正弦函数求导公式基本推导

以前背过正弦函数的求导公式,就是sin'x = cos x,可是总也没推导过。这两天看了很多网上的推导做法,简直是误人子弟。含糊不清的,曲线救国的,各种做法满天飞,也是好笑。在这儿,我尽量地再仔细地推导一遍,本着“为往圣继绝学”的远大理想,为伟大的科普事业添砖加瓦罢。

函数式求导公式的推导是有一个基本原则的:用极限的手段,推导函数式在自变量变化的同时,因变量的变化趋势。用几何中的说法就是,导式就是斜率的函数式。

废话不多说,以下正弦函数的求导公式证明,会用到导数的定义三角函数的部分推导式、三角函数的几何特性和高等数学的夹逼定理等手段,来做一次“步骤无跳跃”的推导。


第一阶段的推导:

第一阶段

上图中第一行是求导公式的定义,第二行是借助了三角函数的和差化积公式(如下)
和差化积公式

第三行是简单化简,第四行推导的理由是第三行中的因式可如下推导
第四步

至此,第一阶段推导的结果归结到求下式的值
关键式
这个式子的值等价于
等价式
这个式子中除了△x外并没有其他变量,所以这个式子的值是一个常数(其实就是sin’(0)的值)。求得这个常数,就能得到正弦公式的导式了,我们把这个求值过程交给第二阶段来做。


第二阶段的求解:

其实第一阶段最后的式子,是需要使用夹逼定理和一些几何特性来证明的,不可以用任何微积分的结果来证明这个式子的值。

我不重复解释夹逼定理了,直接搬来维基的答案,如下:

夹逼定理对式子求解的答案

怎么样,这份答案够详细了吧。不过啊不过,这份维基的推导中,有一行,我是无论如何都没弄明白为啥会直接列出来,就是那句arcAD<AE。我眼神不好,这个弧AD看起来好像是比线段AE短的,但是数学猜想才能靠直觉,这里是数学求解,这是不可以用直觉来得结果的。

那么,有没有严谨的做法来证明:当0<θ<π/2时,线段AE比弧AD长。请大家来继续看最后一阶段的证明好了。


第三阶段的证明(感谢Steven_Tseng提供的帮助):

三角形OAD的面积是
三角形OAD的面积

三角形OAE的面积是
三角形OAE的面积

扇形OAD的面积是
扇形OAD的面积

三者的大小关系是:三角形OAD < 扇形OAD < 三角形OAE,即:
面积大小关系

所以,sinθ<θ<tanθ。
又arcAD = r * θ,AE = r * tanθ,所以arcAD < AE。于是,以上得证。


The end.

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