y=sinx の各点で接線を引き、その傾きを並べていくと y=cosx が描けます。
(sinx)′=cosx,(cosx)′=−sinx
x=0 で sin のグラフは最も急に昇り、傾きは 1。cos0=1 と合っています。
x=2π では頂上なので傾きは 0。cos2π=0。ここも合う。
係数が付かないきれいな形になるのは、角をラジアンで測っているからです[1]。
定義に戻って導く
微分の定義に入れます。
(sinx)′=h→0limhsin(x+h)−sinx
分子を加法定理でばらします。sin(x+h)=sinxcosh+cosxsinh。
hsinxcosh+cosxsinh−sinx=sinx⋅hcosh−1+cosx⋅hsinh
sinx でくくれる部分と、cosx でくくれる部分に分かれました。
ここで極限の 2 つの結果を使います。hsinh→1 と hcosh−1→0 です[2]。
前半は sinx×0=0、後半は cosx×1=cosx。合わせて cosx が残ります。
加法定理と 2 つの極限。この 2 つがあれば、微分公式は自分で作れます。
cos の微分に負号が付く理由
cos でも同じ計算をすると −sinx が出ます。負号はどこから来たのか。
グラフで見ると素直です。x=0 の近くで cos は下り坂になっています。
cos0=1 が最大値で、そこから減っていく。だから傾きは負です。−sin0=0 から始まり、負へ入る。
sin が上り坂から始まるのに対し、cos は頂上から始まる。この差が負号になっています。
tan の微分
tanx=cosxsinx なので、商の微分を当てます。
分子は (sinx)′cosx−sinx(cosx)′=cos2x+sin2x=1。
分母は cos2x です。
(tanx)′=cos2x1
分子が 1 になるのは相互関係のおかげ。sin2+cos2=1 がここでも効いています[3]。
cos2x1 はつねに正です。tan のグラフが各区間で増え続けることと合っています。
1+tan2x=cos2x1 を使って (tanx)′=1+tan2x と書くこともあります。
中身が x でないとき
(sin2x)′ は cos2x ではありません。中身の微分が外に出ます。
(sinax)′=acosax
(sin2x)′=2cos2x、(cos3x)′=−3sin3x です。
確かめ方があります。sin2x は sinx より波が 2 倍細かいので、傾きも 2 倍きつくなる。
一般の合成でも同じです。(sinf(x))′=f′(x)cosf(x)。
(sin(x2))′=2xcos(x2) になります。中身をそのまま残し、その微分を前に掛ける。
| (sinx)′ | cosx |
| (cosx)′ | −sinx |
| (tanx)′ | cos2x1 |
| (sinax)′ | acosax |
| (cosax)′ | −asinax |
| (sin2x)′ | 2sinxcosx=sin2x |
積になっている場合
y=xsinx を微分します。積の微分公式を使う。
(fg)′=f′g+fg′ なので、(xsinx)′=1×sinx+x×cosx=sinx+xcosx。
y=exsinx なら exsinx+excosx=ex(sinx+cosx) です。
sin2x は合成として扱えます。2sinx×(sinx)′=2sinxcosx。
2sinxcosx=sin2x なので、(sin2x)′=sin2x とも書ける。2 倍角がここで顔を出します。
4 回微分すると戻る
sinx を続けて微分していきます。cosx、−sinx、−cosx、そして sinx。
4 回で一巡します。90∘ ずつ回っている、と見ることもできる。
100 回微分せよ、という問題はこの周期で解けます。100÷4=25 で余りが 0 なので、sinx に戻る。
101 回なら余りが 1 で cosx です。余りだけを見ればよい。
canvas: 式は呼び出しにそのまま書いてください。この引数は焼けません -> drawMath(… cycleLabel[index] …)
極値を求める
y=sinx+cosx の 0≤x<2π での最大と最小を出します。
微分すると y′=cosx−sinx。y′=0 を解きます。
cosx=sinx から tanx=1、つまり x=4π と 45π。
x=4π の前後で y′ は正から負へ変わるので、ここが極大です。
値は 22+22=2。x=45π では −2 で極小になります。
合成すると 2sin(x+4π) なので、振幅が 2。微分せずとも同じ答えが読めます。
2 通りで一致したので、計算に自信が持てます。
まちがえやすい点
(cosx)′ の負号を落とす誤りが最も多い。sin から cos へは符号がそのまま、cos から sin へは負が付きます。
sin のグラフが原点で上り、cos が x=0 で下る。ここを思い出せば向きが決まります。
(sin2x)′ を cos2x とする誤りも同じくらい起きます。中身の微分 2 を外に出します。
dxdsinx∘ を cosx∘ とする誤りもあります。度では 180π が掛かる[1]。
(tanx)′ を sin2x1 とするとり違えも見ます。分母は cos のほうです。
y=cos3x を微分するとどれになりますか。
__RESULT__
(cosax)′=−asinax です。a=3 なので −3sin3x になります。負号は cos の微分から、3 は中身 3x の微分から出てきます。両方をそろえて初めて正しい形です。
積の形も確かめます。
y=xcosx を微分するとどれになりますか。
- cosx−xsinx
- cosx+xsinx
- −sinx
__RESULT__
積の微分 (fg)′=f′g+fg′ を当てます。f=x、g=cosx なので 1×cosx+x×(−sinx)=cosx−xsinx です。cos の微分の負号が、そのまま第 2 項の符号になります。
加法定理でばらし、2 つの極限を当てる。微分公式は覚える前に、一度は自分で作れます。
参考文献
Trigonometric functions. Encyclopedia of Mathematics((sinx)′=cosx、(tanx)′=cos2x1). Proof of Trig Limits. Paul's Online Notes, Lamar University(2 つの極限から微分公式へ). É. Bouchet. Trigonométrie, Cours de PCSI, Définition 1.3 と Prérequis(tan の定義と sin2+cos2=1).
$y = \sin x$ の各点で接線を引き、傾きを並べていくと $y = \cos x$ が現れます。$x = 0$ で傾き $1$、頂上で $0$。定義に戻ると、加法定理で $\sin(x+h)$ をばらしたあと $\dfrac{\sin h}{h} \to 1$ と $\dfrac{\cos h - 1}{h} \to 0$ を当てるだけで導けます。$\cos$ の微分に負号が付くのは、$x=0$ が頂上で下り坂だから。$(\tan x)' = \dfrac{1}{\cos^2 x}$ の分子が $1$ になる仕組み、$(\sin 2x)'$ に $2$ が出る理由、4 回で一巡することを使う $100$ 回微分まで。
(cosax)′=−asinax です。a=3 なので −3sin3x になります。負号は cos の微分から、3 は中身 3x の微分から出てきます。両方をそろえて初めて正しい形です。