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倍角・半角・積和公式【三角関数の変換】

公開日: 2026/7/11

📐 公式まとめ

  • 1. 加法定理(復習)

    sin(α±β)=sinαcosβ±cosαsinβ\sin(\alpha \pm \beta) = \sin\alpha\cos\beta \pm \cos\alpha\sin\beta
  • 1. 加法定理(復習)

    cos(α±β)=cosαcosβsinαsinβ\cos(\alpha \pm \beta) = \cos\alpha\cos\beta \mp \sin\alpha\sin\beta
  • 1. 加法定理(復習)

    tan(α±β)=tanα±tanβ1tanαtanβ\tan(\alpha \pm \beta) = \frac{\tan\alpha \pm \tan\beta}{1 \mp \tan\alpha\tan\beta}
  • 2. 倍角公式

    sin2α=2sinαcosα\boxed{\sin 2\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha}
  • 2. 倍角公式

    cos2α=cos2αsin2α=12sin2α=2cos2α1\boxed{\cos 2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha = 1 - 2\sin^2\alpha = 2\cos^2\alpha - 1}
  • 2. 倍角公式

    tan2α=2tanα1tan2α\boxed{\tan 2\alpha = \frac{2\tan\alpha}{1 - \tan^2\alpha}}
  • 3. 半角公式

    cos2α=12sin2αsin2α=1cos2α2\cos 2\alpha = 1 - 2\sin^2\alpha \Rightarrow \sin^2\alpha = \frac{1 - \cos 2\alpha}{2}
  • 3. 半角公式

    sin2θ2=1cosθ2\boxed{\sin^2\frac{\theta}{2} = \frac{1 - \cos\theta}{2}}
  • 3. 半角公式

    cos2θ2=1+cosθ2\boxed{\cos^2\frac{\theta}{2} = \frac{1 + \cos\theta}{2}}
  • 3. 半角公式

    tan2θ2=1cosθ1+cosθ\boxed{\tan^2\frac{\theta}{2} = \frac{1 - \cos\theta}{1 + \cos\theta}}
  • 4. 三倍角公式(参考)

    sin3α=3sinα4sin3α\sin 3\alpha = 3\sin\alpha - 4\sin^3\alpha
  • 4. 三倍角公式(参考)

    cos3α=4cos3α3cosα\cos 3\alpha = 4\cos^3\alpha - 3\cos\alpha
  • 5. 積和公式

    cos(αβ)+cos(α+β)=2cosαcosβ\cos(\alpha - \beta) + \cos(\alpha + \beta) = 2\cos\alpha\cos\beta
  • 5. 積和公式

    cosαcosβ=12[cos(αβ)+cos(α+β)]\boxed{\cos\alpha\cos\beta = \frac{1}{2}\left[\cos(\alpha - \beta) + \cos(\alpha + \beta)\right]}
  • 5. 積和公式

    sinαsinβ=12[cos(αβ)cos(α+β)]\boxed{\sin\alpha\sin\beta = \frac{1}{2}\left[\cos(\alpha - \beta) - \cos(\alpha + \beta)\right]}
  • 5. 積和公式

    sinαcosβ=12[sin(α+β)+sin(αβ)]\boxed{\sin\alpha\cos\beta = \frac{1}{2}\left[\sin(\alpha + \beta) + \sin(\alpha - \beta)\right]}
  • 6. 和積公式

    sinA+sinB=2sinA+B2cosAB2\boxed{\sin A + \sin B = 2\sin\frac{A+B}{2}\cos\frac{A-B}{2}}
  • 6. 和積公式

    sinAsinB=2cosA+B2sinAB2\boxed{\sin A - \sin B = 2\cos\frac{A+B}{2}\sin\frac{A-B}{2}}
  • 6. 和積公式

    cosA+cosB=2cosA+B2cosAB2\boxed{\cos A + \cos B = 2\cos\frac{A+B}{2}\cos\frac{A-B}{2}}
  • 6. 和積公式

    cosAcosB=2sinA+B2sinAB2\boxed{\cos A - \cos B = -2\sin\frac{A+B}{2}\sin\frac{A-B}{2}}

倍角・半角・積和公式【三角関数の変換】

三角関数の変換公式は加法定理から導かれます。すべて暗記するより、加法定理から導く手順を理解しておくほうが応用が利きます。

1. 加法定理(復習)

sin(α±β)=sinαcosβ±cosαsinβ\sin(\alpha \pm \beta) = \sin\alpha\cos\beta \pm \cos\alpha\sin\beta cos(α±β)=cosαcosβsinαsinβ\cos(\alpha \pm \beta) = \cos\alpha\cos\beta \mp \sin\alpha\sin\beta tan(α±β)=tanα±tanβ1tanαtanβ\tan(\alpha \pm \beta) = \frac{\tan\alpha \pm \tan\beta}{1 \mp \tan\alpha\tan\beta}

詳しくは加法定理の解説記事を参照してください。

2. 倍角公式

加法定理で β=α\beta = \alpha とおくと:

sin2α=2sinαcosα\boxed{\sin 2\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha} cos2α=cos2αsin2α=12sin2α=2cos2α1\boxed{\cos 2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha = 1 - 2\sin^2\alpha = 2\cos^2\alpha - 1} tan2α=2tanα1tan2α\boxed{\tan 2\alpha = \frac{2\tan\alpha}{1 - \tan^2\alpha}}

2.1. cos2α\cos 2\alpha の 3 つの形

使う場面
cos2αsin2α\cos^2\alpha - \sin^2\alpha 一般的な変換
12sin2α1 - 2\sin^2\alpha sin2α\sin^2\alpha を消したいとき
2cos2α12\cos^2\alpha - 1 cos2α\cos^2\alpha を消したいとき

2.2. 例題1:倍角公式の応用

sinα=35\sin\alpha = \dfrac{3}{5}0<α<π20 < \alpha < \dfrac{\pi}{2})のとき、sin2α\sin 2\alphacos2α\cos 2\alpha を求めよ。

解答

cosα=1sin2α=1925=45\cos\alpha = \sqrt{1 - \sin^2\alpha} = \sqrt{1 - \dfrac{9}{25}} = \dfrac{4}{5}(第 1 象限なので正)

sin2α=2×35×45=2425\sin 2\alpha = 2 \times \frac{3}{5} \times \frac{4}{5} = \frac{24}{25} cos2α=12sin2α=12×925=11825=725\cos 2\alpha = 1 - 2\sin^2\alpha = 1 - 2 \times \frac{9}{25} = 1 - \frac{18}{25} = \frac{7}{25}

3. 半角公式

cos2α\cos 2\alpha の変形から:

cos2α=12sin2αsin2α=1cos2α2\cos 2\alpha = 1 - 2\sin^2\alpha \Rightarrow \sin^2\alpha = \frac{1 - \cos 2\alpha}{2}

α\alphaθ2\dfrac{\theta}{2} に置き換えると:

sin2θ2=1cosθ2\boxed{\sin^2\frac{\theta}{2} = \frac{1 - \cos\theta}{2}} cos2θ2=1+cosθ2\boxed{\cos^2\frac{\theta}{2} = \frac{1 + \cos\theta}{2}} tan2θ2=1cosθ1+cosθ\boxed{\tan^2\frac{\theta}{2} = \frac{1 - \cos\theta}{1 + \cos\theta}}

符号は θ2\dfrac{\theta}{2} の象限によって決まります。

3.1. 例題2:半角の値

cosπ8\cos\dfrac{\pi}{8} の値を求めよ。

解答

cosπ8=cosπ/42\cos\dfrac{\pi}{8} = \cos\dfrac{\pi/4}{2} なので半角公式(θ=π4\theta = \dfrac{\pi}{4}):

cos2π8=1+cos(π/4)2=1+222=2+24\cos^2\frac{\pi}{8} = \frac{1 + \cos(\pi/4)}{2} = \frac{1 + \frac{\sqrt{2}}{2}}{2} = \frac{2 + \sqrt{2}}{4}

0<π8<π20 < \dfrac{\pi}{8} < \dfrac{\pi}{2} なので cosπ8>0\cos\dfrac{\pi}{8} > 0

cosπ8=2+22\cos\frac{\pi}{8} = \frac{\sqrt{2 + \sqrt{2}}}{2}

4. 三倍角公式(参考)

sin3α=3sinα4sin3α\sin 3\alpha = 3\sin\alpha - 4\sin^3\alpha cos3α=4cos3α3cosα\cos 3\alpha = 4\cos^3\alpha - 3\cos\alpha

これらは倍角公式と加法定理を組み合わせて導けます。

5. 積和公式

積を和(差)に変換するには、加法定理の和・差を足し引きします。

cos(αβ)+cos(α+β)=2cosαcosβ\cos(\alpha - \beta) + \cos(\alpha + \beta) = 2\cos\alpha\cos\beta cosαcosβ=12[cos(αβ)+cos(α+β)]\boxed{\cos\alpha\cos\beta = \frac{1}{2}\left[\cos(\alpha - \beta) + \cos(\alpha + \beta)\right]}

同様に:

sinαsinβ=12[cos(αβ)cos(α+β)]\boxed{\sin\alpha\sin\beta = \frac{1}{2}\left[\cos(\alpha - \beta) - \cos(\alpha + \beta)\right]} sinαcosβ=12[sin(α+β)+sin(αβ)]\boxed{\sin\alpha\cos\beta = \frac{1}{2}\left[\sin(\alpha + \beta) + \sin(\alpha - \beta)\right]}

5.1. 例題3:積を和に変換

sin75°sin15°\sin 75° \cdot \sin 15° を計算せよ。

解答

sin75°sin15°=12[cos(75°15°)cos(75°+15°)]\sin 75° \cdot \sin 15° = \frac{1}{2}\left[\cos(75° - 15°) - \cos(75° + 15°)\right] =12[cos60°cos90°]=12[120]=14= \frac{1}{2}\left[\cos 60° - \cos 90°\right] = \frac{1}{2}\left[\frac{1}{2} - 0\right] = \frac{1}{4}

6. 和積公式

和(差)を積に変換するには、積和公式で α+β=A\alpha + \beta = Aαβ=B\alpha - \beta = B と置き換えます(α=A+B2\alpha = \dfrac{A+B}{2}β=AB2\beta = \dfrac{A-B}{2})。

sinA+sinB=2sinA+B2cosAB2\boxed{\sin A + \sin B = 2\sin\frac{A+B}{2}\cos\frac{A-B}{2}} sinAsinB=2cosA+B2sinAB2\boxed{\sin A - \sin B = 2\cos\frac{A+B}{2}\sin\frac{A-B}{2}} cosA+cosB=2cosA+B2cosAB2\boxed{\cos A + \cos B = 2\cos\frac{A+B}{2}\cos\frac{A-B}{2}} cosAcosB=2sinA+B2sinAB2\boxed{\cos A - \cos B = -2\sin\frac{A+B}{2}\sin\frac{A-B}{2}}

6.1. 例題4:和を積に変換

sin75°+sin15°\sin 75° + \sin 15° を計算せよ。

解答

sin75°+sin15°=2sin75°+15°2cos75°15°2\sin 75° + \sin 15° = 2\sin\frac{75°+15°}{2}\cos\frac{75°-15°}{2} =2sin45°cos30°=2×22×32=62= 2\sin 45°\cos 30° = 2 \times \frac{\sqrt{2}}{2} \times \frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{\sqrt{6}}{2}

7. まとめ:公式の導き方のポイント

加法定理(暗記)
  │
  ├─ β = α を代入 → 倍角公式
  │
  ├─ cos 2α を変形 → 半角公式
  │
  └─ 加法定理の和・差 → 積和公式
                          │
                          └─ 文字を置き換え → 和積公式

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9. クイズ

問題1cosα=13\cos\alpha = -\dfrac{1}{3}π<α<3π2\pi < \alpha < \dfrac{3\pi}{2})のとき sin2α\sin 2\alpha を求めよ。

答えを見る

第 3 象限なので sinα<0\sin\alpha < 0

sinα=119=223\sin\alpha = -\sqrt{1 - \frac{1}{9}} = -\frac{2\sqrt{2}}{3} sin2α=2sinαcosα=2×(223)×(13)=429\sin 2\alpha = 2\sin\alpha\cos\alpha = 2 \times \left(-\frac{2\sqrt{2}}{3}\right) \times \left(-\frac{1}{3}\right) = \frac{4\sqrt{2}}{9}

問題2cos2θsin2θ=cos2θ\cos^2\theta - \sin^2\theta = \cos 2\theta を使って 2cos2π122\cos^2\dfrac{\pi}{12} の値を求めよ。

答えを見る 2cos2π12=1+cosπ6=1+32=2+322\cos^2\frac{\pi}{12} = 1 + \cos\frac{\pi}{6} = 1 + \frac{\sqrt{3}}{2} = \frac{2 + \sqrt{3}}{2}

問題3cos3θcosθ\cos 3\theta - \cos\theta を積の形に変換せよ。

答えを見る cos3θcosθ=2sin3θ+θ2sin3θθ2=2sin2θsinθ\cos 3\theta - \cos\theta = -2\sin\frac{3\theta + \theta}{2}\sin\frac{3\theta - \theta}{2} = -2\sin 2\theta \sin\theta
#倍角公式#半角公式#積和公式#和積公式#三角関数#数学II