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第 5 章三角関数 ( その 1)

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Academic year: 2021

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(1)

5

三角関数

(

その

1)

三角関数は工学の分野ではよく用いられる.特に電気電子工学では非常によく用 いられ,これを理解しておくことは必須条件である.

5.1

一般角と角度の表示法

(1)

一般角

y

O x θ P

P +

5.1:

動径と一般角

5.1

のように,

x

軸上にある半直線

OP

が点

O

を中心として回転するとき,回転する半直線

OP

動径という.動径の回転において,時計の針の回転 と逆の向きを正の向き,時計の針の回転と同じ向 きを負の向きといい,角の大きさに符号をつけて 表す.ここで,動径が回転する量を考えると,

360

より大きい角や,負の角も考えることができる.こ のように,角の大きさを制限しないで,正負の符 号も含めて考えた角を一般角という.

(2)

角度の表示法

角度の大きさの表し方には度数法と弧度法がある.弧度法は,半径

r

の円にお いて,弧の長さを

l

,中心角の大きさを

θ

としたとき,

θ =

rl で角の大きさを表し,

単位として

[rad](

ラジアン

)

を用いる.とくに,

l

が半円周のとき,

l = πr

である から,中心角の大きさは,πr

r

= π

である.一方,これは度数法では

180

であるか ら,次の関係が成り立つ.

180

= π[rad]

(2)

6 6 π

5.2

三角関数の定義

(1)

三角比

r

x θ y

5.2:

直角三角関数 直角三角形の鋭角

(0 < θ <

π2

)

1

つを

θ

とし,

斜辺の長さを

r

,他の辺の長さを図

5.2

のように

x

y

とするとき,正弦

(

サイン

)

余弦

(

コサイン

)

,正

(

タンジェント

)

を次のように定義する.

sin θ = y

r ,

cos θ = x

r ,

tan θ = y x

(2)

三角関数

三角比

sin θ

cos θ

tan θ

における

θ

を一般角

(

鋭角に限らない

に拡張する.図

5.3

で示した座標平面上で,角

θ

の動径と原点を中心とする半径

r

の円との交点

P

の座標を

(x

y)

とする.このとき,三角比と同様に,

sin θ

cos θ

tan θ

を次のよ うに定める.

sin θ = y

r ,

cos θ = x

r ,

tan θ = y

x ,

ただし 

x ̸ = 0 (5.1)

これらを,一般角

θ

の正弦,余弦,正接といい,まとめて三角関数という.ただし,

tan θ

x = 0

となるような

θ

に対しては定義されない.

r = 1

のとき

(

このような円を単位円という

)

,図

5.4

に示すように,

y

座標が

sin θ

の値となり,

x

座標が

cos θ

の値となる.

角度

θ

0 < = θ < =

π2 の場合の三角関数の主な値は表

5.1

の通りである.この表の 値は,非常によく用いられる.また,

θ

がこれらの倍数,その負の値も次節の三角 関数の基本公式を利用して求めることができる.

三角関数の値の符号は,

θ

のとる象限により表

5.2

のようになる.

(3)

y

O

x r P( ) x, y

θ -r r

-r r

x y

5.3:

三角関数の定義のための座標平面

y

O

x θ cos

1 sin θ

−1

−1

1

θ 1 P

5.4:

単位円の場合

5.1:

三角関数の主な値

θ

0

π

6 (30

)

π

4 (45

)

π

3 (60

)

  

π

2 (90

)

sin θ 0 1

2

1 2

3

2

1

cos θ 1

3 2

1 2

1

2

0

tan θ 0 1

3 1

3

(

)

(

) 90

より小さい値から限りなく

90

に近づいたときは

+

となり,

90

より大 きい値から限りなく

90

に近づいたときは

−∞

となる.

θ = 90

のときは解を持た ない.

5.3

三角関数の基本公式

(1)

三角関数の相互関係

(5.1)

より,三角関数には次のような関係が成り立ち,

θ

の象限と,

sin θ

cos θ

tan θ

のいずれか

1

つの値がわかれば他の三角関数の値がわかる.

tan θ = sin θ

cos θ (5.2)

sin

2

θ + cos

2

θ = 1 (5.3)

(5.3)

は三平方の定理

x

2

+ y

2

= r

2より容易に求められる.

(4)

y

O x θ

1 P

−θ P'

=

= 1

y

O x θ

1 P

θ+π

P'

1

y

O x θ

1 P

θ+ −π2 P'

1

(a) (b) (c)

5.5:

いろいろな角の三角関数

5.5(a)

に示すように,角

θ

の動径と角

−θ

の動径は

x

軸に対して対称であるか

ら,次の公式が得られる.

sin(−θ) = sin θ cos( θ) = cos θ tan( θ) = tan θ











(5.5)

5.5(b)

に示すように,角

θ

の動径と角

θ + π

の動径は原点に対して対称である

5.2:

三角関数の符号

θ

の象限

1

2

3

4

sin θ + +

cos θ + +

tan θ + +

(5)

から,次の公式が得られる.

sin(θ + π) = sin θ cos(θ + π) = cos θ tan(θ + π) = tan θ











(5.6)

5.5(c)

に示すように,角

θ

の動径と角

θ +

π2 の動径を考えると,次の公式が得 られる.

sin(θ +

π2

) = cos θ cos(θ +

π2

) = sin θ tan(θ +

π2

) =

tan1θ











(5.7)

[

2]

 式

(5.4)

(5.7)

を用いて,大きい角度の三角関数の値を求める.

(1) sin(

53

π) = sin(

53

π) = sin(2π

π3

) = sin(

π3

) = sin(

π3

) = 3/2 (2) cos(

103

π) = cos(4π

23

π) = cos(

23

π) = cos(

23

π +π) = cos(

π3

) = 1/2 (3) tan(

133

π) = tan(

133

π) = tan(4π +

π3

) = tan

π3

=

3

(3)

加法定理

2

つの角

α

β

の和

α + β

や差

α β

の三角関数は,次のように,

α

β

の三角 関数で表すことができる.これを加法定理という.

sin(α ± β) = sin α cos β ± cos α sin β [

複合同順

]

cos(α ± β) = cos α cos β sin α sin β [

複合同順

] (5.8) tan(α ± β ) = tan α ± tan β

1 tan α tan β [

複合同順

]

1これらの関係式が成り立つことは,ホームページ

****

で示している.

【例題

1

】 加法定理を用いて,

sin 75

cos 15

tan( 15

)

の値を求めよ.

【解】

sin 75

= sin(45

+ 30

) = sin 45

cos 30

+ cos 45

sin 30

= 1

2 ·

3 2 + 1

2 · 1 2 =

3 + 1 2

2

cos 15

= cos(45

30

) = cos 45

cos 30

+ sin 45

sin 30

1複合同順:+/−の記号は,左辺の上段の記号は右辺の上段の記号に対応し,左辺の下段の記号 は右辺の下段の記号に対応していることを意味している.

(6)

加法定理で

α = β

とおくと,次のように倍角の公式が得られる.

sin 2α = sin(α + α) = sin α cos α + cos α sin α = 2 sin α cos α (5.9) cos 2α = cos(α + α) = cos α cos α sin α sin α = cos

2

α sin

2

α (5.10)

(5.10)

の右辺に式

(6.5)

を用いて

cos

2

α = 1 sin

2

α

を代入すると,

cos 2α = (1 sin

2

α) sin

2

α = 1 2 sin

2

α (5.11)

同様にして,式

(5.10)

の右辺に

sin

2

α = 1 cos

2

α

を代入すると次式となる.

cos 2α = cos

2

α (1 cos

2

α) = 2 cos

2

α 1 (5.12)

(5.11)

(5.12)

は余弦の倍角の公式と呼ばれる.これらの式を変形した次式は積

分計算などでよく使われる.

sin

2

α = 1 cos 2α

2 , cos

2

α = 1 + cos 2α

2 (5.13)

[

3]

 次の値を求めよ.

cos

2

π

8 = 1 + cos

π4

2 = 1 +

1 2

2 =

2 + 1 2

2 = 2 + 2 4

【例題

2

cos α =

35 で,

0 < α <

π2 のとき,

sin α

tan α

sin 2α

cos 2α

を求めよ.

【解】

sin

2

α + cos

2

α = 1

より,

sin

2

α = 1 cos

2

α = 1

259

=

1625

. α

は鋭角で第

1

象限にあるから,

sin α =

45

tan α =

sincosαα

=

43

sin 2α = 2 sin α cos α = 2 ×

45

×

35

=

2425

cos 2α = cos

2

α sin

2

α =

257

.

(7)

(5)

積→和または差

三角関数の積は次のように,和または差で表すことができる.

sin α cos β = 1

2 { sin(α + β ) + sin(α β) } cos α sin β = 1

2 { sin(α + β ) sin(α β) } cos α cos β = 1

2 { cos(α + β) + cos(α β ) } sin α sin β = 1

2 { cos(α + β) cos(α β ) }

(5.14)

【例題

3

】式

(5.8)

の加法定理を用いて式

(5.14)

を証明せよ.

【解】第

1

式の右辺に加法定理を適用すると,

(

右辺

) = 1

2 { sin(α + β) + sin(α β) }

= 1

2 { (sin α cos β + cos α sin β) + (sin α cos β cos α sin β) }

= sin α cos β (

左辺)

したがって,第

1

式が成り立つ.他の式も同様にして,右辺に加法定理を適用すれ ば,左辺となることが証明できる.

(****

ホームページで証明)

(6)

和または差→積

三角関数の和は次のように積で表すことができる.式

(5.14)

α = A + B

2

β = A B

2

を代入すれば得られる.

sin A + sin B = 2 sin A + B

2 cos A B 2 sin A sin B = 2 cos A + B

2 sin A B 2 cos A + cos B = 2 cos A + B

2 cos A B 2 cos A cos B = 2 sin A + B

2 sin A B 2

(5.15)

[

4]

次の式を簡単な形にせよ.

(1) sin(n 1)x + sin(n + 1)x

sin nx = 2 sin nx cos( x)

sin nx = 2 cos x (2) cos(n 1)x + cos(n + 1)x

cos nx = 2 cos nx cos(−x)

cos nx = 2 cos x

演習問題

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