三角関数の加法定理
mathtrigonometryhighschoollecture
1導入
加法定理は、2 回の平面回転の合成が角度の和による 1 回の回転に一致することを座標で表現した恒等式である。本講義では回転行列から厳密に導出し、差角・倍角・半角の公式を帰結として整理する。
data/lecture/math/trigonometry/trigonometric-functions.lecture.n.md
2回転行列
2\times2 行列 A=(a_{ij}) と列ベクトル (x,y)^\mathsf T の積を
A\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}a_{11}x+a_{12}y\\a_{21}x+a_{22}y\end{pmatrix}
と定義する。2 行列 A,B の積は (AB)_{ij}=\sum_{k=1}^2a_{ik}b_{kj} で定義され、まず B、次に A を作用させる線型写像の合成を表現する。
原点からの距離が r\geq0 で偏角が t の点を rP_t と表記し、回転 Q_\theta を Q_\theta(rP_t)=rP_{t+\theta} と定義する。符号付弧長の加法から Q_\alpha\circ Q_\beta=Q_{\alpha+\beta} が成立する。回転は原点を固定し、ベクトルが張る平行四辺形と直線上の有向距離を保存するため、ベクトルの和と実数倍を保存する。したがって Q_\theta は線型写像である。
標準基底を e_1=(1,0)^\mathsf T、e_2=(0,1)^\mathsf T とする。Q_\theta は長さ、直交性、向きを保存する線型写像である。e_1 の像は u=(\cos\theta,\sin\theta)^\mathsf T である。e_2 の像は、u に直交する単位ベクトルのうち (u,v) が正の向きをもつものなので、v=(-\sin\theta,\cos\theta)^\mathsf T と一意に定まる。したがって、Q_\theta の行列表現は
R_\theta=\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}
である。任意のベクトルに R_\beta を作用させ、その後に R_\alpha を作用させると、幾何的には合計で \alpha+\beta の回転となる。したがって、加法定理を使用せずに
R_\alpha R_\beta=R_{\alpha+\beta}
が成立する。左辺を計算すると、
R_\alpha R_\beta=
\begin{pmatrix}
\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta&-(\cos\alpha\sin\beta+\sin\alpha\cos\beta)\\
\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta&\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta
\end{pmatrix}.
R_{\alpha+\beta} と成分を比較して、すべての実数 \alpha,\beta について
\boxed{\cos(\alpha+\beta)=\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta}
\boxed{\sin(\alpha+\beta)=\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta}
を得る。
3差角公式
\beta を -\beta に置換し、\cos(-\beta)=\cos\beta、\sin(-\beta)=-\sin\beta を使用すると、
\boxed{\cos(\alpha-\beta)=\cos\alpha\cos\beta+\sin\alpha\sin\beta}
\boxed{\sin(\alpha-\beta)=\sin\alpha\cos\beta-\cos\alpha\sin\beta}
が成立する。
4倍角公式
\beta=\alpha=\theta とすれば、
\boxed{\sin2\theta=2\sin\theta\cos\theta}
\boxed{\cos2\theta=\cos^2\theta-\sin^2\theta=2\cos^2\theta-1=1-2\sin^2\theta}
を得る。最後の 2 式には \sin^2\theta+\cos^2\theta=1 を使用した。
5正接の加法公式
\cos\alpha\cos\beta\ne0 かつ 1-\tan\alpha\tan\beta\ne0 のとき、正弦の加法公式を余弦の加法公式で除して
\boxed{\tan(\alpha+\beta)=\frac{\tan\alpha+\tan\beta}{1-\tan\alpha\tan\beta}}
を得る。同様に、\cos\alpha\cos\beta\ne0 かつ 1+\tan\alpha\tan\beta\ne0 のとき、
\boxed{\tan(\alpha-\beta)=\frac{\tan\alpha-\tan\beta}{1+\tan\alpha\tan\beta}}
が成立する。
6半角公式と符号
倍角公式で \theta を \theta/2 に置換すると、
\sin^2\frac\theta2=\frac{1-\cos\theta}{2},\qquad
\cos^2\frac\theta2=\frac{1+\cos\theta}{2}
が成立する。平方根を取る場合は、
\sin\frac\theta2=\pm\sqrt{\frac{1-\cos\theta}{2}},\qquad
\cos\frac\theta2=\pm\sqrt{\frac{1+\cos\theta}{2}}
となり、符号は \theta/2 の位置、すなわち象限または座標軸から決定する。正接に関する公式は、分母が非零である範囲にのみ適用する。
7複素数による別証明
この節は複素数とオイラーの公式を導入した後の別証明であり、回転行列による証明の前提ではない。
e^{i(\alpha+\beta)}=e^{i\alpha}e^{i\beta}
に e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta を代入し、実部と虚部を比較すると、同一の加法定理を得る。
8適用範囲
正弦と余弦の加法・差角・倍角の恒等式は、すべての実数角について成立する。正接の公式や商による変形では分母の非零性を確認する。半角公式から平方根を取るときは象限による符号選択が必要である。
9関連講義
data/lecture/math/vector/geometric-vectors-and-dot-products.lecture.n.md
data/lecture/math/algebra/complex-numbers-and-complex-plane.lecture.n.md
Trigonometric Addition Formulas
1Introduction
The addition formulas express in coordinates the fact that composing two plane rotations gives one rotation through the sum of their angles. This lecture derives them rigorously from rotation matrices and organizes the difference-angle, double-angle, and half-angle formulas as consequences.
data/lecture/math/trigonometry/trigonometric-functions.lecture.n.md
2Rotation Matrices
For a 2\times2 matrix A=(a_{ij}) and a column vector (x,y)^\mathsf T, define
A\begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}a_{11}x+a_{12}y\\a_{21}x+a_{22}y\end{pmatrix}.
For two matrices A,B, define (AB)_{ij}=\sum_{k=1}^2a_{ik}b_{kj}. This product represents composition: first apply B, then apply A. Write a point at distance r\geq0 and with argument t as rP_t, and define rotation by Q_\theta(rP_t)=rP_{t+\theta}. Addition of signed arc lengths gives Q_\alpha\circ Q_\beta=Q_{\alpha+\beta}. A rotation fixes the origin and preserves both parallelograms spanned by vectors and directed distances along lines; hence it preserves vector addition and real scalar multiplication. Thus Q_\theta is linear.
Let e_1=(1,0)^\mathsf T and e_2=(0,1)^\mathsf T be the standard basis. The map Q_\theta is linear and preserves lengths, orthogonality, and orientation. It sends e_1 to u=(\cos\theta,\sin\theta)^\mathsf T. The image of e_2 must be the unique unit vector perpendicular to u for which (u,v) has positive orientation, namely v=(-\sin\theta,\cos\theta)^\mathsf T. Hence the matrix of Q_\theta is
R_\theta=\begin{pmatrix}\cos\theta&-\sin\theta\\\sin\theta&\cos\theta\end{pmatrix}
Applying R_\beta and then R_\alpha geometrically rotates every vector through a total angle \alpha+\beta. Thus, without using the addition formulas,
R_\alpha R_\beta=R_{\alpha+\beta}.
Direct multiplication gives
R_\alpha R_\beta=
\begin{pmatrix}
\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta&-(\cos\alpha\sin\beta+\sin\alpha\cos\beta)\\
\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta&\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta
\end{pmatrix}.
Comparison with R_{\alpha+\beta} proves, for all real \alpha,\beta,
\boxed{\cos(\alpha+\beta)=\cos\alpha\cos\beta-\sin\alpha\sin\beta}
\boxed{\sin(\alpha+\beta)=\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta}.
3Difference-Angle Formulas
Replace \beta by -\beta and use \cos(-\beta)=\cos\beta and \sin(-\beta)=-\sin\beta:
\boxed{\cos(\alpha-\beta)=\cos\alpha\cos\beta+\sin\alpha\sin\beta}
\boxed{\sin(\alpha-\beta)=\sin\alpha\cos\beta-\cos\alpha\sin\beta}.
4Double-Angle Formulas
Setting \beta=\alpha=\theta gives
\boxed{\sin2\theta=2\sin\theta\cos\theta}
\boxed{\cos2\theta=\cos^2\theta-\sin^2\theta=2\cos^2\theta-1=1-2\sin^2\theta}.
The last two forms use \sin^2\theta+\cos^2\theta=1.
5Addition Formulas for Tangent
If \cos\alpha\cos\beta\ne0 and 1-\tan\alpha\tan\beta\ne0, divide the sine addition formula by the cosine addition formula to obtain
\boxed{\tan(\alpha+\beta)=\frac{\tan\alpha+\tan\beta}{1-\tan\alpha\tan\beta}}.
Similarly, if \cos\alpha\cos\beta\ne0 and 1+\tan\alpha\tan\beta\ne0, then
\boxed{\tan(\alpha-\beta)=\frac{\tan\alpha-\tan\beta}{1+\tan\alpha\tan\beta}}.
6Half-Angle Formulas and Signs
Replacing \theta by \theta/2 in the double-angle formulas gives
\sin^2\frac\theta2=\frac{1-\cos\theta}{2},\qquad
\cos^2\frac\theta2=\frac{1+\cos\theta}{2}.
Taking square roots yields
\sin\frac\theta2=\pm\sqrt{\frac{1-\cos\theta}{2}},\qquad
\cos\frac\theta2=\pm\sqrt{\frac{1+\cos\theta}{2}},
where the sign is determined by the position of \theta/2, including both quadrants and coordinate axes. Formulas involving tangent apply only where their denominators are nonzero.
7An Alternative Proof Using Complex Numbers
This section is an alternative proof to be used only after complex numbers and Euler's formula have been introduced; it is not a prerequisite for the rotation-matrix proof.
Substitute e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta into
e^{i(\alpha+\beta)}=e^{i\alpha}e^{i\beta}
and compare real and imaginary parts to obtain the same addition formulas.
8Scope
The sine and cosine formulas for sums, differences, and double angles hold for all real angles. The tangent formulas hold under the nonzero conditions stated above; every transformation involving a quotient requires a nonzero denominator. When square roots are taken in the half-angle formulas, the signs must be selected from the position of the half-angle, including both quadrants and coordinate axes.
9Related Lectures
data/lecture/math/vector/geometric-vectors-and-dot-products.lecture.n.md
data/lecture/math/algebra/complex-numbers-and-complex-plane.lecture.n.md