第
5
章 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 +
−
図
5.1:
動径と一般角 図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
を 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,πrr
= 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]
6 6 π
5.2
三角関数の定義(1)
三角比r
x θ y
図
5.2:
直角三角関数 直角三角形の鋭角(0 < θ <
π2)
の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 接(
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)θ
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
は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
が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.y
O
x r P( ) x, y
θ -r r
-r r
x y
図
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
図
5.4:
単位円の場合 表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
(
注)
(
注) 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式
(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
2θ + cos
2θ = 1 (5.3)
式
(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.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)
図
5.5:
いろいろな角の三角関数図
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)
図
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表
5.2:
三角関数の符号θ
の象限1
2
3
4
sin θ + + − −
cos θ + − − +
tan θ + − + −
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)
図
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)
[
例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( −
53π) = − sin(
53π) = − sin(2π −
π3) = − sin( −
π3) = sin(
π3) = √ 3/2 (2) cos(
103π) = cos(4π −
23π) = cos( −
23π) = − cos( −
23π +π) = − cos(
π3) = − 1/2 (3) tan( −
133π) = − tan(
133π) = − tan(4π +
π3) = − tan
π3= − √
3
(3)
加法定理2
つの角α
と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.
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
2α − sin
2α (5.10)
式(5.10)
の右辺に式(6.5)
を用いてcos
2α = 1 − sin
2α
を代入すると,cos 2α = (1 − sin
2α) − sin
2α = 1 − 2 sin
2α (5.11)
同様にして,式(5.10)
の右辺にsin
2α = 1 − cos
2α
を代入すると次式となる.cos 2α = cos
2α − (1 − cos
2α) = 2 cos
2α − 1 (5.12)
式
(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
2α = 1 − cos 2α
2 , cos
2α = 1 + cos 2α
2 (5.13)
[
例3]
次の値を求めよ.cos
2π
8 = 1 + cos
π42 = 1 +
√1 22 =
√ 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
2α + cos
2α = 1
より,sin
2α = 1 − cos
2α = 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
2α − sin
2α = −
257.
(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)
に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)
[
例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