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一個美麗的發(fā)現(xiàn):由secx和cscx的原函數(shù)以及它們原函數(shù)的相反數(shù)構成的美麗彩虹畫卷

2023-08-24 11:45 作者:無風云不動云動心如風  | 我要投稿

一.近期的偶然發(fā)現(xiàn)

最近幾天在翻閱一本微積分的書籍,發(fā)現(xiàn)書里有一道習題,要求artanh(sinx)的導數(shù),那就求唄,本以為是一道平平無奇的求導問題,結果一計算(artanh(sinx))'%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B1-(sinx)%5E2%7D%20*(sinx)'%3D%5Cfrac%7Bcosx%7D%7B(cosx)%5E2%7D%20%3D%5Cfrac%7B1%7D%7Bcosx%7D%20%3D%20secx

發(fā)現(xiàn)沒有,結果竟然是正割函數(shù)!我們在背積分表的時候,書里一般是告訴我們%5Cint_%7B%7D%5E%7B%7D%20secxdx%3Dln%5Cvert%20secx%2Btanx%20%5Cvert%20%2Bc,我在原創(chuàng)文章第一篇算出來的也是這個結果。

那么這就拋出了一個問題:artanh(sinx)%3Dln%5Cvert%20secx%2Btanx%20%5Cvert%20嗎?還是這兩者之間會相差一個常數(shù),即artanh(sinx)%3Dln%5Cvert%20secx%2Btanx%20%5Cvert%20%2Bc?

二.開啟驗證

帶著上面的問題,我開始了驗證之路?;仡櫼幌?,在我的原創(chuàng)文章第二篇中,我們知道artanhx%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20ln%5Cfrac%7B1%2Bx%7D%7B1-x%7D%20,由于artanh(sinx)是一個復合函數(shù),只要將x替換成sinx即可,得到artanh(sinx)%3D%5Cfrac%7B1%7D%7B2%7D%20ln%5Cfrac%7B1%2Bsinx%7D%7B1-sinx%7D%20%3Dln%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B1%2Bsinx%7D%7B1-sinx%7D%20%7D%20。先把這個暫且擱置一邊,我們來看ln%5Cvert%20secx%2Btanx%20%5Cvert%20,對絕對值里面的內(nèi)容進行平方,得到

再對等式兩邊開根號處理,就得到%5Cvert%20secx%2Btanx%20%5Cvert%20%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7B1%2Bsinx%7D%7B1-sinx%7D%20%7D%20,因此artanh(sinx)%3Dln%5Cvert%20secx%2Btanx%20%5Cvert%20成立,到此也就驗證完畢了。

三.開啟舉一反三

既然secx的原函數(shù)是artanh(sinx),那么cscx的原函數(shù)也能很快地求出來,就是-artanh(cosx),我在畫函數(shù)圖像的網(wǎng)站desmos畫出了上面兩個原函數(shù)的圖像,又加上了它們的相反數(shù),于是就形成了一幅美麗的彩虹畫卷

彩虹函數(shù)

上圖中,紅色曲線代表artanh(sinx),藍色曲線代表-artanh(sinx),紫色曲線代表-artanh(cosx),綠色曲線代表artanh(cosx)。

四.探尋彩虹函數(shù)的性質(zhì)

可以發(fā)現(xiàn),上面四種顏色的曲線形狀都是一樣的,那意味著一條曲線可以通過平移得到另一條曲線。下面我來展示一下如何通過平移得到彼此:

紅:artanh(sinx)? ? 藍:-artanh(sinx)? ? 紫:-artanh(cosx)? ? 綠:artanh(cosx)

1.紅%5Crightarrow%20紫:artanh(sin(x-%5Cfrac%7B%5Cpi%20%7D%7B2%7D%20))%3Dartanh(-sin(%5Cfrac%7B%5Cpi%20%7D%7B2%7D%20-x))%3Dartanh(-cosx)%3D-artanh(cosx)意味著紅色曲線向右平移%5Cfrac%7B%5Cpi%20%7D%7B2%7D%20個單位得到紫色曲線

2.紅%5Crightarrow%20藍:artanh(sin(x-%5Cpi%20))%3Dartanh(-sin(%5Cpi%20-x))%3Dartanh(-sinx)%3D-artanh(sinx)

意味著紅色曲線向右平移%5Cpi%20個單位得到藍色曲線,同時他們兩個又是互為相反數(shù)

3.紅%5Crightarrow%20綠:

artanh(sin(x%2B%5Cfrac%7B%5Cpi%20%7D%7B2%7D)%20)%3Dartanh(cosx),意味著紅色曲線向左平移%5Cfrac%7B%5Cpi%20%7D%7B2%7D%20個單位得到綠色曲線

4.紫%5Crightarrow%20藍:-artanh(cos(x-%5Cfrac%7B%5Cpi%20%7D%7B2%7D%20))%3D-artanh(cos(%5Cfrac%7B%5Cpi%20%7D%7B2%7D%20-x))%3D-artanh(sinx),意味著紫色曲線向右平移%5Cfrac%7B%5Cpi%20%7D%7B2%7D%20個單位得到藍色曲線

5.紫%5Crightarrow%20綠:

-artanh(cos(x%2B%5Cpi%20%20))%3D-artanh(-cosx)%3Dartanh(cosx),意味著紫色曲線向左平移%5Cpi%20個單位得到綠色曲線,同時他們兩個又是互為相反數(shù)

6.綠%5Crightarrow%20藍:

artanh(cos(x%2B%5Cfrac%7B%5Cpi%20%7D%7B2%7D%20))%3Dartanh(-sinx)%3D-artanh(sinx),意味著綠色曲線向左平移%5Cfrac%7B%5Cpi%20%7D%7B2%7D%20個單位得到藍色曲線

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