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三角函數(shù)的導(dǎo)數(shù)

 

1 導(dǎo)數(shù)

我們知道,在微積分中導(dǎo)數(shù)是一個(gè)非常重要的概念,即函數(shù)的自變量在一點(diǎn)上產(chǎn)生一個(gè)增量時(shí),函數(shù)值的增量與的比值在趨于0時(shí)的極限,記為

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由上圖也可以知道,當(dāng)點(diǎn)無(wú)限趨近于點(diǎn)時(shí),導(dǎo)數(shù)的幾何意義便是函數(shù)所代表的曲線在點(diǎn)上的切線斜率。

2 計(jì)算三角函數(shù)的導(dǎo)數(shù)

通過(guò)導(dǎo)數(shù)的定義我們可以計(jì)算三角函數(shù)和的導(dǎo)數(shù)(以為例):

根據(jù)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(dǎo)數(shù)。

3 直觀地理解三角函數(shù)的導(dǎo)數(shù)

通過(guò)上述計(jì)算我們同樣也可以得到的導(dǎo)數(shù),但是你一定不想再來(lái)一遍了——因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程略顯繁瑣與復(fù)雜。

那就讓我們換一個(gè)角度——通過(guò)幾何直觀來(lái)看看到底什么是和的導(dǎo)數(shù)。

現(xiàn)在我們構(gòu)造一個(gè)直角三角形,使其斜邊長(zhǎng):

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設(shè)其中一個(gè)銳角為,則兩條直角邊分別為、.

別忘了,現(xiàn)在我們要求的是和的導(dǎo)數(shù),回憶一下導(dǎo)數(shù)的定義是什么,求導(dǎo)數(shù)需要什么?

是的,我們需要微小的增量!然后再看看和會(huì)發(fā)生什么變化。

對(duì)于角度,如果有一個(gè)微小的增量,會(huì)發(fā)生什么?想象一下(如果你想好了,就可以滑動(dòng)圖片查看)

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在研究函數(shù)曲線的導(dǎo)數(shù)時(shí),我們可以將某一部分進(jìn)行“無(wú)限放大”,從而達(dá)到“以直代曲”的目的。

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同樣地,在這里我們也可以對(duì)直角三角形進(jìn)行無(wú)限放大,看看會(huì)發(fā)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(wú)限趨近于0(這時(shí)記為無(wú)窮小量),則不難想象直角三角形的新的斜邊與原來(lái)的斜邊是無(wú)限接近平行的,如果我們?cè)跓o(wú)限放大的地方再構(gòu)造一個(gè)直角三角形,會(huì)得到如下圖形:

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我們發(fā)現(xiàn),無(wú)限放大處的直角三角形和原來(lái)的直角三角形是相似的!又由于原直角三角形斜邊長(zhǎng)為1,因此我們可以認(rèn)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(duì)于原來(lái)的直角邊來(lái)說(shuō),其增量是,對(duì)于原來(lái)的直角邊來(lái)說(shuō),其增量是.

因此,根據(jù)導(dǎo)數(shù)的定義,得到

參考文獻(xiàn)

[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(shù)學(xué)書[M].唐璐譯.湖南科學(xué)技術(shù)出版社,2020.

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