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微积分 · 中文

由导数定义推导正弦函数的导数

从差商、和差化积与正弦基本极限推导正弦函数的导数;双语笔记明确弧度与固定求导位置的条件。

已审核学习内容 · 视频分析 · 中文

视频从导数定义出发,推导正弦函数在任意实数x处的导数。把函数代入差商后,用正弦的和差化积公式,把分子写成半角正弦与余弦的乘积;再把外面的倍数并入分母,使正弦比值具有已知基本极限的形式。结合余弦的连续性,最后得到正弦函数的导数为余弦。本站补充适用范围:角度使用弧度,x保持固定,h从非零值趋于0;正弦基本极限与余弦连续性是本推导采用的先修结论,视频没有在这里证明它们。画面0/0只表示直接代入得到不定式,不能视为极限值或合法除法。

预备知识

  • 极限的基本概念
  • 三角函数的基本性质
  • 和差化积公式
  • 极限的概念
  • 三角函数基础
  • 导数的极限定义
  • 三角函数基本公式
  • 极限的四则运算法则
  • 连续函数的性质

章节

0:00课程引入与导数几何意义0:13导数的极限定义0:30代入 sin x 构建极限表达式0:54引入和差化积公式化简分子1:20导数定义与代入1:30和差化积公式应用1:50极限式子变形2:10识别0/0型极限与重要极限2:40导数定义与和差化积2:50重要极限与变量匹配3:00极限拆分与计算3:40得出最终结论

学习解说文稿

依据视频画面与讲解整理,并非逐字语音转写。

导数衡量某一点的瞬时变化率。固定x,考察函数从x变化到x+h时的差商,再让非零的h趋于0;若极限存在且有限,就是该点的导数。

将正弦函数代入定义。目标不再是背诵一个求导公式,而是计算正弦在相邻两个输入处的差,除以输入的增量。直接代入只会遇到不定式,需要先改变式子的形式。

正弦的和差化积把两个正弦之差变成一个正弦因子和一个余弦因子的乘积。把两个角分别取为x+h与x,就能让角度差只剩h。

化简后,正弦的角是h/2,余弦的角是x+h/2。这一步把趋于0的增量与固定的求导位置分开,帮助我们分别处理两个因子。

画面标出0/0,是提醒不能直接替换后做除法。分子与分母同时趋于0并不能决定极限;这里可以利用恒等式,把差商改写成一个熟悉的极限乘一个连续函数。

已知弧度制下正弦比值的基本极限。本站说明:令u=h/2,u随h趋于0,而求导位置x保持固定。这个换元不要求x本身趋于0。

分子原来的倍数正好把分母h改成h/2,得到正弦半角除以同一半角的比值。它的极限为1;余弦因子则由连续性趋于cos x。

两个极限都存在,因此乘积极限为1乘cos x,得到正弦函数的导数。这里的x可以是任意实数,而角度单位必须与弧度制的基本极限相符。

知识卡片

01

导数

固定点的导数是差商存在且有限的极限;取极限时h非零并趋于0。

f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)hf'(x)=\lim_{h\to0}\frac{f(x+h)-f(x)}h
02

正弦函数的差商

把正弦代入导数定义,差商是正弦值的变化除以输入增量;位置x保持固定。

sin⁡(x+h)−sin⁡xh\frac{\sin(x+h)-\sin x}{h}
03

正弦的和差化积

和差化积把两个正弦之差改写为乘积;代入x+h与x后,得到半角正弦与余弦因子。

sin⁡A−sin⁡B=2sin⁡A−B2cos⁡A+B2\sin A-\sin B=2\sin\frac{A-B}2\cos\frac{A+B}2
04

半角比值的整理

h非零时,外面的倍数把分母h改为h/2,得到适用正弦基本极限的同角比值。

2sin⁡(h/2)h=sin⁡(h/2)h/2\frac{2\sin(h/2)}h=\frac{\sin(h/2)}{h/2}
05

正弦基本极限

基本比值极限使用弧度制;视频把它作为已知先修结论使用,没有在此证明。令u=h/2即可应用,原位置x仍固定。

lim⁡u→0sin⁡uu=1\lim_{u\to0}\frac{\sin u}{u}=1
06

正弦函数的导数

弧度制下,两因子分别趋于基本比值极限与cos x,乘积给出任意实数x处的导数;余弦连续性是采用的先修结论。

ddxsin⁡x=cos⁡x\frac{d}{dx}\sin x=\cos x

详细学习笔记

按知识点查看条件、步骤和证据。补充解释与视频直接内容分别标明。

符号定义 · 11

f(x) = \sin x

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    画面左侧写出 f(x)=sin⁡xf(x) = \sin x。

符号

f(x) = \sin x

含义

待求导的三角函数

适用范围

实数集

h

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    导数定义公式中出现 hh,且极限过程为 h→0h \to 0。

符号

h

含义

自变量的增量

适用范围

趋近于 0 的实数

A, B

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    和差化积公式中使用了变量 AA 和 BB。

符号

A, B

含义

任意角

适用范围

实数集

f(x)

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    f(x) = \sin x

符号

f(x)

含义

待求导的函数,此处为正弦函数

适用范围

实数集

h

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    h \to 0

符号

h

含义

自变量的增量

适用范围

实数集,趋于0

\lim

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    \lim_{h \to 0}

符号

\lim

含义

极限符号

适用范围

微积分

\sin

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    \sin A - \sin B

符号

\sin

含义

正弦函数

适用范围

实数集

\cos

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    \cos \frac{A+B}{2}

符号

\cos

含义

余弦函数

适用范围

实数集

f(x)

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    画面左上角写有 f(x) = \lim_{h \to 0} \frac{\sin(x+h) - \sin x}{h}

符号

f(x)

含义

函数 f 在 x 处的值,此处指代正弦函数 \sin x 的导数定义式

适用范围

实数

h

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    分母位置及极限符号下方写有 h 和 h \to 0

符号

h

含义

自变量的增量,趋于 0

适用范围

非零实数

x

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    正弦函数括号内写有 x 和 x+h

符号

x

含义

自变量

适用范围

实数

知识点 · 7

导数的定义

依据清楚
补充解释
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解内容转述:函数在某一点的导数定义为当自变量增量趋于零时,函数增量与自变量增量之比的极限。

  2. 公式
    观察依据

    画面右侧写出 f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)hf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h}。

定义
解释

函数在某一点的导数定义为当自变量增量趋于零时,函数增量与自变量增量之比的极限。

公式
f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)hf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h}
适用条件
  1. 极限存在

  2. 本站补充本次求导范围:使用弧度,x为固定实数,非零h趋于0。正弦基本极限与余弦连续性是先修结论,视频未在这里证明。

正弦的和差化积公式

依据清楚
补充解释
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解内容转述:将两个正弦函数的差转化为正弦和余弦函数的乘积形式。

  2. 公式
    观察依据

    画面下方写出 sin⁡A−sin⁡B=2sin⁡A−B2cos⁡A+B2\sin A - \sin B = 2\sin\frac{A-B}{2}\cos\frac{A+B}{2}。

公式
解释

将两个正弦函数的差转化为正弦和余弦函数的乘积形式。

公式
sin⁡A−sin⁡B=2sin⁡A−B2cos⁡A+B2\sin A - \sin B = 2\sin\frac{A-B}{2}\cos\frac{A+B}{2}
适用条件
  1. 本站补充本次求导范围:使用弧度,x为固定实数,非零h趋于0。正弦基本极限与余弦连续性是先修结论,视频未在这里证明。

导数的定义

依据清楚
补充解释
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h}

定义
解释

函数在某一点的导数定义为当自变量增量趋于零时,函数增量与自变量增量之比的极限。

公式
f′(x)=lim⁡h→0f(x+h)−f(x)hf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h}
适用条件
  1. 极限存在

  2. 本站补充本次求导范围:使用弧度,x为固定实数,非零h趋于0。正弦基本极限与余弦连续性是先修结论,视频未在这里证明。

和差化积公式

依据清楚
补充解释
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    \sin A - \sin B = 2\sin\frac{A-B}{2}\cos\frac{A+B}{2}

公式
解释

将两个正弦函数的差转化为正弦和余弦函数的乘积。

公式
sin⁡A−sin⁡B=2sin⁡A−B2cos⁡A+B2\sin A - \sin B = 2\sin\frac{A-B}{2}\cos\frac{A+B}{2}
适用条件
  1. 本站补充本次求导范围:使用弧度,x为固定实数,非零h趋于0。正弦基本极限与余弦连续性是先修结论,视频未在这里证明。

重要极限

依据清楚
补充解释
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1

公式
解释

当自变量趋于零时,正弦函数值与自变量之比的极限为1。

公式
lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1
适用条件
  1. 角度制下不成立,必须是弧度制

  2. 本站补充本次求导范围:使用弧度,x为固定实数,非零h趋于0。正弦基本极限与余弦连续性是先修结论,视频未在这里证明。

  3. 本站区分变量作用:本条基本极限中的x是局部变化的哑变量,与求导时固定的点不是同一作用。

和差化积公式

依据清楚
补充解释
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    画面右上角写有 \sin A - \sin B = 2\sin\frac{A-B}{2}\cos\frac{A+B}{2} 及其代入形式

公式
解释

将两个正弦函数的差转化为正弦与余弦乘积的三角恒等式。

公式
sin⁡A−sin⁡B=2sin⁡A−B2cos⁡A+B2\sin A - \sin B = 2\sin\frac{A-B}{2}\cos\frac{A+B}{2}
适用条件
  1. A, B 为任意实数

  2. 本站补充本次求导范围:使用弧度,x为固定实数,非零h趋于0。正弦基本极限与余弦连续性是先修结论,视频未在这里证明。

重要极限

依据清楚
补充解释
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    画面右侧中部写有 \lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1

公式
解释

当自变量趋于 0 时,正弦值与自变量的比值极限为 1。

公式
lim⁡x→0sin⁡xx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1
适用条件
  1. 角度单位为弧度

  2. 本站补充本次求导范围:使用弧度,x为固定实数,非零h趋于0。正弦基本极限与余弦连续性是先修结论,视频未在这里证明。

  3. 本站区分变量作用:本条基本极限中的x是局部变化的哑变量,与求导时固定的点不是同一作用。

推导与证明 · 3

利用定义求 sin x 导数的初步推导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解内容转述:将导数定义的极限表达式中的分子转化为乘积形式,为后续计算极限做准备。

  2. 公式
    观察依据

    画面左下方写出 f′(x)=lim⁡h→0sin⁡(x+h)−sin⁡xhf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{\sin(x+h) - \sin x}{h},随后写出和差化积公式并代入得到 sin⁡(x+h)−sin⁡x\sin(x+h) - \sin x 的展开式开头。

待核验内容
  1. 片段在代入和差化积公式后结束,未展示完整的化简和求极限过程。

严格证明
步骤
  1. 公式
    f′(x)=lim⁡h→0sin⁡(x+h)−sin⁡xhf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{\sin(x+h) - \sin x}{h}
    解释

    将 f(x)=sin⁡xf(x) = \sin x 代入导数定义公式中。

    步骤依据

    导数的定义

    视频直接表达
  2. 公式
    sin⁡(x+h)−sin⁡x=2sin⁡(x+h)−x2cos⁡(x+h)+x2\sin(x+h) - \sin x = 2\sin\frac{(x+h)-x}{2}\cos\frac{(x+h)+x}{2}
    解释

    对分子使用正弦的和差化积公式进行变形。

    步骤依据

    和差化积公式

    视频直接表达
结论

将导数定义的极限表达式中的分子转化为乘积形式,为后续计算极限做准备。

正弦函数导数的推导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    逐步推导过程

严格证明
步骤
  1. 公式
    f′(x)=lim⁡h→0sin⁡(x+h)−sin⁡xhf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{\sin(x+h) - \sin x}{h}
    解释

    代入导数定义

    步骤依据

    导数的定义

    视频直接表达
  2. 公式
    =lim⁡h→02sin⁡x+h−x2cos⁡x+h+x2h= \lim_{h \to 0} \frac{2\sin\frac{x+h-x}{2}\cos\frac{x+h+x}{2}}{h}
    解释

    使用和差化积公式展开分子

    步骤依据

    和差化积公式

    视频直接表达
  3. 公式
    =lim⁡h→02sin⁡h2cos⁡2x+h2h= \lim_{h \to 0} \frac{2\sin\frac{h}{2}\cos\frac{2x+h}{2}}{h}
    解释

    化简括号内的表达式

    步骤依据

    代数化简

    视频直接表达
  4. 公式
    =lim⁡h→0sin⁡h2h2⋅cos⁡(x+h2)= \lim_{h \to 0} \frac{\sin\frac{h}{2}}{\frac{h}{2}} \cdot \cos\left(x + \frac{h}{2}\right)
    解释

    将分母 h 拆分为 2 * (h/2),并与分子的 2 约分,同时分离出余弦项

    步骤依据

    代数变形

    依据视频推导
结论

当前分析段推导至基本极限的形式,段末尚未给出最终结果\cos x;实际全片继续,在下一段完成推导。

正弦函数导数的推导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    画面左侧展示了从导数定义到最终结果的完整代数变形过程

  2. 声音
    观察依据

    讲解内容转述:正弦函数的导数是余弦函数,即 (\sin x)' = \cos x。

待核验内容
  1. 本站记号核对:后段解析漏识小prime,前段原分辨率清晰导数定义及完整推导确认此式表示导数而非函数值;不声称模型原识别毫无歧义。

严格证明
步骤
  1. 公式
    f′(x)=lim⁡h→0sin⁡(x+h)−sin⁡xhf'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{\sin(x+h) - \sin x}{h}
    解释

    写出正弦函数的导数定义式。

    步骤依据

    导数的极限定义

    补充解释
  2. 公式
    =lim⁡h→02sin⁡h2cos⁡2x+h2h= \lim_{h \to 0} \frac{2\sin\frac{h}{2}\cos\frac{2x+h}{2}}{h}
    解释

    利用和差化积公式展开分子。

    步骤依据

    三角恒等式 \sin A - \sin B = 2\sin\frac{A-B}{2}\cos\frac{A+B}{2}

    视频直接表达
  3. 公式
    =lim⁡h→0sin⁡h2h2⋅lim⁡h→0cos⁡2x+h2= \lim_{h \to 0} \frac{\sin\frac{h}{2}}{\frac{h}{2}} \cdot \lim_{h \to 0} \cos\frac{2x+h}{2}
    解释

    将常数 2 移入分母凑成 \frac{h}{2},并利用极限乘法法则拆分。

    步骤依据

    代数变形与极限运算法则

    视频直接表达
  4. 公式
    =1⋅cos⁡x= 1 \cdot \cos x
    解释

    第一个极限根据重要极限等于 1;第二个极限由于余弦函数连续,直接代入 h=0 得到 \cos x。

    步骤依据

    重要极限 \lim_{t \to 0} \frac{\sin t}{t} = 1 及余弦函数的连续性

    视频直接表达
  5. 公式
    (sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)' = \cos x
    解释

    得出最终结论。

    步骤依据

    推导结果

    视频直接表达
结论

正弦函数的导数是余弦函数,即 (\sin x)' = \cos x。

图示与动画 · 3

导数几何意义的示意图

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 图示
    观察依据

    画面右上方展示了一个函数图像,包含曲线 y=f(x)y=f(x)、割线、切线以及相关的坐标和长度标注。

图中对象
  1. 曲线 y=f(x)

  2. 点 P(x, f(x))

  3. 点 Q(z, f(z))

  4. 割线

  5. 切线

  6. 水平线段 h = z - x

  7. 垂直线段 f(z) - f(x)

变化过程
  1. 无动态变化,为静态展示图。

不变量
  1. 割线斜率公式 Secant slope is \frac{f(z) - f(x)}{z - x}

  2. 导数定义公式 Derivative of f at x is f'(x) = \lim_{h \to 0} \frac{f(x+h) - f(x)}{h} = \lim_{z \to x} \frac{f(z) - f(x)}{z - x}

数学含义

直观展示了导数作为切线斜率的几何意义,以及割线斜率极限与导数定义的关系。

公式书写过程

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    手写公式逐步出现在网格纸上

图中对象
  1. 红色笔迹

  2. 蓝色笔迹

  3. 网格纸

变化过程
  1. 公式从左到右、从上到下逐步写出

不变量
  1. 背景网格纸不变

数学含义

展示了正弦函数导数定义的推导过程。

红框标注变量一致性

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    红色方框依次圈出 \sin x 中的 x、分母 x、\sin\frac{h}{2} 中的 \frac{h}{2} 以及分母 \frac{h}{2}

图中对象
  1. 红色方框

  2. 数学公式中的变量

变化过程
  1. 红框在不同变量间移动

不变量
  1. 公式本身的代数结构不变

数学含义

强调在使用重要极限时,正弦函数内部的变量必须与分母的变量完全一致,且都趋于 0。

易错点 · 2

0/0型未定式

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解内容转述:在求极限的过程中,当变量趋于某个值时,分子分母同时趋于0,这属于0/0型未定式,需要通过化简(如使用重要极限)来求解。

误区

认为极限式子中出现分母为0就是无意义的。

说明

在求极限的过程中,当变量趋于某个值时,分子分母同时趋于0,这属于0/0型未定式,需要通过化简(如使用重要极限)来求解。

重要极限的变量匹配

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解内容转述:必须保证正弦函数括号内的整体表达式与分母完全相同,且该整体表达式趋于 0。

  2. 动画
    观察依据

    使用红框高亮显示分子和分母中的相同变量

误区

认为只要分子是 sin(某式),分母是另一个式子,就可以直接套用极限为 1 的结论。

说明

必须保证正弦函数括号内的整体表达式与分母完全相同,且该整体表达式趋于 0。

概念关系 · 7

导数的定义 → 利用定义求 sin x 导数的初步推导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解内容转述:将导数的一般定义应用于具体函数 f(x)=sin⁡xf(x) = \sin x,构建求导的极限表达式。

应用
解释

将导数的一般定义应用于具体函数 f(x)=sin⁡xf(x) = \sin x,构建求导的极限表达式。

正弦的和差化积公式 → 利用定义求 sin x 导数的初步推导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解内容转述:在和差化积公式中,令 A=x+hA = x+h,B=xB = x,用于化简导数极限表达式的分子。

应用
解释

在和差化积公式中,令 A=x+hA = x+h,B=xB = x,用于化简导数极限表达式的分子。

导数的定义 → 正弦函数导数的推导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    使用导数定义进行推导

应用
解释

导数的定义被应用于推导正弦函数的导数。

和差化积公式 → 正弦函数导数的推导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    使用和差化积公式

应用
解释

和差化积公式被用于化简导数定义中的分子。

重要极限 → 正弦函数导数的推导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    提到重要极限

应用
解释

重要极限是解决推导过程中出现的0/0型极限的关键工具。

和差化积公式 → 正弦函数导数的推导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    推导的第二步直接使用了右上角给出的和差化积公式

应用
解释

和差化积公式被应用于导数定义的分子变形中。

重要极限 → 正弦函数导数的推导

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    推导的第四步计算第一个极限时,直接得出了 1

应用
解释

重要极限用于计算拆分后的第一个因子的极限值。

问题定位 · 5

如何利用导数的定义求 sin x 的导数?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解内容转述:如何利用导数的定义求 sin x 的导数?

涉及知识点
  1. 导数的定义
  2. 利用定义求 sin x 导数的初步推导

正弦函数的和差化积公式是什么?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 公式
    观察依据

    画面写出了 sin A - sin B 的和差化积公式。

涉及知识点
  1. 正弦的和差化积公式

如何用定义法求 sin(x) 的导数?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解内容转述:如何用定义法求 sin(x) 的导数?

涉及知识点
  1. 导数的定义
  2. 和差化积公式
  3. 重要极限
  4. 正弦函数导数的推导

如何用极限定义证明 sin x 的导数是 cos x?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 声音
    观察依据

    讲解内容转述:如何用极限定义证明 sin x 的导数是 cos x?

涉及知识点
  1. 正弦函数导数的推导

在使用重要极限 lim(sin x)/x = 1 时需要注意什么?

依据清楚
视频直接表达
来源依据
  1. 动画
    观察依据

    红框专门圈出了需要匹配的变量

涉及知识点
  1. 重要极限的变量匹配
  2. 重要极限
覆盖情况与待核验内容

已覆盖 · 开场介绍及导数几何意义示意图展示。

已覆盖 · 板书并讲解导数的极限定义公式。

已覆盖 · 将 f(x)=sin x 代入导数定义,写出极限表达式。

已覆盖 · 引入和差化积公式并开始对分子进行变形。

已覆盖 · 完整覆盖了视频片段内的数学推导和讲解内容。

已覆盖 · 展示导数定义及和差化积公式的应用。

已覆盖 · 讲解重要极限及变量匹配的注意事项。

已覆盖 · 进行代数变形,拆分极限并计算结果。

已覆盖 · 得出最终结论 (\sin x)' = \cos x。

探索视频中的知识

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  • 导数 讲解定位 0:15
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    Candidate from reviewed zh material v1: 固定点的导数是差商存在且有限的极限;取极限时h非零并趋于0。

    Candidate from reviewed en material v1: The derivative at a fixed point is the finite limit of its difference quotient, when that limit exists. In the limit, h is nonzero and approaches 0.