三角関数の公式は、ばらばらに暗記するより「どの場面で何を変形したいか」で見ると整理しやすくなります。まず押さえたいのは、sin\sincos\costan\tan の基本比、そこから出る恒等式、そして角を分けて計算する加法定理です。

よくある使い道は3つです。式を簡単にする、特別な角の値を正確に出す、三角方程式を解きやすい形に変える。この3つが見えていると、公式表も使いやすくなります。

まず覚える三角関数の基本公式

直角三角形で、角を θ\theta、向かい側を aa、となりを bb、斜辺を cc とすると、

sinθ=ac,cosθ=bc,tanθ=ab\sin \theta = \frac{a}{c}, \quad \cos \theta = \frac{b}{c}, \quad \tan \theta = \frac{a}{b}

また、cosθ0\cos \theta \ne 0 なら

tanθ=sinθcosθ\tan \theta = \frac{\sin \theta}{\cos \theta}

が成り立ちます。ここは後の変形で何度も使います。

相互関係と三平方の恒等式

逆数の関係は次の通りです。

cscθ=1sinθ,secθ=1cosθ,cotθ=1tanθ=cosθsinθ\csc \theta = \frac{1}{\sin \theta}, \quad \sec \theta = \frac{1}{\cos \theta}, \quad \cot \theta = \frac{1}{\tan \theta} = \frac{\cos \theta}{\sin \theta}

さらに、最重要の恒等式は

sin2θ+cos2θ=1\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1

です。ここから、分母が 00 でない範囲で

1+tan2θ=sec2θ1 + \tan^2 \theta = \sec^2 \theta 1+cot2θ=csc2θ1 + \cot^2 \theta = \csc^2 \theta

も導けます。tan\tancot\cot の式は、割ってよい条件があるときだけ使えます。

加法定理は exact 値の計算で強い

和や差に分けられる角では、加法定理がそのまま使えます。

sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ\sin(\alpha + \beta) = \sin \alpha \cos \beta + \cos \alpha \sin \beta sin(αβ)=sinαcosβcosαsinβ\sin(\alpha - \beta) = \sin \alpha \cos \beta - \cos \alpha \sin \beta cos(α+β)=cosαcosβsinαsinβ\cos(\alpha + \beta) = \cos \alpha \cos \beta - \sin \alpha \sin \beta cos(αβ)=cosαcosβ+sinαsinβ\cos(\alpha - \beta) = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta tan(α+β)=tanα+tanβ1tanαtanβ\tan(\alpha + \beta) = \frac{\tan \alpha + \tan \beta}{1 - \tan \alpha \tan \beta} tan(αβ)=tanαtanβ1+tanαtanβ\tan(\alpha - \beta) = \frac{\tan \alpha - \tan \beta}{1 + \tan \alpha \tan \beta}

tan\tan の公式では、分母が 00 にならないことの確認が必要です。

2倍角と半角の公式

同じ角が2つ出るときは、2倍角の公式が役立ちます。

sin(2θ)=2sinθcosθ\sin(2\theta) = 2 \sin \theta \cos \theta cos(2θ)=cos2θsin2θ\cos(2\theta) = \cos^2 \theta - \sin^2 \theta cos(2θ)=2cos2θ1=12sin2θ\cos(2\theta) = 2\cos^2 \theta - 1 = 1 - 2\sin^2 \theta tan(2θ)=2tanθ1tan2θ\tan(2\theta) = \frac{2\tan \theta}{1 - \tan^2 \theta}

半角では

sin(θ2)=±1cosθ2\sin\left(\frac{\theta}{2}\right) = \pm \sqrt{\frac{1 - \cos \theta}{2}} cos(θ2)=±1+cosθ2\cos\left(\frac{\theta}{2}\right) = \pm \sqrt{\frac{1 + \cos \theta}{2}} tan(θ2)=sinθ1+cosθ=1cosθsinθ\tan\left(\frac{\theta}{2}\right) = \frac{\sin \theta}{1 + \cos \theta} = \frac{1 - \cos \theta}{\sin \theta}

を使います。平方根が付く半角公式の符号は、θ/2\theta/2 がどの象限にあるかで決まります。

計算例: sin75\sin 75^\circ を求める

7575^\circ45+3045^\circ + 30^\circ と分けられるので、加法定理を使います。

sin75=sin(45+30)\sin 75^\circ = \sin(45^\circ + 30^\circ) =sin45cos30+cos45sin30= \sin 45^\circ \cos 30^\circ + \cos 45^\circ \sin 30^\circ

既知角の値を入れると、

=(22)(32)+(22)(12)= \left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right)\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right) + \left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right)\left(\frac{1}{2}\right) =64+24=6+24= \frac{\sqrt{6}}{4} + \frac{\sqrt{2}}{4} = \frac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4}

となります。三角関数の公式が生きるのは、こうして難しい角を知っている角に分けられるときです。

間違えやすいポイント

  1. 恒等式と方程式を混同すること。sin2θ+cos2θ=1\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1 は恒等式ですが、sinθ=12\sin \theta = \frac{1}{2} は特定の角でしか成り立ちません。
  2. tanθ\tan \thetasecθ\sec \theta の定義域を見落とすこと。cosθ=0\cos \theta = 0 のときは使えません。
  3. 加法定理の符号を取り違えること。特に cos(α±β)\cos(\alpha \pm \beta) は混乱しやすいです。
  4. 半角公式の ±\pm を勝手に決めること。符号は θ/2\theta/2 の象限で決まります。
  5. 直角三角形の比だけで全部説明しようとすること。鈍角や負の角を扱うなら、単位円の見方が必要です。

どんなときに使うか

三角関数の公式は、式の簡単化、三角方程式、積分や微分の途中計算、波や回転の問題でよく使われます。高校数学では「値を求める」「式を変形する」「別の形に直す」の3場面で出会うことが多いです。

公式を選ぶときは、角を足し引きできるか、sin2\sin^2cos2\cos^2 が見えているか、同じ角が2つあるかを先に見ると判断しやすくなります。

次に自分で試す

cos15\cos 15^\circ453045^\circ - 30^\circ と見て計算してみてください。途中で符号を丁寧に追えれば、加法定理の使い方がかなり安定します。

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