学校や塾では教えてくれない、元塾講師の思考回路の公開

公式

三角関数の和と積の公式の証明

三角関数の公式の多くは加法定理から導かれますが、三角関数の和と積の公式も例外ではありません。

【公式】三角関数の加法定理の証明

そして式の形が複雑でとても覚えにくいものとなっていますので、無理に覚えなくて構いません。

ただし、覚えない代わりに、加法定理を使って自力で導出できるようにしておきましょう。

公式は覚えるものじゃないの？という方は下の記事をぜひご覧ください。

数学の公式は丸暗記しちゃダメ！公式は覚えるものではなく「証明」して作るものです

三角関数の積和の公式

    \begin{eqnarray*} \sin x \cos y &=& \cfrac{\sin (x + y) + \sin (x - y)}{2} \\\\ \cos x \sin y &=& \cfrac{\sin (x + y) - \sin (x - y)}{2} \\\\ \cos x \cos y &=& \cfrac{\cos (x + y) + \cos (x - y)}{2} \\\\ \sin x \sin y &=& - \cfrac{\cos (x + y) - \cos (x - y)}{2} \\\\ \end{eqnarray*}

三角関数の積和の公式の証明

加法定理より、

(1)   \begin{eqnarray*} \sin (x + y) = \sin x \cos y + \cos x \sin y \end{eqnarray*}

(2)   \begin{eqnarray*} \sin (x - y) = \sin x \cos y - \cos x \sin y \end{eqnarray*}

(3)   \begin{eqnarray*} \cos (x + y) = \cos x \cos y - \sin x \sin y \end{eqnarray*}

(4)   \begin{eqnarray*} \cos (x - y) = \cos x \cos y + \sin x \sin y \end{eqnarray*}

(1) + (2) より

(5)   \begin{eqnarray*} \sin (x + y) + \sin (x - y) = 2 \sin x \cos y \end{eqnarray*}

(1) – (2) より

(6)   \begin{eqnarray*} \sin (x + y) - \sin (x - y) = 2 \cos x \sin y \end{eqnarray*}

(3) + (4) より

(7)   \begin{eqnarray*} \cos (x + y) + \cos (x - y)= 2 \cos x \cos y \end{eqnarray*}

(3) – (4) より

(8)   \begin{eqnarray*} \cos (x + y) - \cos (x - y)= -2 \sin x \sin y \end{eqnarray*}

(5), (6), (7), (8)を右辺について解くと、

    \begin{eqnarray*} \sin x \cos y &=& \cfrac{\sin (x + y) + \sin (x - y)}{2} \\\\ \cos x \sin y &=& \cfrac{\sin (x + y) - \sin (x - y)}{2} \\\\ \cos x \cos y &=& \cfrac{\cos (x + y) + \cos (x - y)}{2} \\\\ \sin x \sin y &=& - \cfrac{\cos (x + y) - \cos (x - y)}{2} \\\\ \end{eqnarray*}

が証明されます。

三角関数の和積の公式

    \begin{eqnarray*} \sin A + \sin B &=& 2 \sin \cfrac{A+B}{2} \cos \cfrac{A-B}{2} \\\\ \sin A - \sin B &=& 2 \cos \cfrac{A+B}{2} \sin \cfrac{A-B}{2} \\\\ \cos A + \cos B &=& 2 \cos \cfrac{A+B}{2} \cos \cfrac{A-B}{2} \\\\ \cos A - \cos B &=& -2 \sin \cfrac{A+B}{2} \sin \cfrac{A-B}{2} \\\\ \end{eqnarray*}

三角関数の和積の公式の証明

x + y = A, x - y = B とおくと、 x = \cfrac{A+B}{2}, y = \cfrac{A-B}{2}

であり、これを(5), (6), (7), (8)に代入すると、

    \begin{eqnarray*} \sin A + \sin B &=& 2 \sin \cfrac{A+B}{2} \cos \cfrac{A-B}{2} \\\\ \sin A - \sin B &=& 2 \cos \cfrac{A+B}{2} \sin \cfrac{A-B}{2} \\\\ \cos A + \cos B &=& 2 \cos \cfrac{A+B}{2} \cos \cfrac{A-B}{2} \\\\ \cos A - \cos B &=& -2 \sin \cfrac{A+B}{2} \sin \cfrac{A-B}{2} \\\\ \end{eqnarray*}

が証明されます。

三角関数の和と積の公式の説明のおわりに

いかがでしたか？

今回紹介した和と積の公式は非常に複雑で覚えにくいものとなっています。

しかし、導出の過程はとてもシンプルであり、加法定理を組み合わせて整理しているにすぎません。

よって、なるべく和と積の公式は覚えずに、こうすれば和と積の公式が作れるということだけを覚えておくにとどめておきましょう。

【三角関数】三角関数のまとめ

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三角関数

プロフィール

-このサイトの記事を書いている人-

某国立大工学部卒のwebエンジニアです。
学生時代に塾講師として勤務していた際、生徒さんから「解説を聞けば理解できるけど、なぜその解き方を思いつくのかがわからない」という声を多くいただきました。
授業という限られた時間の中ではこの声に応えることは難しく、ある程度の理解度までに留めつつ、繰り返しの復習で覚えてもらうという方法を採らざるを得ないこともありました。
本ブログでは「数学の問題を解くための思考回路」に重点を置いています。
それらを通じて自らの力で問題を解決する力が身につくお手伝いができれば幸いです。

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