🧮 Computational Mathematics

Inicio · Parte 07 — Cálculo diferencial e integral

149 — Derivadas trigonométricas

universitario clase 9 de 20 4 horas demostración trig_derivatives

Las derivadas trigonométricas forman un ciclo de periodo cuatro.

Fórmulas

(sin x)' = cos x
(cos x)' = −sin x
(tan x)' = sec²x = 1/cos²x

Desarrollo

Derivar el seno da el coseno, derivar el coseno da menos el seno, y repitiendo se vuelve al principio tras cuatro pasos. Ese ciclo de periodo cuatro tiene una consecuencia elegante: la cuarta derivada de sin x es sin x, igual que e^x es su propia primera derivada.

Esa analogía no es casual. La fórmula de Euler, e^(ix) = cos x + i·sin x, unifica ambas familias: las funciones trigonométricas son exponenciales de argumento imaginario. Derivar e^(ix) multiplica por i, y multiplicar por i es girar 90° en el plano complejo, que es exactamente el desplazamiento de fase entre seno y coseno.

El requisito ineludible es que el argumento esté en radianes (clase 062). En grados, cada derivada arrastraría un factor π/180, y tras cuatro derivaciones el factor sería (π/180)⁴ ≈ 9·10⁻⁹. Los errores de unidad angular no lanzan excepción: producen resultados escalados por un factor que parece arbitrario.

La derivada de la tangente, sec²x, diverge donde el coseno se anula. Esa singularidad es real y hay que manejarla: en robótica produce el «bloqueo de cardán», y en cualquier cálculo con ángulos cerca de 90° conviene reformular usando seno y coseno directamente.

Ejemplo trabajado

El ciclo de derivadas en x = 0.7.

d(sin)/dx  numérica = 0.764842   cos(0.7) = 0.764842    ✓
d(cos)/dx  numérica = −0.644218  −sin(0.7) = −0.644218  ✓
d(tan)/dx  numérica = 1.703879   sec²(0.7) = 1.703879   ✓

Ciclo:  sin → cos → −sin → −cos → sin
La cuarta derivada de sin es sin                        ✓

Requisito: argumento en RADIANES

Qué calcula el laboratorio

Derivadas trigonométricas y su ciclo de periodo 4.

python classes/part-07-calculo-diferencial-e-integral/149-derivadas-trigonometricas/lab.py
compmath run 149

Salidas del laboratorio (8)

Muestra de la ejecución real

{
  "d(sin)/dx": 0.76484219,
  "cos(x)": 0.7648421872844885,
  "d(cos)/dx": -0.64421769,
  "-sin(x)": -0.644217687237691,
  "d(tan)/dx": 1.70944972,
  "sec²(x)": 1.709449715863117
}

Errores comunes

Dónde se usa

Análisis de señales, positional encoding, oscilaciones y ondas, cinemática y cualquier modelo periódico.

Idea rectora de la parte

Integrar es acumular; derivar e integrar son operaciones inversas.

Error a evitar

Confundir punto crítico con extremo global.

Conexión con IA

Sin regla de la cadena no hay entrenamiento por gradiente; sin Taylor no hay métodos de segundo orden ni análisis de convergencia.

Bibliografía de la clase

Archivos de la clase