三角関数の微分

sin\sin を微分すると cos\coscos\cos を微分すると sin-\sin になります144 回微分すると元に戻ります。

(sinx)=cosx(cosx)=sinx\begin{align*} \left( \sin x \right)' &= \cos x \\ \left( \cos x \right)' &= -\sin x \end{align*}

グラフで確かめる

微分するたびに波が左へ π2\dfrac{\pi}{2} ずれます。

xxsinx\sin x傾きcosx\cos x
00001111
π2\dfrac{\pi}{2}110000
π\pi001-11-1

sin\sin が最大になる点で傾きが 00 になることも、表から読み取れます。

44 回で戻る

微分の回数結果
11cosx\cos x
22sinx-\sin x
33cosx-\cos x
44sinx\sin x

22 回微分すると符号が反転するので、次が成り立ちます。

y=yy'' = -y

ばねの振動や振り子がこの式で書けるのは、sin\sincos\cos がこの性質をもつからです。

公式の証明

証明には limh0sinhh=1\lim_{h \to 0} \dfrac{\sin h}{h} = 1 を使います。和と差の公式で変形します。

sin(x+h)sinx=2cos(x+h2)sinh2\sin(x + h) - \sin x = 2\cos\left( x + \frac{h}{2} \right)\sin\frac{h}{2}

hh で割ると sin(h/2)h/21\dfrac{\sin(h/2)}{h/2} \to 1 から cosx\cos x が残ります。

ラジアンを使う理由

この極限は、角度をラジアンで測ったときにだけ 11 になります。度で測ると π1800.01745\dfrac{\pi}{180} \approx 0.01745 になり、微分するたびにこの係数が掛かってしまいます。微分積分でラジアンを使うのは、この係数を消すためです。

正接と逆三角関数

tanx\tan x は商の微分から求まります。

(tanx)=cos2x+sin2xcos2x=1cos2x\left( \tan x \right)' = \frac{\cos^2 x + \sin^2 x}{\cos^2 x} = \frac{1}{\cos^2 x}

常に正なので tan\tan は各区間で単調に増加します。cosx=0\cos x = 0 の近くで傾きが際限なく大きくなることは、漸近線に張り付く形と合っています。

逆三角関数もここから出ます。y=arcsinxy = \arcsin xsiny=x\sin y = x と書いて両辺を微分すると cosyy=1\cos y \cdot y' = 1cosy=1x2\cos y = \sqrt{1 - x^2} より次のようになります。

(arcsinx)=11x2\left( \arcsin x \right)' = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}

グラフの原点を通る波が y=sinxy = \sin x、その導関数が y=cosxy = \cos x、さらに微分したものが y=sinxy = -\sin x で、大きな点は (0,0)(0, 0)(0,1)(0, 1)(π2,0)\left( \dfrac{\pi}{2}, 0 \right) です。

  1. Differentiation of trigonometric functions、Wikipedia