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
cos(α±β)=cosαcosβ∓sinαsinβ
tan(α±β)=1∓tanαtanβtanα±tanβ
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 とおくと:
sin2α=2sinαcosα
cos2α=cos2α−sin2α=1−2sin2α=2cos2α−1
tan2α=1−tan2α2tanα
2.1. cos2α の 3 つの形
| 形 |
使う場面 |
| cos2α−sin2α |
一般的な変換 |
| 1−2sin2α |
sin2α を消したいとき |
| 2cos2α−1 |
cos2α を消したいとき |
2.2. 例題1:倍角公式の応用
sinα=53(0<α<2π)のとき、sin2α、cos2α を求めよ。
解答
cosα=1−sin2α=1−259=54(第 1 象限なので正)
sin2α=2×53×54=2524
cos2α=1−2sin2α=1−2×259=1−2518=257
3. 半角公式
cos2α の変形から:
cos2α=1−2sin2α⇒sin2α=21−cos2α
α を 2θ に置き換えると:
sin22θ=21−cosθ
cos22θ=21+cosθ
tan22θ=1+cosθ1−cosθ
符号は 2θ の象限によって決まります。
3.1. 例題2:半角の値
cos8π の値を求めよ。
解答
cos8π=cos2π/4 なので半角公式(θ=4π):
cos28π=21+cos(π/4)=21+22=42+2
0<8π<2π なので cos8π>0:
cos8π=22+2
4. 三倍角公式(参考)
sin3α=3sinα−4sin3α
cos3α=4cos3α−3cosα
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(α−β)+cos(α+β)=2cosαcosβ
cosαcosβ=21[cos(α−β)+cos(α+β)]
同様に:
sinαsinβ=21[cos(α−β)−cos(α+β)]
sinαcosβ=21[sin(α+β)+sin(α−β)]
5.1. 例題3:積を和に変換
sin75°⋅sin15° を計算せよ。
解答
sin75°⋅sin15°=21[cos(75°−15°)−cos(75°+15°)]
=21[cos60°−cos90°]=21[21−0]=41
6. 和積公式
和(差)を積に変換するには、積和公式で α+β=A、α−β=B と置き換えます(α=2A+B、β=2A−B)。
sinA+sinB=2sin2A+Bcos2A−B
sinA−sinB=2cos2A+Bsin2A−B
cosA+cosB=2cos2A+Bcos2A−B
cosA−cosB=−2sin2A+Bsin2A−B
6.1. 例題4:和を積に変換
sin75°+sin15° を計算せよ。
解答
sin75°+sin15°=2sin275°+15°cos275°−15°
=2sin45°cos30°=2×22×23=26
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1:cosα=−31(π<α<23π)のとき sin2α を求めよ。
答えを見る
第 3 象限なので sinα<0。
sinα=−1−91=−322
sin2α=2sinαcosα=2×(−322)×(−31)=942
問題2:cos2θ−sin2θ=cos2θ を使って 2cos212π の値を求めよ。
答えを見る
2cos212π=1+cos6π=1+23=22+3
問題3:cos3θ−cosθ を積の形に変換せよ。
答えを見る
cos3θ−cosθ=−2sin23θ+θsin23θ−θ=−2sin2θsinθ