三角恒等式とは、sin⁡\sin、cos⁡\cos、tan⁡\tan などの三角関数を含み、両辺が定義されるすべての角で成り立つ等式のことです。代数、数学II・数学B、微積分の初歩で使う標準的な三角恒等式を探しているなら、基本となるのは逆数、商、ピタゴラス、偶奇、余関数、加法・減法、倍角、半角の恒等式です。

最も覚えやすい方法は、目的ごとにまとめることです。あるものは1つの三角関数を別の関数で書き換え、あるものは sin⁡θ\sin \theta と cos⁡θ\cos \theta を結びつけ、またあるものは角を θ\theta から 2θ2\theta や θ/2\theta/2 に変えます。

何が三角恒等式なのか

恒等式は、その定義域にあるすべての角で成り立つ等式です。たとえば、

sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1

は、すべての θ\theta で成り立つので恒等式です。

一方で、

sin⁡θ=12\sin \theta = \frac{1}{2}

は恒等式ではありません。成り立つのは特定の角だけです。

定義域の条件は重要です。たとえば、

tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ\tan \theta = \frac{\sin \theta}{\cos \theta}

が成り立つのは cos⁡θ≠0\cos \theta \neq 0 のときだけです。

基本的な三角恒等式の一覧

逆数の恒等式

csc⁡θ=1sin⁡θ,sec⁡θ=1cos⁡θ,cot⁡θ=1tan⁡θ\csc \theta = \frac{1}{\sin \theta}, \qquad \sec \theta = \frac{1}{\cos \theta}, \qquad \cot \theta = \frac{1}{\tan \theta}

どの式でも、分母は 0 であってはいけません。

商の恒等式

tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ,cot⁡θ=cos⁡θsin⁡θ\tan \theta = \frac{\sin \theta}{\cos \theta}, \qquad \cot \theta = \frac{\cos \theta}{\sin \theta}

これらは、すべてを sin⁡\sin と cos⁡\cos で表し直せるので、式の簡単化で最初の一歩になることがよくあります。

ピタゴラスの恒等式

sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1 1+tan⁡2θ=sec⁡2θ1 + \tan^2 \theta = \sec^2 \theta 1+cot⁡2θ=csc⁡2θ1 + \cot^2 \theta = \csc^2 \theta

最初の恒等式が、残り2つのもとになっています。

偶奇の恒等式

sin⁡(−θ)=−sin⁡θ,cos⁡(−θ)=cos⁡θ,tan⁡(−θ)=−tan⁡θ\sin(-\theta) = -\sin \theta, \qquad \cos(-\theta) = \cos \theta, \qquad \tan(-\theta) = -\tan \theta

同じパターンは逆数の関数にも広がります。csc⁡\csc と cot⁡\cot は奇関数、sec⁡\sec は偶関数です。

余関数の恒等式

sin⁡(π2−θ)=cos⁡θ\sin\left(\frac{\pi}{2} - \theta\right) = \cos \theta cos⁡(π2−θ)=sin⁡θ\cos\left(\frac{\pi}{2} - \theta\right) = \sin \theta tan⁡(π2−θ)=cot⁡θ\tan\left(\frac{\pi}{2} - \theta\right) = \cot \theta

これらは、互いに余角の関係にある角から出てきます。

加法・減法の恒等式

sin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha + \beta) = \sin \alpha \cos \beta + \cos \alpha \sin \beta sin⁡(α−β)=sin⁡αcos⁡β−cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha - \beta) = \sin \alpha \cos \beta - \cos \alpha \sin \beta cos⁡(α+β)=cos⁡αcos⁡β−sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha + \beta) = \cos \alpha \cos \beta - \sin \alpha \sin \beta cos⁡(α−β)=cos⁡αcos⁡β+sin⁡αsin⁡β\cos(\alpha - \beta) = \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta tan⁡(α+β)=tan⁡α+tan⁡β1−tan⁡αtan⁡β\tan(\alpha + \beta) = \frac{\tan \alpha + \tan \beta}{1 - \tan \alpha \tan \beta} tan⁡(α−β)=tan⁡α−tan⁡β1+tan⁡αtan⁡β\tan(\alpha - \beta) = \frac{\tan \alpha - \tan \beta}{1 + \tan \alpha \tan \beta}

tan⁡\tan の公式では、分母が 0 でないことが必要です。

倍角の恒等式

角の和の公式で α=β=θ\alpha = \beta = \theta とおきます。

sin⁡(2θ)=2sin⁡θcos⁡θ\sin(2\theta) = 2 \sin \theta \cos \theta cos⁡(2θ)=cos⁡2θ−sin⁡2θ\cos(2\theta) = \cos^2 \theta - \sin^2 \theta cos⁡(2θ)=2cos⁡2θ−1\cos(2\theta) = 2\cos^2 \theta - 1 cos⁡(2θ)=1−2sin⁡2θ\cos(2\theta) = 1 - 2\sin^2 \theta tan⁡(2θ)=2tan⁡θ1−tan⁡2θ\tan(2\theta) = \frac{2\tan \theta}{1 - \tan^2 \theta}

tan⁡\tan の倍角公式でも、1−tan⁡2θ≠01 - \tan^2 \theta \neq 0 が必要です。

半角の恒等式

これらは倍角公式を変形して得られます。

sin⁡2θ=1−cos⁡(2θ)2\sin^2 \theta = \frac{1 - \cos(2\theta)}{2} cos⁡2θ=1+cos⁡(2θ)2\cos^2 \theta = \frac{1 + \cos(2\theta)}{2}

角を θ/2\theta/2 と書いたとき、平方根を使う形は次のようになります。

sin⁡(θ2)=±1−cos⁡θ2\sin\left(\frac{\theta}{2}\right) = \pm \sqrt{\frac{1 - \cos \theta}{2}} cos⁡(θ2)=±1+cos⁡θ2\cos\left(\frac{\theta}{2}\right) = \pm \sqrt{\frac{1 + \cos \theta}{2}}

符号は θ/2\theta/2 がどの象限にあるかで決まるので、±\pm を勝手に落としてはいけません。

主な三角恒等式はどこから来るのか

単位円から最初のピタゴラスの恒等式が出る

単位円では、角 θ\theta に対応する点は (cos⁡θ,sin⁡θ)(\cos \theta, \sin \theta) です。この円上のすべての点は x2+y2=1x^2 + y^2 = 1 を満たすので、x=cos⁡θx = \cos \theta、y=sin⁡θy = \sin \theta を代入すると

cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\cos^2 \theta + \sin^2 \theta = 1

となります。

これが基本のピタゴラスの恒等式です。

他のピタゴラスの恒等式は割り算から出る

cos⁡θ≠0\cos \theta \neq 0 のとき、

sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1

を cos⁡2θ\cos^2 \theta で割ると、

sin⁡2θcos⁡2θ+1=1cos⁡2θ\frac{\sin^2 \theta}{\cos^2 \theta} + 1 = \frac{1}{\cos^2 \theta} tan⁡2θ+1=sec⁡2θ\tan^2 \theta + 1 = \sec^2 \theta

となります。

また、sin⁡θ≠0\sin \theta \neq 0 のときに sin⁡2θ\sin^2 \theta で割れば、

1+cot⁡2θ=csc⁡2θ1 + \cot^2 \theta = \csc^2 \theta

が得られます。

倍角の恒等式は加法公式から出る

まず

sin⁡(α+β)=sin⁡αcos⁡β+cos⁡αsin⁡β\sin(\alpha + \beta) = \sin \alpha \cos \beta + \cos \alpha \sin \beta

から始めて、α=β=θ\alpha = \beta = \theta とおくと、

sin⁡(2θ)=2sin⁡θcos⁡θ\sin(2\theta) = 2\sin \theta \cos \theta

となります。

cos⁡\cos と tan⁡\tan の倍角公式も同じ考え方で導けます。

例題:倍角を含む式を簡単にする

次を簡単にします。

1−cos⁡(2θ)sin⁡(2θ)\frac{1 - \cos(2\theta)}{\sin(2\theta)}

ただし、もとの式が定義される角に限ります。

倍角公式を使うと、

1−cos⁡(2θ)=1−(1−2sin⁡2θ)=2sin⁡2θ1 - \cos(2\theta) = 1 - \left(1 - 2\sin^2 \theta\right) = 2\sin^2 \theta

また、

sin⁡(2θ)=2sin⁡θcos⁡θ\sin(2\theta) = 2\sin \theta \cos \theta

です。

これを代入すると、

1−cos⁡(2θ)sin⁡(2θ)=2sin⁡2θ2sin⁡θcos⁡θ=sin⁡θcos⁡θ=tan⁡θ\frac{1 - \cos(2\theta)}{\sin(2\theta)} = \frac{2\sin^2 \theta}{2\sin \theta \cos \theta} = \frac{\sin \theta}{\cos \theta} = \tan \theta

となります。

ただし、この結論が成り立つのは、もとの分母が 0 でない範囲、つまり sin⁡(2θ)≠0\sin(2\theta) \neq 0 のときだけです。約分をすると、最初に除かれていた値が見えなくなることがあるので、この条件は大切です。

三角恒等式でよくあるミス

最も問題になりやすいのは、定義域の制限を無視することです。sin⁡θ\sin \theta や cos⁡θ\cos \theta で割ってよいのは、それらが 0 でないときだけです。

もう1つよくあるのは、半角公式で ±\pm を落としてしまうことです。平方根だけでは、三角関数の値の符号までは決まりません。

また、sin⁡2θ\sin^2 \theta と sin⁡(θ2)\sin(\theta^2) を混同する人もいます。sin⁡2θ\sin^2 \theta は (sin⁡θ)2(\sin \theta)^2 を意味します。

三角恒等式はいつ使うのか

三角恒等式は、式をより使いやすい形に書き換えたいときに現れます。たとえば、宿題の式変形、2つの式が等しいことの証明、三角方程式を解く場面、さらに積分などの微積分の準備でも使われます。

実際には、すべてを sin⁡θ\sin \theta と cos⁡θ\cos \theta で書き直すと、解きやすくなる問題が多くあります。

似た問題に挑戦

次を簡単にしてみましょう。

sin⁡(2θ)1+cos⁡(2θ)\frac{\sin(2\theta)}{1 + \cos(2\theta)}

倍角公式を使い、もとの式の定義域の条件も意識してください。さらに一歩進めるなら、結果を tan⁡θ\tan \theta と比べてみましょう。

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