Derivace goniometrických. Jakub Michálek,

Podobné dokumenty
Derivace goniometrických funkcí

4.3.4 Základní goniometrické vzorce I

4.3.3 Základní goniometrické vzorce I

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ PRŮVODCE GB01-P03 MECHANIKA TUHÝCH TĚLES

Funkce tangens. cotgα = = B a. A Tangens a cotangens jsou definovány v pravoúhlém trojúhelníku: a protilehlá b přilehlá.

Funkce tangens. cotgα = = Předpoklady: B a. A Tangens a cotangens jsou definovány v pravoúhlém trojúhelníku: a protilehlá b přilehlá

15. Goniometrické funkce

Nejprve si připomeňme z geometrie pojem orientovaného úhlu a jeho velikosti.

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2015

l, l 2, l 3, l 4, ω 21 = konst. Proved te kinematické řešení zadaného čtyřkloubového mechanismu, tj. analyticky

Radián je středový úhel, který přísluší na jednotkové kružnici oblouku délky 1.

2 Fyzikální aplikace. Předpokládejme, že f (x 0 ) existuje. Je-li f (x 0 ) vlastní, pak rovnice tečny ke grafu funkce f v bodě [x 0, f(x 0 )] je

Derivace. Petr Hasil. Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF)

Funkce kotangens

Vyřešením pohybových rovnic s těmito počátečními podmínkami dostáváme trajektorii. x = v 0 t cos α (1) y = h + v 0 t sin α 1 2 gt2 (2)

KLASICKÁ MECHANIKA. Předmětem mechaniky matematický popis mechanického pohybu v prostoru a v čase a jeho příčiny.

13. cvičení z Matematické analýzy 2

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

9.2. Zkrácená lineární rovnice s konstantními koeficienty

12 DYNAMIKA SOUSTAVY HMOTNÝCH BODŮ

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

Projekty - Vybrané kapitoly z matematické fyziky

V této kapitole si zobecníme dříve probraný pojem limita posloupnosti pro libovolné funkce.

Zadání. Goniometrie a trigonometrie

Matematika I (KX001) Užití derivace v geometrii, ve fyzice 3. října f (x 0 ) (x x 0) Je-li f (x 0 ) = 0, tečna: x = 3, normála: y = 0

Funkce kotangens. cotgα = = Zopakuj všechny části předchozí kapitoly pro funkci kotangens. B a

Mechanika - kinematika

( ) ( ) Vzorce pro dvojnásobný úhel. π z hodnot goniometrických funkcí. Předpoklady: Začneme příkladem.

Vzorce pro poloviční úhel

1. Náhodný vektor (X, Y ) má diskrétní rozdělení s pravděpodobnostní funkcí p, kde. p(x, y) = a(x + y + 1), x, y {0, 1, 2}.

KMITÁNÍ PRUŽINY. Pomůcky: Postup: Jaroslav Reichl, LabQuest, sonda siloměr, těleso kmitající na pružině

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

III Rychlé určování hodnot funkcí sinus a cosinus. Předpoklady: 4207, 4208

VZOROVÝ TEST PRO 2. ROČNÍK (2. A, 4. C)

Derivace funkce. Přednáška MATEMATIKA č Jiří Neubauer

Fyzika 1 - rámcové příklady Kinematika a dynamika hmotného bodu, gravitační pole

Goniometrie a trigonometrie

Příklady pro předmět Aplikovaná matematika (AMA) část 1

Rovnice rovnováhy: ++ =0 x : =0 y : =0 =0,83

M - Příprava na 3. čtvrtletní písemnou práci

Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,2 m. Graf závislosti dráhy s na počtu kyvů n 2 pro h = 0,3 m

Měření momentu setrvačnosti

4.3.3 Goniometrické nerovnice

[obrázek γ nepotřebujeme, interval t, zřejmý, integrací polynomu a per partes vyjde: (e2 + e) + 2 ln 2. (e ln t = t) ] + y2

PŘEDNÁŠKA 6 INTEGRACE POMOCÍ SUBSTITUCE

Metody výpočtu limit funkcí a posloupností

Mgr. Tomáš Kotler. I. Cvičný test 2 II. Autorské řešení 6 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium Studijní program Fyzika obor Učitelství fyziky matematiky pro střední školy

4.3.8 Vzorce pro součet goniometrických funkcí. π π. π π π π. π π. π π. Předpoklady: 4306

B. MECHANICKÉ KMITÁNÍ A VLNĚNÍ

Seriál II.II Vektory. Výfučtení: Vektory

JEDNOTKY. E. Thöndel, Ing. Katedra mechaniky a materiálů, FEL ČVUT v Praze. Abstrakt

CVIČNÝ TEST 1. OBSAH I. Cvičný test 2. Mgr. Tomáš Kotler. II. Autorské řešení 6 III. Klíč 21 IV. Záznamový list 23

1 Rozdělení mechaniky a její náplň

Příklad 1. Řešení 1a Máme vyšetřit lichost či sudost funkce ŘEŠENÉ PŘÍKLADY Z M1A ČÁST 3

FYZIKA I. Rovnoměrný, rovnoměrně zrychlený a nerovnoměrně zrychlený rotační pohyb

Limita funkce. FIT ČVUT v Praze. (FIT) Limita funkce 3.týden 1 / 39

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

Řešení 1a Budeme provádět úpravu rozšířením směřující k odstranění odmocniny v čitateli. =lim = 0

11. cvičení z Matematické analýzy 2

Příklady na testy předmětu Seminář z matematiky pro studenty fakulty strojní TUL.

Přijímací zkouška pro nav. magister. studium, obor učitelství F-M, 2012, varianta A

Obsah. Kmitavý pohyb. 2 Kinematika kmitavého pohybu 2. 4 Dynamika kmitavého pohybu 7. 5 Přeměny energie v mechanickém oscilátoru 9

Rychlost, zrychlení, tíhové zrychlení

DERIVACE FUNKCE, L HOSPITALOVO PRAVIDLO

Mgr. Tomáš Kotler. I. Cvičný test 2 II. Autorské řešení 7 III. Klíč 15 IV. Záznamový list 17

Pracovní list vzdáleně ovládaný experiment. Obr. 1: Matematické kyvadlo.

9.7. Vybrané aplikace

6 Skalární součin. u v = (u 1 v 1 ) 2 +(u 2 v 2 ) 2 +(u 3 v 3 ) 2

F n = F 1 n 1 + F 2 n 2 + F 3 n 3.

Goniometrické a hyperbolické funkce

Teorie. Hinty. kunck6am

PRIMITIVNÍ FUNKCE. Primitivní funkce primitivní funkce. geometrický popis integrály 1 integrály 2 spojité funkce konstrukce prim.

Univerzita Karlova v Praze Pedagogická fakulta

Matematická analýza III.

5. cvičení z Matematiky 2

Obyčejnými diferenciálními rovnicemi (ODR) budeme nazývat rovnice, ve kterých

16. Goniometrické rovnice

K OZA SE PASE NA POLOVINĚ ZAHRADY Zadání úlohy

(test version, not revised) 9. prosince 2009

Dvojné a trojné integrály příklad 3. x 2 y dx dy,

3.1. Newtonovy zákony jsou základní zákony klasické (Newtonovy) mechaniky

5. Pro jednu pružinu změřte závislost stupně vazby na vzdálenosti zavěšení pružiny od uložení

9. cvičení z Matematické analýzy 2

III Určování hodnot funkcí sinus a cosinus

Je založen na pojmu derivace funkce a její užití. Z předchozího studia je třeba si zopakovat a orientovat se v pojmech: funkce, D(f), g 2 : y =

Projekt OPVK - CZ.1.07/1.1.00/ Matematika pro všechny. Univerzita Palackého v Olomouci

4.3.3 Goniometrické nerovnice I

Kinematika tuhého tělesa. Pohyb tělesa v rovině a v prostoru, posuvný a rotační pohyb

PRIMITIVNÍ FUNKCE DEFINICE A MOTIVACE

6. a 7. března Úloha 1.1. Vypočtěte obsah obrazce ohraničeného parabolou y = 1 x 2 a osou x.

BIOMECHANIKA KINEMATIKA

ANALYTICKÁ GEOMETRIE V ROVINĚ

4. GONIOMETRICKÉ A CYKLOMETRICKÉ FUNKCE, ROVNICE A NEROVNICE 4.1. GONIOMETRICKÉ FUNKCE

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

FAKULTA STAVEBNÍ VUT V BRNĚ PŘIJÍMACÍ ŘÍZENÍ PRO AKADEMICKÝ ROK

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

Matematika II, úroveň A ukázkový test č. 1 (2018) 1. a) Napište postačující podmínku pro diferencovatelnost funkce n-proměnných v otevřené

, = , = , = , = Pokud primitivní funkci pro proměnnou nevidíme, pomůžeme si v tuto chvíli jednoduchou substitucí = +2 +1, =2 1 = 1 2 1

Transkript:

Derivace goniometrických funkcí Jakub Michálek, Tomáš Kučera

Shrnutí Odvodí se základní vztahy pro derivace funkcí sinus a cosinus za pomoci věty o třech limitách, odvodí se také dvě důležité limity. Vypočítá se příklad s pohybem po kružnici a příklad s matematickým kyvadlem.

Věta o sevření limitami Také známá jako věta o třech limitách. Věta: f 1, f 2, f 3 : x R : f 1 (x) f 2 (x) f 3 (x) lim x x0 f 1 (x) = lim x x0 f 3 (x) lim x x0 f 1 (x) = lim x x0 f 2 (x). Úkol: slovně přeformulujte a zdůvodněte.

Definice funkcí sinus a cosinus Definice: Existuje právě jedna dvojice funkcí, která má následující vlastnosti (označíme je sin x a cosx):! (sin x, cosx): 1. x R : sin 2 x + cos 2 x = 1 2. x, y R : sin(x + y) = cosxsin y + sinxcos y

3. x, y R : cos(x + y) = cosxcos y sinxsin y 4. 0 < xcosx < sin x < x pro 0 < x < 1 Dá se dokázat, že dané vztahy splňuje právě jedna dvojice funkcí sinx a cosx definovaných tak, jak je známe z jednotkové kružnice.

Měření úhlů Úhly se měří v radiánech. Celý úhel (360 ) má velikost 2π: platí totiž, že úhel je vyjadřován délkou oblouku, který vyseknou ramena úhlu na jednotkové kružnici (kružnice s poloměrem 1 jednotka).

Jednotková kružnice Na následujícím obrázku jsou zachyceny důležité goniometrické funkce:

Toto znázornění využívá toho, že dle obvyklé definice (protilehlá ku přeponě atd.) je ve jmenovateli zlomku jednička. Důkaz derivace sinu Budeme vycházet z definice derivace: d y (x + h) y (x) y (x) = lim dx h 0 h

sinx(cosh 1) + cosxsin h = lim = h 0 h d sin (x + h) sin (x) sinx = lim dx h 0 h Součet argumentů rozepíšeme podle vlastnosti funkce sinus z definice: sin xcosh + cosxsin h sin x = lim = h 0 h

sinx(cosh 1) cosxsin h = lim + lim = h 0 h h 0 h cosh 1 sin h = sin x lim + cosx lim h 0 h h 0 h Nyní pouze zbývá vyšetřit, k čemu se cos h 1 blíží výrazy h a sin h h pro h jdoucí k nule.

Úvaha s trojúhelníky Představme si jednotkovou kružnici na obrázku níže.

Zřejmě bude platit pro velikost obsahů: S OCB S OEB S OED Pro jednotlivé obsahy trojúhelníků bude platit (vypočítáme podle vzorce pro obsah trojúhelníku): S OCB = cosxsin x 2 S OED = 1 tanx 2 = sin x 2 cosx

U oblouku s výhodou použijeme trojčlenku: úhel 2π znamená celý obsah kruhu, tedy (pro poloměr 1 jednotka) πr 2 = π úhlu x tedy musí připadat obsah x 2 Dosazení: cosxsin x 2 x 2 sin x 2 cosx

Upravujme tuto nerovnost ekvivalentními úpravami: cosx x sin x 1 cosx Nyní všechny části nerovnosti převrátíme, musíme tedy otočit znaménka nerovnosti. 1 cosx sin x x cosx

Zapíšeme jako limity: lim x 0 1 cosx lim sin x x 0 x lim cosx x 0 Jak známo, má-li funkce v nějakém bodě funkční hodnotu, pak limita v tomto bodě je rovna právě této funkční hodnotě. Protože platí cos0 = 1, zjednoduší se tato nerovnost na: 1 lim x 0 sin x x 1

Použijeme-li větu nahoře o třech limitách, dostáváme pro hledanou limitu sin x lim x 0 x = 1. Fyzikální zvyklosti Je zvykem označovat derivaci podle času tečkou nad danou veličinou. Platí vztahy pro běžné veličiny:

rychlost je změna polohy za infinitezimální (nekonečně malý) čas, rychlost je tedy derivací času (píšu jako skalár, obecně je vektor): v = ds dt = ṡ zrychlení je změna rychlosti za čas, proto derivace rychlosti (druhá derivace polohy) v = dv dt = d2 s dt = s 2 podobně budeme mít úhlovou rychlost ϕ a úhlové zrychlení ϕ

Úkol: Vypočtěte, čemu se rovná dostředivé zrychlení tělesa při pohybu po kružnici. (Využijte lim x 0 sin x x = 1 a diagramu níže.) Nápověda: ω = dϕ dϕ = ωdt, a = dv dt dt, v = ωr.

Nyní je třeba zjistit hodnotu druhé limity lim x 0 x cos x 1. Zjistíme ji vhodným roznásobením: cosx 1 cosx 1 cosx + 1 lim = lim x 0 x x 0 x cosx + 1 = cos 2 x 1 = lim x 0 x(cosx + 1) = lim sin 2 x x 0 x(cosx + 1) = sinx = lim x 0 x lim sinx x 0 cosx + 1 = 1 0 2 = 0

První limitu jsme dosadili z předchozího důkazu a druhou jsme zjistili dosazením. Z toho pro derivaci sinu vyplývá: d sin x = 0 sinx + 1 cosx = cosx dx

Derivace cosinu Pokud známe derivaci sinu, jednoduše zjistíme derivaci cosinu: ( π ) cosx = sin 2 x d dx cosx = d ( π ) dx sin 2 x = ( π ) = cos 2 x = sin(x)

Vlastnosti matematického kyvadla Hmotný bod na nehmotné tyči. Má pouze jeden stupeň volnosti (k určení polohy závaží nám stačí znalost pouze jedné souřadnice). Používáme souřadnici ϕ, kyvadlo vykonává pouze malé kyvy, má jeden stupeň volnosti.

Druhý Newtonův zákon Časová derivace hybnosti se rovná působící síle (derivace hmotnosti v závislosti na čase je v tomto případě nulová). F = dp dt = dmv = v dm dt dt + mdv dt = m s Hmotný bod na kyvadle má konstantní vzdálenost od středu l, pro kterou platí (tzv. vazebná podmínka) s = l ϕ

Úkol: Odvod te pohybovou rovnici kuličky na kyvadle. (Odpor prostředí zanedbejte, počítejte jen pro malé úhly, sin ϕ využijte tedy výše vypočtený vztah: lim ϕ 0 = 1 ϕ lim ϕ 0 sin ϕ = ϕ.)

Všimněme si, že pokud je výchylka kladná, zrychlení bude záporné - síla totiž působí proti pohybu. Příslušná pohybová rovnice je tedy: mgϕ = ml ϕ ϕ = g l ϕ Otázka tedy zní: Kterou funkci musíme dvakrát zderivovat, abychom dostali minus tu samou funkci?

Pochopitelně se jedná o funkci sinus, jejíž první derivace je cosinus a druhá derivace je minus sinus. Zbylé konstanty se dají jednoduše dopočítat. Řešení této rovnice je tedy: g ϕ = ϕ 0 sint l ϕ 0 zde má význam amplitudy (maximální výchylky). Není těžké spočítat odvo-

zenými pravidly zrychlení a rychlost v závislosti na čase. Protože perioda funkce sinus jsou 2π, bude perioda matematického kyvadla f = 1 g 2π l T = 1 f = 2π Kontrolní otázka: rychlost i zrychlení si vypočtěte, vše zakreslete do grafu a asi vás nic nepřekvapí... l g

Děkujeme za pozornost! Tento dokument si můžete stáhnout z http://jmi.czweb.org/derivace.html. Vytvořeno pomocí L Y Xu, MiKTEXu, Graph4, jež jsou všechny šířeny pod licencí GNU GPL (stejně jako tento dokument).