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三角函數的導數

 

1 導數

我們知道,在微積分中導數是一個非常重要的概念,即函數的自變量在一點上產生一個增量時,函數值的增量與的比值在趨于0時的極限,記為

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由上圖也可以知道,當點無限趨近于點時,導數的幾何意義便是函數所代表的曲線在點上的切線斜率。

2 計算三角函數的導數

通過導數的定義我們可以計算三角函數和的導數(以為例):

根據兩角和的正弦公式

代入以上極限,得到

由極限(證明略)

得到

這樣我們就得到了的導數。

3 直觀地理解三角函數的導數

通過上述計算我們同樣也可以得到的導數,但是你一定不想再來一遍了——因為整個過程略顯繁瑣與復雜。

那就讓我們換一個角度——通過幾何直觀來看看到底什么是和的導數。

現在我們構造一個直角三角形,使其斜邊長:

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設其中一個銳角為,則兩條直角邊分別為、.

別忘了,現在我們要求的是和的導數,回憶一下導數的定義是什么,求導數需要什么?

是的,我們需要微小的增量!然后再看看和會發生什么變化。

對于角度,如果有一個微小的增量,會發生什么?想象一下(如果你想好了,就可以滑動圖片查看)

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在研究函數曲線的導數時,我們可以將某一部分進行“無限放大”,從而達到“以直代曲”的目的。

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同樣地,在這里我們也可以對直角三角形進行無限放大,看看會發生什么(這里也可以想象一下,然后看看是否和你想得一樣)。

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如果增加的角度無限趨近于0(這時記為無窮小量),則不難想象直角三角形的新的斜邊與原來的斜邊是無限接近平行的,如果我們在無限放大的地方再構造一個直角三角形,會得到如下圖形:

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我們發現,無限放大處的直角三角形和原來的直角三角形是相似的!又由于原直角三角形斜邊長為1,因此我們可以認為放大處的直角三角形斜邊即為,則兩條直角邊即為和.

因此,對于原來的直角邊來說,其增量是,對于原來的直角邊來說,其增量是.

因此,根據導數的定義,得到

參考文獻

[1](美)阿德里安·班納.普林斯頓微積分讀本(修訂版)[M].楊爽等譯.人民郵電出版社,2020.[2](美)杰森·威爾克斯.燒掉數學書[M].唐璐譯.湖南科學技術出版社,2020.

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