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三角関数の微分2
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三角関数の微分1_ でイメージをとらえたので,今度は解析的に公式を導いてみます.それには導関数の定義
\frac{df(x)}{dx} =\lim_{h\to 0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h}
を使います.この定義から素直に考えるだけです.
sin関数の導関数
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導関数の定義において, $f(x)$ を $\sin(x)$ に置き換えると
\frac{d}{dx}\sin(x) =\lim_{h\to 0}\frac{\sin(x+h)-\sin(x)}{h}
です.ここからどうしたらいいでしょうか.
三角関数に慣れている人なら,つぎの公式が思い浮かぶでしょう.
\sin A-\sin B=2\cos\frac{A+B}{2}\sin\frac{A-B}{2}
三角関数同士の足し算を積にする関係式です.微分積分の計算では,
三角関数の足し算を積に変えたり,その逆をしてみるとうまくいくことが多いです.
というわけで積の形に変形してみます.
\sin(x+h)-\sin(x) &= 2\cos\frac{(x+h)+(x)}{2}\sin\frac{(x+h)-(x)}{2}\\
&= 2\cos\frac{2x+h}{2}\sin\frac{h}{2}\\
&= 2\cos\left(x+\frac{h}{2}\right)\sin\frac{h}{2}
したがって,導関数の定義の式は
\frac{d}{dx}\sin(x) =\lim_{h\to 0}\frac{2\cos\left(x+\dfrac{h}{2}\right)\sin\dfrac{h}{2}}{h}
となり,分子が積の形になりました.分母分子を2で割ると
\frac{d}{dx}\sin(x)
&= \lim_{h\to 0} \frac{\cos\left(x+\dfrac{h}{2}\right)\sin\dfrac{h}{2}}{\dfrac{h}{2}}\\
&= \lim_{h\to 0}\cos\left(x+\dfrac{h}{2}\right) \frac{\sin\dfrac{h}{2}}{\dfrac{h}{2}}\\
&= \lim_{h\to 0}\cos\left(x+\dfrac{h}{2}\right) \cdot \lim_{h\to 0}\frac{\sin\dfrac{h}{2}}{\dfrac{h}{2}}
ここで $h\to 0$ の極限にもって行けば導関数が得られます.
$h\to 0$ のとき $\dfrac{h}{2}\to 0$ になるのはいいですよね.
分子がゼロになるのだから分数全体でもゼロです.ですから
\lim_{h\to 0}\cos\left(x+\dfrac{h}{2}\right)=\cos(x)
です. $\sin$ の方の極限ですが,
\lim_{h\to 0}\frac{\sin\dfrac{h}{2}}{\dfrac{h}{2}}=1
となるのは良いでしょうか.
この証明ははさみうちの方法で行いますが,ここでは公式として使います.以上より
\frac{d}{dx}\sin(x)
&= \lim_{h\to 0}\cos\left(x+\dfrac{h}{2}\right) \cdot \lim_{h\to 0}\frac{\sin\dfrac{h}{2}}{\dfrac{h}{2}}\\
&= \cos(x)\cdot 1\\
&= \cos(x)
となり, $\sin(x)$ の導関数が $\cos(x)$ であることが導かれました.
cos関数の導関数
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$\cos$ 関数の導関数も同様の方法で導くことができます.
\frac{d}{dx}\cos(x)
&= \lim_{h\to 0}\frac{\cos(x+h)-\cos(x)}{h}\\
&= \lim_{h\to 0} \frac{-2\sin\left(x+\dfrac{h}{2}\right)\sin\dfrac{h}{2}}{h}\\
&= \lim_{h\to 0} \frac{-\sin\left(x+\dfrac{h}{2}\right)\sin\dfrac{h}{2}}{\dfrac{h}{2}}\\
&= -\sin(x)\cdot 1\\
&= -\sin(x)
したがって, $\cos(x)$ の導関数が $-\sin(x)$ であることが導かれました.
2階微分したらどうなる?
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三角関数の導関数は重要な性質をもちます.それは,2階微分すると関数の形は変わらず,
符号だけ反転するという性質です.つまり,
\frac{d^2}{dx^2}\sin(x) &= \frac{d}{dx}\cos(x)=-\sin(x)\\
\frac{d^2}{dx^2}\cos(x) &= \frac{d}{dx}\{-\sin(x)\}=-\cos(x)
ということです.実数の範囲では,このような性質をもつ関数は三角関数だけです.
この性質により,三角関数は単振動の方程式
\frac{d^2 x}{dt^2}=-\omega^2 x
の解になっています.上式に $x=\sin(\omega t),\, x=\cos(\omega t)$ を
代入して計算すると両辺が等しくなるので,確かに解(特解)になっていることが確認できます.
.. _三角関数の微分1: ../trifuncDiff1/
@@author: 崎間@@
@@accept: 2004-07-26@@
@@category: 物理数学@@
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