markdown
三角関数の加法定理md 9fbca51
lecture/math/trigonometry/trigonometric-addition-formulas.lecture.n.md
Download PDF

三角関数さんかくかんすう加法定理かほうていり

date2026-07-14document_iddoc_f55dc0b074d7c255fc9dd693f5544655description三角関数の加法定理を回転行列の合成から導出し、差角、倍角、半角公式とその適用条件を証明する。prerequisites三角関数 / 単位円type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/trigonometry/trigonometric-functions.lecture.n.md / data/lecture/math/vector/geometric-vectors-and-dot-products.lecture.n.md / data/lecture/math/algebra/complex-numbers-and-complex-plane.lecture.n.md
mathtrigonometryhighschoollecture

1導入どうにゅう

加法定理かほうていりは、2 かい平面回転へいめんかいてん合成ごうせい角度かくどによる 1 かい回転かいてん一致いっちすることを座標ざひょう表現ひょうげんした恒等式こうとうしきである。本講義ほんこうぎでは回転行列かいてんぎょうれつから厳密げんみつ導出どうしゅつし、差角さかく倍角ばいかく半角はんかく公式こうしき帰結きけつとして整理せいりする。

data/lecture/math/trigonometry/trigonometric-functions.lecture.n.md

2回転行列かいてんぎょうれつ

2×2 行列ぎょうれつ A=(aij)れつベクトル (x,y)Tせき

A(xy)=(a11x+a12ya21x+a22y)

定義ていぎする。2 行列ぎょうれつ A,Bせき(AB)ij=k=12aikbkj定義ていぎされ、まず BつぎA作用さようさせる線型写像せんけいしゃぞう合成ごうせい表現ひょうげんする。

原点げんてんからの距離きょりr0偏角へんかくtてんrPt表記ひょうきし、回転かいてん QθQθ(rPt)=rPt+θ定義ていぎする。符号付弧長ふごうつきこちょう加法かほうから QαQβ=Qα+β成立せいりつする。回転かいてん原点げんてん固定こていし、ベクトルが平行四辺形へいこうしへんけい直線上ちょくせんじょう有向距離ゆうこうきょり保存ほぞんするため、ベクトルの実数倍じっすうばい保存ほぞんする。したがって Qθ線型写像せんけいしゃぞうである。

標準基底ひょうじゅんきていe1=(1,0)Te2=(0,1)T とする。Qθながさ、直交性ちょっこうせいきを保存ほぞんする線型写像せんけいしゃぞうである。e1ぞうu=(cosθ,sinθ)T である。e2ぞうは、u直交ちょっこうする単位たんいベクトルのうち (u,v)せいきをもつものなので、v=(-sinθ,cosθ)T一意いちいさだまる。したがって、Qθ行列表現ぎょうれつひょうげん

Rθ=(cosθ-sinθsinθcosθ)

である。任意にんいのベクトルに Rβ作用さようさせ、そのあとRα作用さようさせると、幾何的きかてきには合計ごうけいα+β回転かいてんとなる。したがって、加法定理かほうていり使用しようせずに

RαRβ=Rα+β

成立せいりつする。左辺さへん計算けいさんすると、

RαRβ=(cosαcosβ-sinαsinβ-(cosαsinβ+sinαcosβ)sinαcosβ+cosαsinβcosαcosβ-sinαsinβ).

Rα+β成分せいぶん比較ひかくして、すべての実数じっすう α,β について

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]cos(α+β)=cosαcosβ-sinαsinβ
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ

る。

3差角公式さかくこうしき

β-β置換ちかんし、cos(-β)=cosβsin(-β)=-sinβ使用しようすると、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]cos(α-β)=cosαcosβ+sinαsinβ
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]sin(α-β)=sinαcosβ-cosαsinβ

成立せいりつする。

4倍角公式ばいかくこうしき

β=α=θ とすれば、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]sin2θ=2sinθcosθ
[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]cos2θ=cos2θ-sin2θ=2cos2θ-1=1-2sin2θ

る。最後さいごの 2 しきには sin2θ+cos2θ=1使用しようした。

5正接せいせつ加法公式かほうこうしき

cosαcosβ0 かつ 1-tanαtanβ0 のとき、正弦せいげん加法公式かほうこうしき余弦よげん加法公式かほうこうしきじょして

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]tan(α+β)=tanα+tanβ1-tanαtanβ

る。同様どうように、cosαcosβ0 かつ 1+tanαtanβ0 のとき、

[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"boxed\")")]tan(α-β)=tanα-tanβ1+tanαtanβ

成立せいりつする。

6半角公式はんかくこうしき符号ふごう

倍角公式ばいかくこうしきθθ/2置換ちかんすると、

sin2θ2=1-cosθ2,cos2θ2=1+cosθ2

成立せいりつする。平方根へいほうこん場合ばあいは、

sinθ2=±1-cosθ2,cosθ2=±1+cosθ2

となり、符号ふごうθ/2位置いち、すなわち象限しょうげんまたは座標軸ざひょうじくから決定けっていする。正接せいせつかんする公式こうしきは、分母ぶんぼ非零ひれいである範囲はんいにのみ適用てきようする。

7複素数ふくそすうによる別証明べつしょうめい

このせつ複素数ふくそすうとオイラーの公式こうしき導入どうにゅうしたあと別証明べつしょうめいであり、回転行列かいてんぎょうれつによる証明しょうめい前提ぜんていではない。

ei(α+β)=eiαeiβ

eiθ=cosθ+isinθ代入だいにゅうし、実部じつぶ虚部きょぶ比較ひかくすると、同一どういつ加法定理かほうていりる。

8適用範囲てきようはんい

正弦せいげん余弦よげん加法かほう差角さかく倍角ばいかく恒等式こうとうしきは、すべての実数角じっすうかくについて成立せいりつする。正接せいせつ公式こうしきしょうによる変形へんけいでは分母ぶんぼ非零性ひれいせい確認かくにんする。半角公式はんかくこうしきから平方根へいほうこんるときは象限しょうげんによる符号選択ふごうせんたく必要ひつようである。

9関連講義かんれんこうぎ

data/lecture/math/vector/geometric-vectors-and-dot-products.lecture.n.md data/lecture/math/algebra/complex-numbers-and-complex-plane.lecture.n.md
raw .n.md をコピー
loc をコピー (filepath:line ~ line)
copy share link
copy encoded share link
path をコピー
copy share link
copy encoded share link
copy share link
copy encoded share link
タブを全て閉じる