2.4
考虑一个以恒定速度旋转的摩天轮。其边缘上某一点的垂直高度随时间平滑变化,遵循正弦波规律。
骑行者高度的变化速率也像另一列波一样平滑且周期性地变化。这一变化速率与正弦函数的导数相吻合。
为了求 sin x 的导数,从导数的极限定义出发,并将其应用于 sin x。
首先,使用加法公式展开 (x + h) 的正弦函数。然后,重新排列各项,并提取正弦 x 和余弦 x 的公因式。
当 h 趋近于零时,(cos h - 1) / h 趋近于零,而 sin h / h 趋近于 1。
代入这些极限可得,sin x 的导数是 cos x。
同样的方法表明,余弦 x 的导数是负的正弦 x。
由于正切函数是正弦与余弦的比值,求其导数时需应用商法则。将正弦函数和余弦函数的导数值代入后,再利用三角恒等式进行化简,可得正切函数的导数为正割的平方。
以恒定角速度旋转的摩天轮运动为理解三角函数及其导数提供了直观模型。当乘客沿圆形轨道运动时,其相对于地面的垂直高度随时间呈现平滑且周期性的变化。这种垂直位移可以用正弦函数加以精确刻画,体现了圆周运动中固有的周期性上升与下降规律。
高度与变化率
若将乘客的高度表示为正弦函数,则高度随时间变化的速率对应于该函…