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三角関数さんかくかんすう

date2026-07-14document_iddoc_e33579a8d11c93b6b86940074a57728bdescription三角関数を単位円の座標として定義し、基本値、対称性、周期性を導き、回転行列と発展内容への接続を整理する。prerequisites相似 / 円の方程式type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/trigonometry/trigonometric-addition-formulas.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 / data/lecture/math/calculus/differentiation-basics.lecture.n.md
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1導入どうにゅう

本講義ほんこうぎでは、実数じっすう θたいする三角関数さんかくかんすう単位円たんいえん座標ざひょうとして定義ていぎする。この定義ていぎにより、直角三角形ちょっかくさんかくけい鋭角えいかく限定げんていせず、任意にんい実数角じっすうかくについて符号ふごう対称性たいしょうせい周期性しゅうきせい統一的とういつてきあつかえる。

2単位円たんいえんによる定義ていぎ

単位円たんいえんせいx 軸上じくじょうてん (1,0) から円周上えんしゅうじょうすす符号付弧長ふごうつきこちょうをラジアンとする。反時計回はんとけいまわりをせい時計回とけいまわりをとし、周回しゅうかい許容きょようすることで任意にんい実数じっすう θかくとして表現ひょうげんする。符号付弧長ふごうつきこちょう θ だけすすんだ単位円上たんいえんじょうてんPθ とする。

Pθ=(cosθ,sinθ)

によって余弦よげんcosine正弦せいげんsine定義ていぎする。cosθ0 のとき、正接せいせつtangent

tanθ=sinθcosθ

定義ていぎする。単位円たんいえん方程式ほうていしきから、すべての θR について

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

成立せいりつする。

3基本値きほんち

30-60-9045-45-90直角三角形ちょっかくさんかくけい単位円たんいえん配置はいちすると、つぎあたいる。

θ0π/6π/4π/3π/2
sinθ01/22/23/21
cosθ13/22/21/20
tanθ01/313未定義みていぎ

4対称性たいしょうせい周期性しゅうきせい

x じくかんする反射はんしゃと 1 しゅう回転かいてんから、

cos(-θ)=cosθ,sin(-θ)=-sinθ,
cos(θ+2π)=cosθ,sin(θ+2π)=sinθ

成立せいりつする。さらに、両辺りょうへん正接せいせつ定義ていぎされるとき、

tan(θ+π)=tanθ

成立せいりつする。象限しょうげんごとの符号ふごうPθx,y 座標ざひょうから判定はんていできる。

5回転行列かいてんぎょうれつへの接続せつぞく

原点げんてんからの距離きょりr0 で、偏角へんかくtてんrPt表記ひょうきする。幾何学的回転きかがくてきかいてん QϕQϕ(rPt)=rPt+ϕ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 QϕQθ=Qϕ+θ成立せいりつする。また、回転かいてん原点げんてん固定こていし、2 ベクトルが平行四辺形へいこうしへんけいを、そのぞう合同ごうどう平行四辺形へいこうしへんけいうつすため、Qϕ(u+v)=Qϕu+Qϕv である。おな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、Qϕ(cu)=cQϕu任意にんいcR について成立せいりつする。したがって Qϕ線型せんけいである。

標準基底ひょうじゅんきていとは e1=(1,0)Te2=(0,1)Tくみである。線型写像せんけいしゃぞうとは、ベクトルの実数倍じっすうばい保存ほぞんする写像しゃぞうであり、その行列ぎょうれつe1,e2ぞうれつ配置はいちしたものである。Qϕ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=(cosϕ,sinϕ)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、一意いちいv=(-sinϕ,cosϕ)Tさだまる。したがって、回転行列かいてんぎょうれつ

Rϕ=(cosϕ-sinϕsinϕcosϕ)

である。行列積ぎょうれつせき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。2 かい回転かいてん合成ごうせい角度かくど回転かいてんとなる幾何的事実きかてきじじつから RϕRθ=Rϕ+θ成立せいりつする。成分比較せいぶんひかくによる加法定理かほうていり導出どうしゅつ次講義じこうぎあつかう。

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6発展内容はってんないよう前提ぜんてい

  • オイラーの公式こうしき eiθ=cosθ+isinθ は、複素数ふくそすう複素指数関数ふくそしすうかんすう導入どうにゅうしたあとあつかう。テイラー級数きゅうすうによる証明しょうめいには冪級数べききゅうすう収束しゅうそく必要ひつようである。
  • 微分公式びぶんこうしきには、微分びぶん定義ていぎ加法定理かほうていり、および limh0sinh/h=1必要ひつようである。
  • 逆三角関数ぎゃくさんかくかんすうには、定義域ていぎいき制限せいげんして三角関数さんかくかんすう一対一いちたいいちにする操作そうさと、逆関数ぎゃくかんすう概念がいねん必要ひつようである。

これらは単位円たんいえんによる基本定義きほんていぎ前提ぜんていではない。

7要約ようやく

  • cosθsinθ単位円上たんいえんじょうてん座標ざひょうである。
  • 基本恒等式きほんこうとうしき対称性たいしょうせい周期性しゅうきせい単位円たんいえんから導出どうしゅつされる。
  • 回転行列かいてんぎょうれつ加法定理かほうていりへの代数的接続だいすうてきせつぞくあたえる。

8関連講義かんれんこうぎ

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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 θ to represent an angle. Let Pθ be the point reached after signed arc length θ. Define {cosine} and {sine} by

Pθ=(cosθ,sinθ).

When cosθ0, define {tangent} by

tanθ=sinθcosθ.

The equation of the unit circle immediately gives, for every θR,

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

3Basic Values

Placing the 30-60-90 and 45-45-90 triangles in the unit circle gives:

θ0π/6π/4π/3π/2
sinθ01/22/23/21
cosθ13/22/21/20
tanθ01/313undefined

4Symmetry and Periodicity

Reflection across the x-axis and one complete rotation give

cos(-θ)=cosθ,sin(-θ)=-sinθ,
cos(θ+2π)=cosθ,sin(θ+2π)=sinθ.

Whenever both sides are defined,

tan(θ+π)=tanθ.

The signs in each quadrant are likewise determined by the x- and y-coordinates of Pθ.

5Connection to Rotation Matrices

Write a point at distance r0 from the origin and with argument t as rPt. Define the geometric rotation Qϕ by Qϕ(rPt)=rPt+ϕ. Addition of signed arc lengths gives QϕQθ=Qϕ+θ 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 Qϕ(u+v)=Qϕu+Qϕv. It also preserves directed distance along each line, so Qϕ(cu)=cQϕu for every cR. Thus Qϕ is linear.

The standard basis is the pair e1=(1,0)T, e2=(0,1)T. A linear map preserves vector addition and multiplication by real scalars, and its matrix has the images of e1,e2 as its columns. The map Qϕ is linear and preserves lengths, orthogonality, and orientation. It sends e1 to u=(cosϕ,sinϕ)T. The image of e2 must be the unique unit vector perpendicular to u for which (u,v) has positive orientation, namely v=(-sinϕ,cosϕ)T. Hence Qϕ is represented by

Rϕ=(cosϕ-sinϕsinϕcosϕ).

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 RϕRθ=Rϕ+θ. The next lecture derives the addition formulas by comparing entries.

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6Advanced Topics and Prerequisites

  • Euler's formula eiθ=cosθ+isinθ 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 limh0sinh/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 cosθ and sinθ 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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