Методы решения физико-математических задач

Производная синуса: (sin x)′

Производная синуса
Представлено доказательство и вывод формулы для производной синуса - sin(x). Примеры вычисления производных от sin 2x, синуса в квадрате и кубе. Вывод формулы для производной синуса n-го порядка.
()( \newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits} )() ()( \newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits} )()

Производная по переменной x от синуса x равна косинусу x:
( sin x )′ = cos x.

Доказательство

Для вывода формулы производной синуса, мы воспользуемся определением производной:
( sin x) =limΔx → 0sin(x + Δx) – sin xΔx.

Чтобы найти этот предел, нам нужно преобразовать выражение таким образом, чтобы свести его к известным законам, свойствам и правилам. Для этого нам нужно знать четыре свойства.
1) Значение первого замечательного предела:
(1)   limt → 0sin tt = 1;
2) Непрерывность функции косинус:
(2)   limt → 0 cos(x + t) = cos(x);
3) Тригонометрические формулы. Нам понадобится следующая формула:
(3)   sin a – sin b = 2  sin a – b2  cos a + b2;
4) Арифметические свойства предела функции:
Если  limx → a  f (x) = F  и  limx → a g(x) = G, то
(4)   limx → a( f (x) ⋅ g(x)) =(limx → a  f (x)) ⋅ (limx → a g(x)) = F ⋅ G.

Применяем эти правила к нашему пределу. Сначала преобразуем алгебраическое выражение
sin(x + Δx) – sin x.
Для этого применим формулу
(3)   sin a – sin b = 2  sin a – b2  cos a + b2.
В нашем случае
a = x + Δx; b = x. Тогда
a – b2 = x + Δx – x2 = Δx2;
a + b2 = x + Δx + x2 =2x + Δx2 = x + Δx2;
sin(x + Δx) – sin x = 2  sin Δx2 ⋅ cos(x + Δx2);
sin(x + Δx) – sin xΔx =2  sin Δx2 ⋅ cos(x + Δx2)Δx =sin Δx2Δx2 ⋅ cos(x + Δx2).

Теперь сделаем подстановку Δx2 = t. При Δx → 0, t → 0. Применим первый замечательный предел (1):
limΔx → 0sin Δx2Δx2 = limt → 0sin tt = 1.

Сделаем такую же подстановку Δx2 = t и используем свойство непрерывности (2):
limΔx → 0 cos(x + Δx2) =limt → 0 cos(x + t) = cos x.

Поскольку пределы, вычисленные выше, существуют, то применяем свойство (4):
( sin x) =limΔx → 0sin(x + Δx) – sin xΔx =limΔx → 0[  sin Δx2Δx2 ⋅ cos(x + Δx2)] =
limΔx → 0[sin Δx2Δx2] ⋅limΔx → 0[ cos(x + Δx2)] = 1 ⋅ cos x = cos x.

Формула производной синуса доказана.

Примеры

Все примеры

Рассмотрим простые примеры нахождения производных от функций, содержащих синус. Мы найдем производные от следующих функций:
y = sin 2x ,   y = sin 2 x   и   y = sin 3 x  .

Пример 1

Все примеры

Найти производную от sin 2x.

Решение

Сначала найдем производную от самой простой части:
( 2x )′ = 2( x )′ = 2 · 1 = 2.
Применяем формулу производной сложной функции.
( sin 2x) = ( sin u)x =( sin u)u ⋅ ux = cos u ⋅ (2x) = cos 2x ⋅ 2 = 2 cos 2x.
Здесь u = 2x.

Ответ

( sin 2x )′ = 2 cos 2x.

Пример 2

Все примеры

Найти производную от синуса в квадрате:
y = sin 2 x.

Решение

Перепишем исходную функцию в более понятном виде:
y = sin 2 x ≡ ( sin x) 2.
Найдем производную от самой простой части:
( sin x) = cos x.
Применяем формулу производной сложной функции.
(( sin x) 2) = (u 2)x =(u 2)u ⋅ ux = 2u 2 – 1 ⋅ (sin x) = 2u 1 ⋅ cos x =
 2u ⋅ cos x = 2 sin x ⋅ cos x.
Здесь u = sin x.

Можно применить одну из формул тригонометрии. Тогда
2 sin x ⋅ cos x = sin 2x.

Ответ

( sin 2 x) = 2 sin x ⋅ cos x = sin 2x.

Пример 3

Все примеры

Найти производную от синуса в кубе:
y = sin 3 x.

Решение > > >

Производные высших порядков

Заметим, что производную от sin x первого порядка можно выразить через синус следующим образом:
( sin x) = cos x = sin(x + π2).

Найдем производную второго порядка, используя формулу производной сложной функции:
( sin x)′′ = ( (sin x)) =( sin(x + π2)) = ( sin u)x =( sin u)u ⋅ ux =
 sin(u + π2) ⋅ (x + π2)x = sin(x + π2 + π2) ⋅ 1 = sin(x + 2 π2  ).
Здесь  u = x + π2.

Теперь мы можем заметить, что дифференцирование sin x приводит к увеличению его аргумента на π2. Тогда производная n-го порядка имеет вид:
(5)   ( sin x) (n) = sin(x + nπ2  ).

Докажем это, применяя метод математической индукции.

Мы уже проверили, что при n = 1, формула (5) справедлива.

Предположим, что формула (5) справедлива при некотором значении n = k. Докажем, что из этого следует, что формула (5) выполняется для n = k + 1.

Выпишем формулу (5) при n = k:
( sin x) (k) = sin(x + kπ2  ).
Дифференцируем это уравнение, применяя правило дифференцирования сложной функции:
( sin x) (k + 1) =( sin(x + kπ2  )) = ( sin u)x =( sin u)u ⋅ ux =
 sin(u + π2) ⋅ (x + kπ2  )x = sin(x + kπ2 + π2) ⋅ 1 = sin(x + (k + 1) π2  ).
Здесь u = x + kπ2.
Итак, мы нашли:
( sin x) (k + 1) = sin(x + (k + 1) π2  ).
Если подставить k + 1 = n, то эта формула примет вид (5).

Формула доказана.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

Меню