三角関数
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1導入
本講義では、実数 \theta に対する三角関数を単位円の座標として定義する。この定義により、直角三角形の鋭角に限定せず、任意の実数角について符号、対称性、周期性を統一的に扱える。
2単位円による定義
単位円で正の x 軸上の点 (1,0) から円周上を進む符号付弧長をラジアン値とする。反時計回りを正、時計回りを負とし、周回を許容することで任意の実数 \theta を角として表現する。符号付弧長 \theta だけ進んだ単位円上の点を P_\theta とする。
P_\theta=(\cos\theta,\sin\theta)
によって余弦と正弦を定義する。\cos\theta\ne0 のとき、正接を
\tan\theta=\frac{\sin\theta}{\cos\theta}
と定義する。単位円の方程式から、すべての \theta\in\mathbb R について
\boxed{\sin^2\theta+\cos^2\theta=1}
が成立する。
3基本値
30^\circ-60^\circ-90^\circ と 45^\circ-45^\circ-90^\circ の直角三角形を単位円に配置すると、次の値を得る。
| \theta | 0 | \pi/6 | \pi/4 | \pi/3 | \pi/2 |
| \sin\theta | 0 | 1/2 | \sqrt2/2 | \sqrt3/2 | 1 |
| \cos\theta | 1 | \sqrt3/2 | \sqrt2/2 | 1/2 | 0 |
| \tan\theta | 0 | 1/\sqrt3 | 1 | \sqrt3 | 未定義 |
4対称性と周期性
x 軸に関する反射と 1 周の回転から、
\cos(-\theta)=\cos\theta,\qquad \sin(-\theta)=-\sin\theta,
\cos(\theta+2\pi)=\cos\theta,\qquad \sin(\theta+2\pi)=\sin\theta
が成立する。さらに、両辺の正接が定義されるとき、
\tan(\theta+\pi)=\tan\theta
が成立する。象限ごとの符号も P_\theta の x,y 座標から判定できる。
5回転行列への接続
原点からの距離が r\geq0 で、偏角が t の点を rP_t と表記する。幾何学的回転 Q_\phi を Q_\phi(rP_t)=rP_{t+\phi} と定義する。符号付弧長の加法から Q_\phi\circ Q_\theta=Q_{\phi+\theta} が成立する。また、回転は原点を固定し、2 ベクトルが張る平行四辺形を、その像が張る合同な平行四辺形へ移すため、Q_\phi(u+v)=Q_\phi u+Q_\phi v である。同じ直線上の有向距離も保存するため、Q_\phi(cu)=cQ_\phi u が任意の c\in\mathbb R について成立する。したがって Q_\phi は線型である。
標準基底とは e_1=(1,0)^\mathsf T、e_2=(0,1)^\mathsf T の組である。線型写像とは、ベクトルの和と実数倍を保存する写像であり、その行列は e_1,e_2 の像を列に配置したものである。Q_\phi 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\phi,\sin\phi)^\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、一意に v=(-\sin\phi,\cos\phi)^\mathsf T と定まる。したがって、回転行列は
R_\phi=\begin{pmatrix}\cos\phi&-\sin\phi\\\sin\phi&\cos\phi\end{pmatrix}
である。行列積は線型写像の合成を表現する。2 回の回転の合成が角度の和の回転となる幾何的事実から R_\phi R_\theta=R_{\phi+\theta} が成立する。成分比較による加法定理の導出は次講義で扱う。
data/lecture/math/trigonometry/trigonometric-addition-formulas.lecture.n.md
6発展内容と前提
- オイラーの公式 e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta は、複素数と複素指数関数を導入した後に扱う。テイラー級数による証明には冪級数の収束が必要である。
- 微分公式には、微分の定義、加法定理、および \lim_{h\to0}\sin h/h=1 が必要である。
- 逆三角関数には、定義域を制限して三角関数を一対一にする操作と、逆関数の概念が必要である。
これらは単位円による基本定義の前提ではない。
7要約
- \cos\theta と \sin\theta は単位円上の点の座標である。
- 基本恒等式、対称性、周期性は単位円から導出される。
- 回転行列は加法定理への代数的接続を与える。
8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
data/lecture/math/calculus/differentiation-basics.lecture.n.md
Trigonometric Functions
1Introduction
This lecture defines trigonometric functions for every real angle as coordinates on the unit circle. Unlike a definition restricted to acute angles of right triangles, the unit-circle definition treats signs, symmetry, and periodicity uniformly.
2Definition on the Unit Circle
On the unit circle, define radian measure as signed arc length traveled along the circle from (1,0). Counterclockwise length is positive, clockwise length is negative, and repeated circuits allow every real number \theta to represent an angle. Let P_\theta be the point reached after signed arc length \theta. Define {cosine} and {sine} by
P_\theta=(\cos\theta,\sin\theta).
When \cos\theta\ne0, define {tangent} by
\tan\theta=\frac{\sin\theta}{\cos\theta}.
The equation of the unit circle immediately gives, for every \theta\in\mathbb R,
\boxed{\sin^2\theta+\cos^2\theta=1}.
3Basic Values
Placing the 30^\circ-60^\circ-90^\circ and 45^\circ-45^\circ-90^\circ triangles in the unit circle gives:
| \theta | 0 | \pi/6 | \pi/4 | \pi/3 | \pi/2 |
| \sin\theta | 0 | 1/2 | \sqrt2/2 | \sqrt3/2 | 1 |
| \cos\theta | 1 | \sqrt3/2 | \sqrt2/2 | 1/2 | 0 |
| \tan\theta | 0 | 1/\sqrt3 | 1 | \sqrt3 | undefined |
4Symmetry and Periodicity
Reflection across the x-axis and one complete rotation give
\cos(-\theta)=\cos\theta,\qquad \sin(-\theta)=-\sin\theta,
\cos(\theta+2\pi)=\cos\theta,\qquad \sin(\theta+2\pi)=\sin\theta.
Whenever both sides are defined,
\tan(\theta+\pi)=\tan\theta.
The signs in each quadrant are likewise determined by the x- and y-coordinates of P_\theta.
5Connection to Rotation Matrices
Write a point at distance r\geq0 from the origin and with argument t as rP_t. Define the geometric rotation Q_\phi by Q_\phi(rP_t)=rP_{t+\phi}. Addition of signed arc lengths gives Q_\phi\circ Q_\theta=Q_{\phi+\theta} independently of any trigonometric addition formula. A rotation fixes the origin and maps the parallelogram spanned by two vectors to the congruent parallelogram spanned by their images, so Q_\phi(u+v)=Q_\phi u+Q_\phi v. It also preserves directed distance along each line, so Q_\phi(cu)=cQ_\phi u for every c\in\mathbb R. Thus Q_\phi is linear.
The standard basis is the pair e_1=(1,0)^\mathsf T, e_2=(0,1)^\mathsf T. A linear map preserves vector addition and multiplication by real scalars, and its matrix has the images of e_1,e_2 as its columns. The map Q_\phi is linear and preserves lengths, orthogonality, and orientation. It sends e_1 to u=(\cos\phi,\sin\phi)^\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\phi,\cos\phi)^\mathsf T. Hence Q_\phi is represented by
R_\phi=\begin{pmatrix}\cos\phi&-\sin\phi\\\sin\phi&\cos\phi\end{pmatrix}.
Matrix multiplication represents composition of linear maps. The geometric fact that two successive rotations compose to rotation through the sum of their angles therefore gives R_\phi R_\theta=R_{\phi+\theta}. The next lecture derives the addition formulas by comparing entries.
data/lecture/math/trigonometry/trigonometric-addition-formulas.lecture.n.md
6Advanced Topics and Prerequisites
- Euler's formula e^{i\theta}=\cos\theta+i\sin\theta belongs after complex numbers and the complex exponential have been introduced. A proof by Taylor series also requires convergence of power series.
- Derivative formulas require the definition of a derivative, the addition formulas, and \lim_{h\to0}\sin h/h=1.
- Inverse trigonometric functions require restricting domains so that the trigonometric functions become one-to-one, together with the concept of an inverse function.
None of these topics is a prerequisite for the unit-circle definition.
7Summary
- The values \cos\theta and \sin\theta are coordinates of a point on the unit circle.
- The fundamental identity, symmetry, and periodicity follow from the unit circle.
- Rotation matrices provide the algebraic connection to the addition formulas.
8Related Lectures
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