Beweis für die Ableitung von Sinus bzw. Cosinus

Aufrufe: 2613     Aktiv: 13.03.2020 um 15:50

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Wie bereits in der Frage steht, beschäftige ich mich der Zeit mit dem Beweis der Ableitung von Sinus und Cosinus. Wir hatten gerade im Unterricht das Thema, dort wurde jedoch lediglich gesagt, dass die Ableitung von Sinus Cosinus ist und die Ableitung von Cosinus wiederum der negative Sinus. 

Mein Ansatz:

\( \frac {d} {dx} sinx = \lim \limits_{h \to 0} \frac {\sin{(x+h)}-\sin x} {h}   \)

\(= \lim \limits_{h \to 0} \frac {\sin{x} \cdot \cos{h}+ \cos x \cdot \sin h - \sin x} {h}   \)

\(=  \lim \limits_{h \to 0} \sin x (\frac {\cos h - 1} {h}) + \cos x (\frac {\sin h} {h}) \) 

Ich weiß jetzt aus dem Unterricht, dass am Ende Cosinus rauskommen soll, also muss gelten:

\(=  \lim \limits_{h \to 0} \frac {\cos h - 1} {h} = 0\)

\(=  \lim \limits_{h \to 0} \frac {\sin h } {h} = 1\)

 

Mein Problem:

Wie beweise ich nun die obigen Grentzwerte, beide werden ebenfalls für den Beweis von der Ableitung von Cosinus benutzt.

Ich weiß, dass beide Grenzwerte \( \frac {0}{0} \) ergeben, meine erste Idee war die Regel von L'Hospital, diese ist ja genau für derartige Grenzwerte geeignet, dafür benötige ich aber die Ableitung von Sinus bzw. Cosinus, diese habe ich aber reintheoretisch nicht.

Meine zweite Idee war die Taylorentwicklung, also in meinem Fall mit dem Grenzwert gegen 0, die MacLaurin Reihe, aber auch für diese wird eine Ableitung von Sinus oder Cosinus genutzt. 

 

Frage:

Gibt es dafür eine Methode um diesen Grenzwert zu bestimmen, welcher nicht die Ableitung voraussetzt oder ist das ähnlich wie bei einer Mengen Inklusion wo ich erst beweise, dass etwas in die eine Richtung funktioniert und dann in die andere?

 

Bitte keine Antworten wie zum Beispiel: "Das verstehst du als Schüler nicht". Ich würde von mir selbst behaupten, dass ich über ein gutes Fachwissen im Bereich der Mathematik besitze. 

Danke schoneinmal im Voraus.

 

 

 

 

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Hallo,

da gibt es mehrere Möglichkeiten, um ans Ziel zukommen. Sofern man die Reihendarstellung vom Sinus (und Kosinus) kennt,

muss man sich mit der Frage beschäftigen, wann man gliederweise differenzieren darf und wann nicht (sofern man es denn rigoros zeigen will).

Mit L'Hospital muss man aufpassen, dass man in keinen Zirkelschluss gerät.

 

Man kommt aber auch mit sehr einfachen/elementaren Überlegungen durch:

Wie du richtig bemerkt hast, gilt 

\[\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d} x}\sin(x) = \lim\limits_{h\to 0}\frac{\sin(x+h)-\sin(x)}{h} = \lim\limits_{h\to 0}\sin(x)\frac{\cos(h)-1}{h}+ \lim\limits_{h\to 0}\cos(x)\frac{\sin(h)}{h}.\]

Wir behaupten jetzt, dass \[\lim\limits_{h\to 0}\frac{\sin(h)}{h}=1.\]

Nun gilt aber (wieso? Mach es dir am besten geometrisch klar!) \[1 \geq \big|\frac{\sin(\omega)}{\omega}\big| \geq |\cos(\omega)|.\] 

Nehmen wir nun auf beiden Seiten den Grenzwert mit $$ \omega \to 0 $$ erhalten wir unsere erste Behauptung. 

 

Als zweites Behaupten wir nun, dass \[\lim\limits_{h\to 0} \frac{\cos(h)-1}{h}=0.\]

Hierzu können wir unseren eben gezeigten Grenzwert nutzen. 

Betrachten wir \[\lim\limits_{h\to 0} \frac{1-\cos(h)}{h}\] und erweitern mit $$1+\cos(h)$$ so folgt 

\[\lim\limits_{h\to 0} \frac{1-\cos(h)}{h} = \lim\limits_{h\to 0} \frac{\sin(h)}{h}\frac{\sin(h)}{1+\cos(h)}\]

\[=\lim\limits_{h\to 0}\frac{\sin(h)}{h}\lim\limits_{h\to 0}\frac{\sin(h)}{1+\cos(h)}=1\cdot0=0\]

und damit unsere zweite Behauptung.

Insgesamt ergibt sich daher \[\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d} x}\sin(x) = \cos(x).\]

Wie du siehst, braucht man gar keine "höhere" Mathematik, sondern kommt mit den Basics durch.

 

Gruß,

Gauß

 

 

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Vielen Dank für die Antwort, geometrisch an das Problem zu gehen, daran habe ich garnicht gedacht. Tipp fürs nächste mal, in der Vorschau sieht man ob die Formeln richtig angezeigt werden, zumindest bei mir war dies nicht der Fall. Konnte es dennoch gut verstehen.   ─   cedricr 13.03.2020 um 05:40

Tatsache? Bei mir im Browser war sowohl die Vorschau als auch der eigentliche Post korrekt formatiert.
Auch mobil wird es bei mir richtig angezeigt. Überprüf eventuell mal deine Einstellungen oder versuch die Seite mal zu aktualisieren.
Ggf. könnte das Problem auch temporär bei der Seite selber liegen.
Wie dem auch sei, solange du es nachvollziehen konntest ist ja alles gut.
  ─   carl-friedrich-gauss 13.03.2020 um 15:50

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