삼각함수 항등식은 sin⁡\sin, cos⁡\cos, tan⁡\tan 및 관련 함수가 들어 있는 식으로, 양변이 모두 정의되는 모든 각에서 항상 참인 등식입니다. 대수, 예비미적분, 기초 미적분에서 자주 쓰는 표준 삼각함수 항등식을 찾고 있다면, 핵심 목록은 역수 항등식, 몫 항등식, 피타고라스 항등식, 짝홀 항등식, 여함수 항등식, 합차 공식, 배각 공식, 반각 공식입니다.

가장 빨리 익히는 방법은 용도별로 묶어서 보는 것입니다. 어떤 항등식은 한 삼각함수를 다른 삼각함수로 바꾸고, 어떤 것은 sin⁡θ\sin \theta와 cos⁡θ\cos \theta를 연결하며, 또 어떤 것은 각을 θ\theta에서 2θ2\theta 또는 θ/2\theta/2로 바꿉니다.

어떤 식이 삼각함수 항등식인가?

항등식은 그 정의역에 있는 모든 각에서 참이어야 합니다. 예를 들어,

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

은 모든 θ\theta에 대해 성립하므로 항등식입니다.

반면,

sin⁡θ=12\sin \theta = \frac{1}{2}

는 항등식이 아닙니다. 특정한 각에서만 참입니다.

정의역 조건은 중요합니다. 예를 들어,

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

는 cos⁡θ≠0\cos \theta \neq 0일 때만 참입니다.

핵심 삼각함수 항등식 목록

역수 항등식

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}

각 식에서는 분모가 0이 아니어야 합니다.

몫 항등식

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}

이 항등식들은 모든 것을 sin⁡\sin과 cos⁡\cos로 바꿔 주기 때문에, 식을 간단히 하는 문제에서 첫 단계로 자주 쓰입니다.

피타고라스 항등식

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

첫 번째 항등식이 나머지 두 식의 출발점입니다.

짝홀 항등식

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

같은 패턴은 역수 함수에도 이어집니다. csc⁡\csc와 cot⁡\cot는 홀함수이고, sec⁡\sec는 짝함수입니다.

여함수 항등식

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

이 식들은 서로 여각인 각에서 나옵니다.

합차 공식

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}

탄젠트 공식에서는 분모가 0이 아니어야 합니다.

배각 공식

합 공식에서 α=β=θ\alpha = \beta = \theta로 두면 됩니다.

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}

탄젠트의 배각 공식도 1−tan⁡2θ≠01 - \tan^2 \theta \neq 0이어야 합니다.

반각 공식

이 식들은 배각 공식을 정리해서 얻습니다.

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}

각을 θ/2\theta/2로 쓴 형태에서는 제곱근 꼴이 다음과 같습니다.

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}}

부호는 θ/2\theta/2가 어느 사분면에 있는지에 따라 달라지므로, ±\pm를 함부로 없애면 안 됩니다.

주요 삼각함수 항등식은 어디서 나오나

단위원에서 첫 번째 피타고라스 항등식이 나온다

단위원에서 각 θ\theta에 대응하는 점은 (cos⁡θ,sin⁡θ)(\cos \theta, \sin \theta)입니다. 이 원 위의 모든 점은 x2+y2=1x^2 + y^2 = 1을 만족하므로, x=cos⁡θx = \cos \theta, y=sin⁡θy = \sin \theta를 대입하면

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

을 얻습니다.

이것이 기본 피타고라스 항등식입니다.

나머지 피타고라스 항등식은 나누기에서 나온다

cos⁡θ≠0\cos \theta \neq 0이면,

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

의 양변을 cos⁡2θ\cos^2 \theta로 나누면

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

를 얻습니다.

sin⁡θ≠0\sin \theta \neq 0일 때 양변을 sin⁡2θ\sin^2 \theta로 나누면

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

가 됩니다.

배각 공식은 합 공식에서 나온다

먼저

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

에서 시작해 α=β=θ\alpha = \beta = \theta로 두면

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

가 됩니다.

코사인과 탄젠트의 배각 공식도 같은 방식으로 유도합니다.

풀이 예제: 배각이 들어간 식 간단히 하기

다음을 간단히 하시오.

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

단, 원래 식이 정의되는 각에서만 생각합니다.

배각 공식을 쓰면

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

이고,

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

입니다.

이제 대입하면

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

를 얻습니다.

이 결론은 원래 분모가 0이 아닌 곳에서만 유효하므로, sin⁡(2θ)≠0\sin(2\theta) \neq 0이어야 합니다. 이 조건이 중요한 이유는, 약분 과정에서 처음부터 제외되어야 했던 값이 가려질 수 있기 때문입니다.

삼각함수 항등식에서 자주 하는 실수

정의역 제한을 무시하는 것이 가장 큰 문제를 일으키는 실수입니다. sin⁡θ\sin \theta나 cos⁡θ\cos \theta로 나누는 것은 그 값이 0이 아닐 때만 가능합니다.

또 하나 흔한 실수는 반각 공식에서 ±\pm를 빼먹는 것입니다. 제곱근만으로는 삼각함수값의 부호가 결정되지 않습니다.

학생들은 sin⁡2θ\sin^2 \theta와 sin⁡(θ2)\sin(\theta^2)를 혼동하기도 합니다. sin⁡2θ\sin^2 \theta는 (sin⁡θ)2(\sin \theta)^2를 뜻합니다.

삼각함수 항등식은 언제 쓰이나

삼각함수 항등식은 식을 더 유용한 형태로 바꿔야 할 때마다 등장합니다. 숙제 문제를 간단히 하거나, 두 식이 같음을 증명하거나, 삼각방정식을 풀거나, 적분 같은 미적분 주제를 준비할 때 모두 쓰입니다.

실제로는 많은 문제가 모든 항을 sin⁡θ\sin \theta와 cos⁡θ\cos \theta로 바꾸는 순간 훨씬 쉬워집니다.

비슷한 문제를 풀어 보세요

다음을 간단히 하세요.

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

배각 공식을 사용하되, 원래 식의 정의역 조건을 계속 확인하세요. 한 단계 더 해 보고 싶다면, 결과를 tan⁡θ\tan \theta와 비교해 보세요.

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