac {\pi }{2}}\right]}
Тогда, применяя цепное правило к
arcsin
(
1
x
)
{\displaystyle \arcsin \left({\frac {1}{x}}\right)}
, имеем:
d
y
d
x
=
1
1
−
(
1
x
)
2
⋅
(
−
1
x
2
)
=
−
1
x
2
1
−
1
x
2
=
−
1
x
2
x
2
−
1
x
2
=
−
1
x
2
x
2
−
1
=
−
1
|
x
|
x
2
−
1
{\displaystyle {\frac {dy}{dx}}={\frac {1}{\sqrt {1-({\frac {1}{x}})^{2}}}}\cdot \left(-{\frac {1}{x^{2}}}\right)=-{\frac {1}{x^{2}{\sqrt {1-{\frac {1}{x^{2}}}}}}}=-{\frac {1}{x^{2}{\frac {\sqrt {x^{2}-1}}{\sqrt {x^{2}}}}}}=-{\frac {1}{{\sqrt {x^{2}}}{\sqrt {x^{2}-1}}}}=-{\frac {1}{|x|{\sqrt {x^{2}-1}}}}}
См. также
Примечания
(рус.)
.
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.
(рус.)
. — 4. — Москва: Наука, 1970. — Т. 1. — 672 с.