Методы решения физико-математических задач

Производная тангенса: (tg x)′

Производная тангенса
Представлен вывод формулы для производной тангенса - tg(x). Примеры вычисления производных от tg 2x, tg 3x и tg nx. Производная тангенса n-го порядка в виде многочлена по степеням tg(x).
()( \newcommand{\tg}{\mathop{\mathrm{tg}}\nolimits} )() ()( \newcommand{\ctg}{\mathop{\mathrm{ctg}}\nolimits} )()

Производная по переменной x от тангенса x равна единице, деленной на косинус в квадрате от x:
(tg x) ′ = 1cos 2 x.

Вывод формулы производной тангенса

Для вывода формулы производной тангенса, мы воспользуемся следующими математическими фактами:
1) Выражением тангенса через синус и косинус:
(1)   tg x = sin xcos x;
2) Значением производной синуса:
(2)   ( sin x ) ′ = cos x;
3) Значением производной косинуса:
(3)   ( cos x ) ′ = –sin x;
4) Формулой производной дроби:
(4)   ( uv ) ′ = u ′ v – u v ′v 2;
5) Тригонометрической формулой:
(5)   cos 2 x + sin 2 x = 1.

Применяем эти формулы и правила к производной тангенса.
( tg x ) ′ = ( sin xcos x ) ′ = (sin x) ′ ⋅ cos x – sin x ⋅ (cos x) ′(cos x) 2 = cos x ⋅ cos x + sin x ⋅ sin xcos 2 x =
 cos 2 x + sin 2 xcos 2 x = 1cos 2 x.

Формула производной тангенса доказана.

Производные синуса и косинуса определены для всех значений переменной x. Формула производной дроби (4) справедлива для тех значений переменной x, в которых существуют производные функций u и v и для которых знаменатель дроби не обращается в нуль:
v ≠ 0.
Таким образом, производная тангенса справедлива для всех x, кроме точек, в которых cos x = 0. То есть кроме точек
x = π2 + nπ,
где n = 0, ±1, ±2, ±3, ... – целое число.
С другой стороны, сама функция y = tg x определена для всех x, кроме точек
x = π2 + nπ.
Поэтому производная тангенса определена на всей области определения тангенса.

Пример

Все примеры

Найти производные от tg 2x, tg 3x и tg nx.

Решение

Найдем производную от функции tg nx.
Представим эту функцию как сложную, состоящую из двух функций:
1)   Функции u = nx, зависящей от переменной x:  u = u(x);
2)   Функции  f  = tg u, зависящей от переменной u:   f  =  f (u).
Тогда исходная функция y(x) является сложной функцией, составленной из функций  f  и u:
y(x) =  f  (u(x)).

Найдем производную от функции u по переменной x:
u ′ = (nx) ′ = n(x) ′ = n(x 1) ′ = n ⋅ 1 ⋅ x 1 – 1 = nx 0 = n ⋅ 1 = n.
Найдем производную от функции  f  по переменной u:
 f  ′u = (tg u) ′u = 1cos 2 u.
Применяем правило дифференцирования сложной функции:
y ′x =  f  ′u ⋅ u ′x = 1cos u ⋅ n = ncos 2 u.
Заменим u = nx:
y ′ = ( tg nx ) ′ = ncos 2 nx.

Подставляя вместо n значения n = 2 и n = 3, получаем производные функций tg 2x и tg 3x:
( tg 2x ) ′ = 2cos 2 2x;
( tg 3x ) ′ = 3cos 2 3x.

Ответ

( tg 2x ) ′ = 2cos 2 2x;
( tg 3x ) ′ = 3cos 2 3x;
( tg nx ) ′ = ncos 2 nx.

См. также
Все примеры вычисления производных с решениями > > >

Производные высших порядков

К сожалению, простой формулы, для производной n-го порядка от функции y = tg x, нет. Однако, если требуется найти производные высшего порядка, то процесс дифференцирования можно упростить и свести его к дифференцированию многочлена.

Для этого заметим, что производную от тангенса можно выразить через сам тангенс (через саму функцию):
y ′ = ( tg x ) ′ = 1cos 2 x = cos 2 x + sin 2 xcos 2 x = 1 + tg 2 x = 1 + y 2.
Тем самым мы нашли дифференциальное уравнение, которому удовлетворяет тангенс:
(6)   y ′ = 1 + y 2.

Найдем производную второго порядка, дифференцируя уравнение (6) и применяя правило дифференцирования сложной функции:
y ′′ = ( y ′ ) ′ = ( 1 + y 2 ) ′y ⋅ y ′ = 2y ⋅ y ′.
Подставим (6):
(7)   y ′′ = 2y( 1 + y 2 ) = 2( y + y 3 ).

Найдем производную третьего порядка. Для этого дифференцируем уравнение (7) и применяем правило дифференцирования сложной функции. Также используем выражение (6) для первой производной:
y ′′′ = 2( y + y 3 ) ′y ⋅ y ′ = 2( 1 + 3y 2 ) ⋅ ( 1 + y 2 ) = 2( 1 + 4y 2 + 3y 4 ).

Аналогичным способом находим производные четвертого и пятого порядков:
y IV = 2( 1 + 4y 2 + 3y 4 ) ′y ⋅ y ′ = 2( 8y + 12y 3 ) ⋅ ( 1 + y 2 ) = 8( 2y + 3y 3 ) ⋅ ( 1 + y 2 ) =
 8( 2y + 5y 3 + 3y 5 );
y V = 8( 2y + 5y 3 + 3y 5 ) ′y ⋅ y ′ = 8( 2 + 15y 2 + 15y 4 ) ⋅ ( 1 + y 2 ) =
 8( 2 + 17y 2 + 30y 4 + 15y 6 ).

В общем виде, производную n-го порядка, по переменной x от функции тангенс, y = tg x, можно представить в виде многочлена по степеням тангенса:
y (n) = n + 1Σk = 0 a nk y k.
Коэффициенты a nk связаны рекуррентным соотношением:
a n + 1k = (k – 1) a nk – 1 + (k + 1) a nk + 1,
где
a 00 = 0;   a 01 = 1;
a m–1 = 0;  a mm + 2 = 0;  a mm + 3 = 0;   m = 1,  2,  3, ....

Общая формула

Процесс дифференцирования можно представить одной формулой. Для этого заметим, что
y (n + 1) = ( y (n) ) ′ = ( y (n) ) ′y ⋅ y ′ = y ′ ⋅ ddy y (n) = ( 1 + y 2 ) ⋅ ddy y (n).
Тогда n-я производная тангенса имеет следующий вид:
y (n) = [ ( 1 + y 2 ) ddy  ] n y,
где y = tg x.

Автор: Олег Одинцов.     Опубликовано:

▲
Меню