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

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 2×2 matrix A=(aij) and a column vector (x,y)T, define

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

For two matrices A,B, define (AB)ij=k=12aikbkj. This product represents composition: first apply B, then apply A. Write a point at distance r0 and with argument t as rPt, and define rotation by Qθ(rPt)=rPt+θ. Addition of signed arc lengths gives QαQβ=Qα+β. 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 Qθ is linear.

Let e1=(1,0)T and e2=(0,1)T be the standard basis. The map Qθ is linear and preserves lengths, orthogonality, and orientation. It sends e1 to u=(cosθ,sinθ)T. The image of e2 must be the unique unit vector perpendicular to u for which (u,v) has positive orientation, namely v=(-sinθ,cosθ)T. Hence the matrix of Qθ is

Rθ=(cosθ-sinθsinθcosθ)

Applying Rβ and then Rα geometrically rotates every vector through a total angle α+β. Thus, without using the addition formulas,

RαRβ=Rα+β.

Direct multiplication gives

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

Comparison with Rα+β proves, for all real α,β,

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

3Difference-Angle Formulas

Replace β by -β and use cos(-β)=cosβ and sin(-β)=-sinβ:

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

4Double-Angle Formulas

Setting β=α=θ gives

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

The last two forms use sin2θ+cos2θ=1.

5Addition Formulas for Tangent

If cosαcosβ0 and 1-tanαtanβ0, divide the sine addition formula by the cosine addition formula to obtain

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

Similarly, if cosαcosβ0 and 1+tanαtanβ0, then

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

6Half-Angle Formulas and Signs

Replacing θ by θ/2 in the double-angle formulas gives

sin2θ2=1-cosθ2,cos2θ2=1+cosθ2.

Taking square roots yields

sinθ2=±1-cosθ2,cosθ2=±1+cosθ2,

where the sign is determined by the position of θ/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 eiθ=cosθ+isinθ into

ei(α+β)=eiαeiβ

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
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