【数学Ⅱ】三角関数の公式まとめ(加法定理・変換・合成)

東大塾長の山田です。
このページでは、三角関数の公式(性質)」をすべてまとめています

ぜひ勉強の参考にしてください!

補足

公式の証明や覚え方・導き方は各関連記事で解説しているので、そちらもぜひチェックしてください。

1. 三角関数の相互関係

三角比の相互関係

・\( \displaystyle \color{red}{ \tan \theta = \frac{\sin \theta}{\cos \theta} } \)

・\( \displaystyle \color{red}{ \sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1 } \)

・\( \displaystyle \color{red}{ 1 + \tan^2 \theta = \frac{1}{\cos^2 \theta} } \)

\( \sin \theta, \ \cos \theta, \ \tan \theta \) のうち1つでも値がわかれば、次の3つの関係式から残りの2つの値を求めることができます

 

2. 三角関数の性質(変換公式)

2.1 \( \theta + 2n \pi \) の三角関数

\( n \) を整数とするとき、角 \( \theta + 2n \pi \) の動径は角 \( \theta \) の動径と同じ位置にあるから、次の公式が成り立つ。

θ+2nπの変換公式

・\( \color{red}{ \sin ( \theta + 2n \pi ) = \sin \theta } \)

・\( \color{red}{ \cos ( \theta + 2n \pi ) = \cos \theta } \)

・\( \color{red}{ \tan ( \theta + 2n \pi ) = \tan \theta } \)

2.2 \( – \theta \) の三角関数

-θの変換公式

・\( \color{red}{ \sin ( – \theta ) = \ – \sin \theta } \)

・\( \color{red}{ \cos ( – \theta ) = \cos \theta } \)

・\( \color{red}{ \tan ( – \theta ) = \ – \tan \theta } \)

2.3 \( \displaystyle \theta + \frac{\pi}{2} \) の三角関数

θ+ π/2 の変換公式

・\( \displaystyle \color{red}{ \sin \left( \theta + \frac{\pi}{2} \right) = \cos \theta } \)

・\( \displaystyle \color{red}{ \cos \left( \theta + \frac{\pi}{2} \right) = \ – \sin \theta } \)

・\( \displaystyle \color{red}{ \tan \left( \theta + \frac{\pi}{2} \right) = \ – \frac{1}{\tan \theta } } \)

2.4 \( \displaystyle \theta + \pi \) の三角関数

θ+πの変換公式

・\( \displaystyle \color{red}{ \sin (\theta + \pi ) = \ – \sin \theta } \)

・\( \displaystyle \color{red}{ \cos (\theta + \pi ) = \ – \cos \theta } \)

・\( \displaystyle \color{red}{ \tan (\theta + \pi ) = \tan \theta } \)

2.5 \( \displaystyle \frac{\pi}{2} \ – \theta \) の三角関数

π/2 -θの変換公式

・\( \displaystyle \color{red}{ \sin \left( \frac{\pi}{2} \ – \theta \right) = \cos \theta } \)

・\( \displaystyle \color{red}{ \cos \left( \frac{\pi}{2} \ – \theta \right) = \sin \theta } \)

・\( \displaystyle \color{red}{ \tan \left( \frac{\pi}{2} \ – \theta \right) = \frac{1}{\tan \theta} } \)

2.6 \( \displaystyle \pi \ – \theta \) の三角関数

π-θの変換公式

・\( \displaystyle \color{red}{ \sin (\pi \ – \theta) = \sin \theta } \)

・\( \displaystyle \color{red}{ \cos (\pi \ – \theta) = \ – \cos \theta } \)

・\( \displaystyle \color{red}{ \tan (\pi \ – \theta) = \ – \tan \theta } \)

 

3. 加法定理と応用

3.1 加法定理

加法定理の公式

【正弦の加法定理】

・\( \color{red}{ \sin (\alpha + \beta) = \sin \alpha \cos \beta + \cos \alpha \sin \beta } \)

・\( \color{red}{ \sin (\alpha – \beta) = \sin \alpha \cos \beta – \cos \alpha \sin \beta } \)

 

【余弦の加法定理】

・\( \color{red}{ \cos (\alpha + \beta) = \cos \alpha \cos \beta – \sin \alpha \sin \beta } \)

・\( \color{red}{ \cos (\alpha – \beta) = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta  } \)

 

【正接の加法定理】

・\( \color{red}{ \displaystyle \tan (\alpha + \beta) = \frac{\tan \alpha + \tan \beta }{1 – \tan \alpha \tan \beta}  } \)

・\( \color{red}{ \displaystyle \tan (\alpha – \beta) = \frac{\tan \alpha – \tan \beta }{1 + \tan \alpha \tan \beta}  } \)

 

3.2 2倍角の公式

2倍角の公式
  • \( \color{red}{ \sin 2 \alpha = 2 \sin \alpha \cos \alpha } \)
  • \( \color{red}{ \begin{align}
    \cos 2 \alpha & = \cos^2 \alpha – \sin^2 \alpha \\
    & = 2 \cos^2 \alpha – 1 \\
    & = 1 – 2 \sin^2 \alpha
    \end{align} } \)
  • \( \color{red}{ \displaystyle \tan 2 \alpha = \frac{2 \tan \alpha}{1 – \tan^2 \alpha} } \)

\( \cos 2 \alpha \) の公式「\( \cos 2 \alpha = 1 – 2 \sin^2 \alpha \)」を \( \sin^2 \alpha \) について ,「\( \cos 2 \alpha = 2 \cos^2 \alpha – 1 \)」を \( \cos^2 \alpha \) について,それぞれ解くと得られる式

・\( \displaystyle \color{red}{ \sin^2 \alpha = \frac{1 – \cos 2 \alpha}{2} } \)

・\( \displaystyle \color{red}{ \cos^2 \alpha = \frac{1 + \cos 2 \alpha}{2} } \)

を使うこともよくあります(次数下げや積分をするときに便利)。

 

3.3 半角の公式

半角の公式

・\( \displaystyle \color{red}{ \sin^2 \frac{\alpha}{2} = \frac{1 – \cos \alpha}{2} } \)

・\( \displaystyle \color{red}{ \cos^2 \frac{\alpha}{2} = \frac{1 + \cos \alpha}{2} } \)

・\( \displaystyle \color{red}{ \tan^2 \frac{\alpha}{2} = \frac{1 – \cos \alpha}{1 + \cos \alpha } } \)

 

3.4 3倍角の公式

3倍角の公式

・\( \color{red}{ \sin 3 \alpha = 3 \sin \alpha – 4 \sin^3 \alpha } \)

・\( \color{red}{ \cos 3 \alpha = -3 \cos \alpha + 4 \cos^3 \alpha } \)

 

3.5 和積の公式

3.5.1 積→和の公式

和積(積→和)の公式

\( \displaystyle ・ \color{red}{ \sin \alpha \cos \beta= \frac{1}{2} \left\{ \sin (\alpha + \beta) + \sin (\alpha – \beta) \right\} } \)

\( \displaystyle ・ \color{red}{ \cos \alpha \sin \beta= \frac{1}{2} \left\{ \sin (\alpha + \beta) – \sin (\alpha – \beta) \right\} } \)

\( \displaystyle ・ \color{red}{ \cos \alpha \cos \beta= \frac{1}{2} \left\{ \cos (\alpha + \beta) + \cos (\alpha – \beta) \right\} } \)

\( \displaystyle ・ \color{red}{ \sin \alpha \sin \beta= – \frac{1}{2} \left\{ \cos (\alpha + \beta) – \cos (\alpha – \beta) \right\} } \)

 

3.5.2 和→積の公式

和積(和→積)の公式

\( \displaystyle ・ \color{red}{ \sin A + \sin B = 2 \sin \frac{A+B}{2} \cos \frac{A-B}{2} } \)

\( \displaystyle ・ \color{red}{ \sin A – \sin B = 2 \cos \frac{A+B}{2} \sin \frac{A-B}{2} } \)

\( \displaystyle ・ \color{red}{ \cos A + \cos B = 2 \cos \frac{A+B}{2} \cos \frac{A-B}{2} } \)

\( \displaystyle ・ \color{red}{ \cos A – \cos B = -2 \sin \frac{A+B}{2} \sin \frac{A-B}{2} } \)

 

4. 三角関数の合成公式

4.1 三角関数の合成公式(sin)

三角関数の合成公式(sin)

\( \displaystyle \color{red}{ a \sin \theta + b \cos \theta = \sqrt{a^2 + b^2} \sin ( \theta + \alpha ) } \)

ただし,\( \alpha \) は \( \displaystyle \cos \alpha = \frac{a}{\sqrt{a^2 + b^2}}, \ \sin \alpha = \frac{b}{\sqrt{a^2 + b^2}} \) を満たす角度。

 

4.2 三角関数の合成公式(cos)

三角関数の合成公式(cos)

\( \displaystyle \color{red}{ a \sin \theta + b \cos \theta = \sqrt{a^2 + b^2} \cos ( \theta \ – \beta ) } \)

ただし,\( \beta \) は \( \displaystyle \sin \beta = \frac{a}{\sqrt{a^2 + b^2}}, \ \cos \beta = \frac{b}{\sqrt{a^2 + b^2}} \) を満たす角度。

 

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2件のコメント

三角関数の合成公式を使った範囲の問題で、なぜθ+‪α‬の‪α‬が0≦θ<2πであるにもかかわらずπから2πまでの範囲をマイナスで表すのか、分かりません。

シノシノです(9年生です)ドラゴンボールダイバーズが好きです。 より:

はい、円周の半分から一周までの範囲にある角度を、負の数を使って表すことはできます。どちらの表現を使うかは、どのような文脈で話すかによります。
円を使った考え方
三角関数を考えるとき、中心から円のふちまでの長さが一定の円(単位円)を想像するとわかりやすいです。
プラスの角度: 円の中心からスタートし、反時計回りに測る角度です。
マイナスの角度: 円の中心からスタートし、時計回りに測る角度です。
2つの角度の表し方
1. ゼロから二パイまでで表す方法(反時計回りのみ)
これは、分度器を使って測るように、常にプラスの値で角度を表す方法です。
第1象限は、ゼロから二分のパイまでの間。
第2象限は、二分のパイからパイまでの間。
第3象限は、パイから二分の三パイまでの間。
第4象限は、二分の三パイから二パイまでの間。
例: 二百七十度をラジアンで表すと、二分の三パイとなります。
2. マイナスパイからパイまでで表す方法(時計回りも使う)
この方法では、半周分の角度(パイ)まではプラスの角度を使い、残りの半周分をマイナスの角度で表します。
プラスの角度は、ゼロからパイまで(第1象限と第2象限)。
マイナスの角度は、時計回りに測ったゼロからマイナスパイまで(第4象限と第3象限)。
πから2πの範囲をマイナスで表すと…
二分の三パイの位置は、時計回りに測るとマイナス二分のパイと表すことができます。
五分の四パイ(二百二十五度)の位置は、時計回りに測るとマイナス三分の四パイ(マイナス百三十五度)と等しくなります。
どちらを使うべきか
ゼロから二パイまでを使う場合
関数の最も高い値や最も低い値を求めたい問題など、全ての範囲をカバーして考える場合に便利です。
問題文で角度の範囲が指定されている場合も、それに合わせます。
マイナスパイからパイまでを使う場合
逆三角関数など、角度を特定の値に決める場合に、この方法がよく使われます。
物理学やベクトルで、最も小さい角度で方向を示したいときにも使われることがあります。
どちらの表現を使っても、円の上の同じ場所を指していることが大切です。迷ったときは、まず円を描いて、どの位置を指しているのか確認すると良いでしょう

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