Краткое содержание
На этом занятии дифференцируются элементарные функции, до которых не дошло предыдущее занятие: синус и косинус, исходя из тригонометрических пределов раздела 1; тангенс, котангенс, секанс и косеканс, с помощью правил дифференцирования частного и обратной величины; экспонента и натуральный логарифм, исходя из их замечательных пределов; и гиперболические функции, исходя из экспоненты. Ни одно доказательство не использует ни правило дифференцирования сложной функции, ни правило дифференцирования обратной функции, которые появятся позже: в каждом случае формула сложения или свойство экспоненты или логарифма разделяет разностное отношение на множитель, зависящий только от точки, и другой множитель, являющийся уже известным пределом. С этими производными и правилами занятие вычисляет касательные и углы между трансцендентными кривыми и выполняет обещанное на предыдущем занятии: функция , дифференцируемая в , имеет производную, не имеющую предела в .
Цели обучения
- Доказать, что производная синуса есть косинус, а производная косинуса есть синус с противоположным знаком, и объяснить, почему переменная измеряется в радианах.
- Продифференцировать тангенс, котангенс, секанс и косеканс по правилам предыдущего занятия и указать область определения каждой производной.
- Доказать, что экспонента является своей собственной производной и что производная равна , и вывести отсюда производные гиперболических функций.
- Сочетать производные элементарных функций с правилами, чтобы находить касательные и углы между кривыми, и понимать, что производная может не иметь предела в точке, где функция дифференцируема.
Синус и косинус
Занятие о правилах дифференцирования продифференцировало все функции, которые получаются из тождественной функции и постоянных с помощью четырёх арифметических действий: многочлены и рациональные функции. Синус к ним не относится, и его производную нужно получить из его разностного отношения. В это отношение равно , и первый замечательный предел, из занятия о теореме о двух милиционерах, даёт производную . Для произвольной точки формула синуса суммы разделяет на слагаемое, зависящее только от , и слагаемое, зависящее только от ; оставшиеся отношения представляют собой два предела из следствия для тригонометрических пределов, из того же занятия: стремится к , а стремится к .
Синус и косинус дифференцируемы на всём , и для всякого действительного :
Используются производная через приращение аргумента, из занятия о производной как пределе, и формулы сложения из занятия о формулах сложения. Рисунок следит за касательной к графику синуса: её угловой коэффициент в каждой точке равен ординате косинуса в той же точке; в конце касательная к графику косинуса имеет угловой коэффициент, равный синусу с противоположным знаком.
Доказательство
Пусть есть действительное число и . По формуле синуса суммы приращение синуса разделяется на два слагаемых: одно с множителем , другое с множителем ; множители и не зависят от .
Делим на . По следствию для тригонометрических пределов оба отношения стремятся к и к ; по теореме о пределе линейной комбинации из арифметических свойств пределов разностное отношение имеет предел, и производная через приращение аргумента даёт производную синуса в .
По формуле косинуса суммы, , то же рассуждение даёт производную косинуса.
Доказательство использует то, что переменная измеряется в радианах: первый замечательный предел сравнивает синус с длиной дуги. Если бы угол измерялся в градусах, синус градусов был бы равен , и его производная содержала бы множитель (задача для самостоятельного решения 1). Поэтому радианы и есть та единица, в которой производная синуса равна косинусу, без множителей. Геометрический смысл теоремы показан на рисунке: синус возрастает там, где косинус положителен, и имеет горизонтальную касательную там, где косинус обращается в нуль; касательная к синусу в начале координат есть прямая , и поэтому вблизи функция похожа на , как уже показывала эквивалентность из занятия об эквивалентных бесконечно малых.
Загрузка содержимого…