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三角関数の微分、sin と cos はなぜ入れ替わるのか

三角関数の微分は、 つの公式から始まります[3]。

正弦を微分すると余弦、余弦を微分すると符号の付いた正弦。 つの関数が入れ替わりながら、符号だけが増えていきます。

青い線分が、その点での接線です。山の頂上で傾きが 、下り坂で負、谷底でまた 。この上下が余弦のグラフそのものになります。

出発点になる 2 つの極限

定義から計算するには、 での極限を つ用意します[1]。

前者は単位円の面積の比較から出ます。中心角 の扇形が、 つの三角形にはさまれる形。

面積の大小をそのまま式にすると です。各辺を で割ると となり、 で両端が に近づく[2]。

はさみうちの原理から、真ん中の値も に決まります。この極限が、三角関数の微分すべての土台。

正弦の導関数を定義から求める

加法定理で を開くところが出発点です。

両辺を で割ると、先ほどの極限が つとも顔を出します。

残るのは です。 が、極限 つと加法定理だけで出ました。

余弦は正弦から出せる

余弦は定義に戻らなくても求まります。 と書き直すだけ。

内側の から負号が生まれます。合成関数の微分を使えば、公式を つ覚えるだけで つぶん働く。

正接は商の微分で出る

に商の公式を当てます。

分子が になるのは、三角関数の基本の関係が効くためです。 は常に正なので、 は各区間で増え続ける。

4 回で元に戻る

微分を繰り返すと、 回で最初の関数に帰ってきます。

をもう一度微分すると に戻ります。余弦から始めても同じ輪をたどる。

この周期性は 階の公式にまとまります。 の 階微分は で、 を 増やすと角が 進んで元どおり。

例:内側に式が入る形

は合成関数です。外側の微分 に、内側の微分 を掛けます。

なら内側の微分が になり、。 なら です。

内側が 次式なら係数が前に出るだけ。 次式以上なら、その微分を書き添える手間が増えます。

例:積の形を微分する

を積の公式で計算します。片方だけ微分した項を つ作って足す形。

なら となり、倍角の公式で にまとまります。 と書き直してから微分しても、同じ答えにたどり着く。

例:分数の形を微分する

は商の公式です[1]。

なら になります。分子が の形は、 と見て合成の公式で処理しても結果は変わりません。

の導関数はどれか。

__RESULT__

とみて、外側の 2 乗を微分すると 、内側 の微分が です。積は で、倍角の公式から と書けます。

弧度法でないと成り立たない

が使えるのは、角を弧度法で測っているときだけです。度数法のままだと係数が付いてしまう。

という置きかえの、内側の微分が残るためです。 はおよそ で、公式の形をはっきり壊します。

弧度法が採用されているのは、この係数を にするため。角の測り方を変えただけで、微分の式がここまで簡単になります。

の導関数として正しいものはどれか。

__RESULT__

です。 なので、2 番目の形も同じものを表します。

使いどころ

振動の速度は位置を微分して求めます。 なら速度は 。
波の傾きが になる点を探すとき、余弦の零点を解くことになります。
極大と極小の判定では、 の符号がそのまま凹凸を決めます。
交流の電流と電圧の位相差は、微分で 度ずれることから説明できます。

三角関数が繰り返し現れる分野では、微分の周期性がそのまま計算の見通しになります。 回で戻るという性質を、道具として使えるかどうかが分かれ目。

参考文献

Derivatives of Trigonometric Functions - Calculus Volume 1, OpenStax
Differentiation of trigonometric functions - Wikipedia
Dérivées usuelles - Wikipédia(フランス語)
$(\sin x)' = \cos x$ と $(\cos x)' = -\sin x$ が入れ替わるのは、加法定理と $\lim_{h \to 0} \sin h / h = 1$ から出る帰結です。単位円の面積を三角形と扇形ではさむ図で、その極限を確かめます。正接は商の微分で $1/\cos^2 x$ に。4 回微分すると元へ戻る周期性、$\sin 2x$ や $x \sin x$ の計算例、そして度数法では公式が崩れる理由まで。