三角函数的导数和积分


规律 A:正负号看“C”

凡是 C 开头的三角函数,其导数一定带有 负号:

  • (cos⁡x)′=−sin⁡x(\cos x)' = -\sin x
  • (cot⁡x)′=−csc⁡2x(\cot x)' = -\csc^2 x
  • (csc⁡x)′=−csc⁡xcot⁡x(\csc x)' = -\csc x \cot x

规律 B:三组固定搭档

导数公式总是成对出现的:

  • sin cos
  • tan sec sec
  • cot -csc csc 后两组使用方法:最左边的导数是右边乘起来,最右边的导数是左边乘起来

反三角函数的导数:平方根与平方

反三角函数的导数其实只有 两类结构,你只需要记住两个,剩下的只是加个负号。

结构一:1/1−x21/\sqrt{1-x^2}(弧度与圆的联系)

  • arcsin⁡x\arcsin x 的导数是 11−x2\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}。(圆)
  • arccos⁡x\arccos x 的导数就是它加个负号:−11−x2-\frac{1}{\sqrt{1-x^2}}。

结构二:1/(1+x2)1/(1+x^2)(没有根号)

  • arctan⁡x\arctan x 的导数是 11+x2\frac{1}{1+x^2}。
  • arccot x\text{arccot } x 的导数就是它加个负号:−11+x2-\frac{1}{1+x^2}。

记忆技巧: tan⁡\tan 对应的是“+”号且没有根号,可以联想勾股定理 12+tan⁡2θ=sec⁡2θ1^2 + \tan^2 \theta = \sec^2 \theta 的平滑感。

积分

一步推出

∫tan⁡xdx=−log⁡∣cos⁡x∣+C\int \tan x dx = -\log|\cos x|+C

这个有个比较tricky的方法: ∫sec⁡x dx\int \sec x \, dx 可以上下同乘sec⁡x+tan⁡x\sec x+\tan x

  • 展开分子: ∫sec⁡2x+sec⁡xtan⁡xsec⁡x+tan⁡x dx\int \frac{\sec^2 x + \sec x \tan x}{\sec x + \tan x} \, dx

  • 观察导数关系: * (sec⁡x)′=sec⁡xtan⁡x(\sec x)' = \sec x \tan x

    • (tan⁡x)′=sec⁡2x(\tan x)' = \sec^2 x 因此,分子正好是分母的导数。
  • 利用对数积分公式 ∫f′(x)f(x)dx=ln⁡∣f(x)∣+C\int \frac{f'(x)}{f(x)} dx = \ln|f(x)| + C: ∫sec⁡x dx=ln⁡∣sec⁡x+tan⁡x∣+C\int \sec x \, dx = \ln|\sec x + \tan x| + C

例