高校数学

2021年5月22日5 min

三角関数

基本定理

sin⁡(−θ)=−sin⁡θcos⁡(−θ)=cos⁡θtan⁡(−θ)=−tan⁡θsin⁡2θ+cos⁡2θ=1\begin{aligned} \sin(-\theta)&=-\sin\theta \\ \cos(-\theta)&=\cos\theta \\ \tan(-\theta)&=-\tan\theta \\ \sin^2\theta+\cos^2\theta&=1 \end{aligned}

余弦定理

a2=b2+c2−2bccos⁡θ\begin{aligned} a^2=b^2+c^2-2bc\cos\theta \end{aligned}

加法定理

sin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡βsin⁡(α−β)=sin⁡αcos⁡β−cos⁡αsin⁡βcos⁡(α+β)=cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡βcos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡βtan⁡(α+β)=tan⁡α+tan⁡β1−tan⁡αtan⁡βtan⁡(α−β)=tan⁡α−tan⁡β1+tan⁡αtan⁡β\begin{aligned} \sin(\alpha+\beta)&=\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta \\ \sin(\alpha-\beta)&=\sin\alpha\cos\beta-\cos\alpha\sin\beta \\ \cos(\alpha+\beta)&=\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta \\ \cos(\alpha-\beta)&=\cos\alpha\cos\beta+\sin\alpha\sin\beta \\ \tan(\alpha+\beta)&=\frac{\tan\alpha+\tan\beta}{1-\tan\alpha\tan\beta} \\ \tan(\alpha-\beta)&=\frac{\tan\alpha-\tan\beta}{1+\tan\alpha\tan\beta} \end{aligned}

2倍角の公式

sin⁡2α=sin⁡(α+α)=2sin⁡αcos⁡αcos⁡2α=cos⁡(α+α)=cos⁡2α−sin⁡2α=2cos⁡2α−1=1−2sin⁡2α\begin{aligned} \sin2\alpha&=\sin(\alpha+\alpha) \\ &=2\sin\alpha\cos\alpha \\ \cos2\alpha&=\cos(\alpha+\alpha) \\ &=\cos^2\alpha-\sin^2\alpha=2\cos^2\alpha-1=1-2\sin^2\alpha \end{aligned}

半角の公式

sin⁡2α2=1−cos⁡α2cos⁡2α2=1+cos⁡α2tan⁡2α2=sin⁡2α2cos⁡2α2=1−cos⁡α1+cos⁡α\begin{aligned} \sin^2\frac\alpha2&=\frac{1-\cos\alpha}2 \\ \cos^2\frac\alpha2&=\frac{1+\cos\alpha}2 \\ \tan^2\frac\alpha2&=\frac{\sin^2\frac\alpha2}{\cos^2\frac\alpha2}=\frac{1-\cos\alpha}{1+\cos\alpha} \end{aligned}

半角の公式の導出

cos⁡2α=1−2sin⁡2α\cos2\alpha=1-2\sin^2\alpha より

sin2α=1−cos⁡2α2sin^2\alpha=\frac{1-\cos2\alpha}2

ここで α\alpha を α2\dfrac\alpha2 に置き換えると

sin⁡2α2=1−cos⁡α2\sin^2\frac\alpha2=\frac{1-\cos\alpha}2

となる。

同様に cos⁡2α=2cos⁡2α−1\cos2\alpha=2\cos^2\alpha-1 より

cos⁡2α2=1+cos⁡α2\cos^2\frac\alpha2=\frac{1+\cos\alpha}2

が導ける。

積和の公式

sin⁡αcos⁡β=12{sin⁡(α+β)+sin⁡(α−β)}cos⁡αcos⁡β=12{cos⁡(α+β)+cos⁡(α−β)}sin⁡αsin⁡β=−12{cos⁡(α+β)−cos⁡(α−β)}\begin{aligned} \sin\alpha\cos\beta&=\frac12\{\sin(\alpha+\beta)+\sin(\alpha-\beta)\} \\ \cos\alpha\cos\beta&=\frac12\{\cos(\alpha+\beta)+\cos(\alpha-\beta)\} \\ \sin\alpha\sin\beta&=-\frac12\{\cos(\alpha+\beta)-\cos(\alpha-\beta)\} \end{aligned}

和積の公式

sin⁡x+sin⁡y=2sin⁡x+y2cos⁡x−y2sin⁡x−sin⁡y=2cos⁡x+y2sin⁡x−y2cos⁡x+cos⁡y=2cos⁡x+y2cos⁡x−y2cos⁡x−cos⁡y=−2sin⁡x+y2sin⁡x−y2\begin{aligned} \sin x+\sin y&=2\sin\frac{x+y}2\cos\frac{x-y}2 \\ \sin x-\sin y&=2\cos\frac{x+y}2\sin\frac{x-y}2 \\ \cos x+\cos y&=2\cos\frac{x+y}2\cos\frac{x-y}2 \\ \cos x-\cos y&=-2\sin\frac{x+y}2\sin\frac{x-y}2 \\ \end{aligned}

和積の公式の導出

積和の公式 sin⁡αcos⁡β=12{sin⁡(α+β)+sin⁡(α−β)}\sin\alpha\cos\beta=\dfrac12\{\sin(\alpha+\beta)+\sin(\alpha-\beta)\} に (α,β)=(x+y2,x−y2)(\alpha,\beta)=(\dfrac{x+y}2,\dfrac{x-y}2) を代入すると

sin⁡x+y2cos⁡x−y2=12{sin⁡(x+y2+x−y2)+sin⁡(x+y2−x−y2)}=12(sin⁡x+sin⁡y)sin⁡x+sin⁡y=2sin⁡x+y2cos⁡x−y2\begin{aligned} \sin\frac{x+y}2\cos\frac{x-y}2&=\frac12\{\sin(\frac{x+y}2+\frac{x-y}2)+\sin(\frac{x+y}2-\frac{x-y}2)\} \\ &=\frac12(\sin x+\sin y) \\ \sin x+\sin y&=2\sin\frac{x+y}2\cos\frac{x-y}2 \end{aligned}

となる。

また、同式に (α,β)=(x−y2,x+y2)(\alpha,\beta)=(\dfrac{x-y}2,\dfrac{x+y}2) を代入して整理すると

sin⁡x−sin⁡y=2cos⁡x+y2sin⁡x−y2\sin x-\sin y=2\cos\frac{x+y}2\sin\frac{x-y}2

となる。

同様に、cos⁡αcos⁡β=12{cos⁡(α+β)+cos⁡(α−β)}\cos\alpha\cos\beta=\dfrac12\{\cos(\alpha+\beta)+\cos(\alpha-\beta)\} に、 (α,β)=(x+y2,x−y2)(\alpha,\beta)=(\dfrac{x+y}2,\dfrac{x-y}2) を代入して整理すると

cos⁡x+cos⁡y=2cos⁡x+y2cos⁡x−y2\cos x+\cos y=2\cos\frac{x+y}2\cos\frac{x-y}2

sin⁡αsin⁡β=12{cos⁡(α+β)−cos⁡(α−β)}\sin\alpha\sin\beta=\dfrac12\{\cos(\alpha+\beta)-\cos(\alpha-\beta)\} に (α,β)=(x+y2,x−y2)(\alpha,\beta)=(\dfrac{x+y}2,\dfrac{x-y}2) を代入して整理すると

cos⁡x−cos⁡y=2sin⁡x+y2sin⁡x−y2\cos x-\cos y=2\sin\frac{x+y}2\sin\frac{x-y}2

が導ける。