三角比の対称式(交代式)で、テストや大学入試によく出るパターンの問題を網羅したい!
三角比の対称式を、基礎からはじめて 入試の基本レベルまで徐々に学んでいきたい!
こういった要望をお持ちの人に向けて、この記事を書きました。
このページを最後まで読めば、三角比の対称式(交代式)の問題で、テストや大学入試でよく出るパターンが網羅 できます。
できるだけ図を使いながら、丁寧に分かりやすく解説してあります。
実際に手を動かして問題を解きながら一緒に学んでいきましょう!
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「三角比の相互関係」の3公式の中でも、特に多く使うのが
このページの問題でもガンガン使うので、しっかり頭に入れておきましょう!
三角比の対称式(交代式)Lv.1【基本問題】
まずは「三角比の対称式(交代式)」の基本問題から。
和 → 積 を求める問題
対称式はとりあえず「和の式を2乗する」と覚えておきましょう。
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【解答】
$ $ $ \displaystyle { \sin \theta + \cos \theta = {1 \over 4} }$
の両辺を2乗して
$ $ $ \displaystyle { ( \sin \theta + \cos \theta )^2 = \left( {1 \over 4} \right)^2 } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \color{red} { \sin^2 \theta } + 2 \sin \theta \cos \theta + \color{red} { \cos^2 \theta } = {1 \over 16} } $
ここに $ \color{red} {\sin^2 \theta + \cos^2 \theta} = 1 $ を代入して
$ $ $ \displaystyle { \color{red} {1} + 2 \sin \theta \cos \theta = { 1 \over 16} } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { 2 \sin \theta \cos \theta = −{15 \over 16} } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \sin \theta \cos \theta = −{15 \over 32} } $
差 → 積 を求める問題
今回は「差の式」が与えられているので、やはり 2乗 してみます。
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-
【解答】
$ $ $ \displaystyle { \sin \theta − \cos \theta = −{ \sqrt{2} \over 3} }$
の両辺を2乗して
$ $ $ \displaystyle { ( \sin \theta − \cos \theta )^2 = \left( −{ \sqrt{2} \over 3} \right)^2 } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \color{red} { \sin^2 \theta } − 2 \sin \theta \cos \theta + \color{red} { \cos^2 \theta } = {2 \over 9} } $
ここに $ \color{red} {\sin^2 \theta + \cos^2 \theta} = 1 $ を代入して
$ $ $ \displaystyle { \color{red} {1} − 2 \sin \theta \cos \theta = {2 \over 9} } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { −2 \sin \theta \cos \theta = −{7 \over 9} } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \sin \theta \cos \theta = {7 \over 18} } $
三角比の対称式(交代式)Lv.2【応用問題1】
次に「三角比の対称式(交代式)」の応用問題をやってみましょう!
ちょっと問題数が多いですが、対称式の頻出パターンが網羅できます!
【問題2】$ \displaystyle { \sin \theta + \cos \theta = {1 \over 2} \left( 0^\circ ≦\theta≦180^\circ \right) } $ のとき、次の値を求めよ。
(1) $\sin \theta \cos \theta$
(2) $\sin^3 \theta + \cos^3 \theta$
(3) $\displaystyle { \tan \theta + {1 \over \tan \theta} } $
(4) $\sin \theta − \cos \theta$
(5) $\sin \theta$
(6) $\displaystyle { \tan \theta − { 1 \over \tan \theta } }$
(7) $ \tan \theta $
(1) $\sin \theta \cos \theta$
やり方は先ほどの基本問題と同じですね。
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【解答】
$ $ $ \displaystyle { \sin \theta + \cos \theta = {1 \over 2} }$ ・・・①
の両辺を2乗して
$ $ $ \displaystyle { ( \sin \theta + \cos \theta )^2 = \left( {1 \over 2} \right)^2 } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \color{red} { \sin^2 \theta } + 2 \sin \theta \cos \theta + \color{red} { \cos^2 \theta } = {1 \over 4} } $
ここに $ \color{red} {\sin^2 \theta + \cos^2 \theta} = 1 $ を代入して
$ $ $ \displaystyle { \color{red} {1} + 2 \sin \theta \cos \theta = {1 \over 4} } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { 2 \sin \theta \cos \theta = −{3 \over 4} } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \sin \theta \cos \theta = −{3 \over 8} } $ ・・・②
(2) $\sin^3 \theta + \cos^3 \theta$
3乗の形を作るために「展開の公式」を利用します。
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-
【解答】
①の両辺を3乗して
$ $ $ \left( \sin \theta + \cos \theta \right)^3 = \left( \displaystyle { 1 \over 2 } \right)^3 $
$ $ ∴ $ \sin^3 \theta + 3 \sin^2 \theta \cos \theta + 3 \sin \theta \cos^2 \theta + \cos^3 \theta = \displaystyle { 1 \over 8 } $
$ $ ∴ $ \sin^3 \theta + \cos^3 \theta + 3 \sin^2 \theta \cos \theta + 3 \sin \theta \cos^2 \theta = \displaystyle { 1 \over 8 } $
$ $ ∴ $ \sin^3 \theta + \cos^3 \theta + 3 \color{green} { \sin \theta \cos \theta } \enspace ( \color{red} { \sin \theta + \cos \theta } ) = \displaystyle { 1 \over 8 } $
ここに
$ \begin{cases}
① \color{red} { \sin \theta + \cos \theta } = \displaystyle { 1 \over 2 } \\
\\
② \color{green} { \sin \theta \cos \theta } = − \displaystyle { 3 \over 8 } \\
\end{cases}$を代入して
$ $ $ \displaystyle { \sin^3 \theta + \cos^3 \theta + 3 \cdot \left( \color{green} {− { 3 \over 8 } } \right) \cdot \color{red} { 1 \over 2 } = { 1 \over 8 } } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \sin^3 \theta + \cos^3 \theta − { 9 \over 16 } = { 1 \over 8 } } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \sin^3 \theta + \cos^3 \theta = { 1 \over 8 } + { 9 \over 16 } } $
$ $ $ \displaystyle { = { 11 \over 16 } } $
別解として「因数分解の公式」を使ってもできます。
- 【別解】を見る
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【別解】
$ \sin^3 \theta + \cos^3 \theta $
$ = ( \color{red} { \sin \theta + \cos \theta } ) ( \sin^2 \theta − \color{green} { \sin \theta \cos \theta } + \cos^2 \theta ) $
ここに
$ \begin{cases}
\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1 \\
\\
① \color{red} { \sin \theta + \cos \theta } = \displaystyle { 1 \over 2 } \\
\\
② \color{green} { \sin \theta \cos \theta } = − \displaystyle { 3 \over 8 } \\
\end{cases}$を代入して
(与式)$\displaystyle { = \color{red} { 1 \over 2 } \left\{ 1 − \left( \color{green} { − { 3 \over 8 } } \right) \right\} } $
$ $ $ \displaystyle { = { 1 \over 2 } \cdot { 11 \over 8 } } $
$ $ $ \displaystyle { = { 11 \over 16 } } $
(3) $\displaystyle { \tan \theta + {1 \over \tan \theta} } $
$\tan \theta $ を消去 → 分数を通分 すると、対称式が代入できそうな形になります。
- 【解答・解説】を見る
-
【解答】
$\displaystyle { \tan \theta + { 1 \over \tan \theta } }$
$\displaystyle { = { \sin \theta \over \cos \theta } + { \cos \theta \over \sin \theta } }$ $\displaystyle { \left( \tan \theta = {\sin \theta \over \cos \theta} を代入 \right) }$
$\displaystyle { = { \color{red} { \sin^2 \theta + \cos^2 \theta } \over \color{green} { \sin \theta \cos \theta } } }$ ・・・(注1)
ここに
$ \begin{cases}
\color{red} { \sin^2 \theta + \cos^2 \theta } = 1 \\
\\
② \color{green} { \sin \theta \cos \theta } = − \displaystyle { 3 \over 8 } \\
\end{cases}$を代入して
(与式)$\displaystyle { = { \color{red} { 1 } \over \displaystyle \color{green} {−{ 3 \over 8 } } } } $
$ $ $\displaystyle { = { 1 × 8 \over \displaystyle {−{ 3 \over 8 }× 8 } } } $ ・・・(注2)
$ $ $\displaystyle { = − { 8 \over 3 } } $
(注1)ここの通分の流れは、例えば
$ $ $\displaystyle { { 4 \over 5 } + { 5 \over 4 } } $
$ $ $\displaystyle { = { 4^2 \over 5 \cdot 4 } + { 5^2 \over 4 \cdot 5 } } $
$ $ $\displaystyle { = { 4^2 + 5^2 \over 5 \cdot 4 } } $
と同様に考えると
$ $ $\displaystyle { { \sin \theta \over \cos \theta } + { \cos \theta \over \sin \theta } }$
$ $ $\displaystyle { = { \sin^2 \theta \over \cos \theta \sin \theta } + { \cos^2 \theta \over \sin \theta \cos \theta } }$
$ $ $\displaystyle { = { \sin^2 \theta + \cos^2 \theta \over \sin \theta \cos \theta } }$
(注2)分数の中に分数が入っているときは、「分母 $\left( \displaystyle {−{ 3 \over 8 } } \right)$ と分子 $\left( 1 \right)$ に同じ数 $\left( 8 \right)$ をかける」と考えるといいです。
あるいは、「割り算(分子 ÷ 分母)」とみなして
$ $ $\displaystyle { { 1 \over \displaystyle {−{ 3 \over 8 } } } } $
$ $ $\displaystyle { = 1 ÷ \left(−{ 3 \over 8 } \right) } $
$ $ $\displaystyle { = 1 × \left(−{ 8 \over 3 } \right) } $
と計算してもOK。
(4) $\sin \theta − \cos \theta$
$\sin \theta − \cos \theta$ の値をいきなり求めることはできませんが、
とりあえず 2乗した形 $ ( \sin \theta − \cos \theta )^2 $ なら分かりそうですよね?
- 【解答・解説】を見る
-
【解答】
$ ( \sin \theta − \cos \theta )^2 $
$ = \color{red} { \sin^2 \theta } − 2 \color{green} { \sin \theta \cos \theta } + \color{red} { \cos^2 \theta } $
$ = \color{red} { 1 } − 2 \cdot \left( \color{green} { − \displaystyle { 3 \over 8 } } \right) $ $ \left( \color{red} { \sin^2 \theta + \cos^2 \theta } = 1 、 ② \color{green} { \sin \theta \cos \theta } = − \displaystyle { 3 \over 8 } を代入 \right) $
$ \displaystyle { = 1 + { 3 \over 4 } } $
$ \displaystyle { = { 7 \over 4 } } $
ここで、$0^\circ ≦\theta≦180^\circ$ より $\sin \theta ≧ 0$ ・・・(注1)
また、$\sin \theta \cos \theta <0$ より $\sin \theta$、$\cos \theta$ は異符号。
これらを合わせて考えると $\cos \theta <0$ ・・・(注2)
∴ $− \cos \theta >0$
「$\sin \theta ≧ 0$ かつ $− \cos \theta >0$」より
$\sin \theta − \cos \theta >0 $・・・(注3)
ゆえに
$ \displaystyle { \sin \theta − \cos \theta = \sqrt{ 7 \over 4 } }$
$ $ $ \displaystyle { = { \sqrt{ 7 } \over 2 } } $・・・③
(注1)「$0^\circ ≦\theta≦180^\circ$」より、単位円をかくと
なので、$\sin \theta ≧ 0$($0$以上)とわかります。
(注2)$\sin \theta \cos \theta <0$(かけてマイナス)ということは
$\sin \theta$、$\cos \theta$ のうち一方は「+」、もう一方は「−」(異符号)になります。
上記の(注1)より $\sin \theta ≧ 0$($\color{red}{0}$以上)なので、もう一方の $\cos \theta$ は「−」と分かります。
(注3)$\sin \theta − \cos \theta$ は、
「$\sin \theta ≧ 0$($\color{red}{0}$以上)」と「$− \cos \theta >0$(+)」を足した数なので
$\sin \theta − \cos \theta>0$(+)になります。
別解として、$\color{red} { \cos \theta }$ を消去 して「$ \sin \theta $ の2次方程式」を解くやり方もあります。
- 【別解】を見る
-
【別解】
$ \displaystyle { \sin \theta + \cos \theta = {1 \over 2} }$ より
$ $ $ \displaystyle { \color{red} { \cos \theta } = {1 \over 2} − \sin \theta }$
これを $ \sin^2 \theta + \color{red} { \cos } ^2 \color{red} { \theta } = 1 $ に代入して
$ $ $ \displaystyle { \sin^2 \theta + \left( \color{red} { {1 \over 2} − \sin \theta } \right)^2 = 1 } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \sin^2 \theta + {1 \over 4} −\sin \theta + \sin^2 \theta = 1 } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { 2 \sin^2 \theta −\sin \theta − {3 \over 4} = 0 } $
両辺に $4$ をかけて
$ $ $ 8 \sin^2 \theta −4 \sin \theta − 3 = 0 $
これを $\sin \theta$ についての2次方程式と見て、解を求めると
$ $ $ \displaystyle { \sin \theta = { 2 \pm \sqrt{ 4 −8 \cdot (−3) } \over 8 } }$ ・・・(注1)
$ $ $ \displaystyle { = { 2 \pm \sqrt{ 28 } \over 8 } }$
$ $ $ \displaystyle { = { 2 \pm 2 \sqrt{ 7 } \over 8 } }$
$ $ $ \displaystyle { = { 1 \pm \sqrt{ 7 } \over 4 } }$
ここで、$0^\circ ≦\theta≦180^\circ$ より $ 0 ≦\sin \theta≦1 $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \color{green} {\sin \theta} = { 1 + \sqrt{ 7 } \over 4 } }$ ・・・(注2)
よって
$ $ $ \cos \theta = \displaystyle {1 \over 2} − \color{green} {\sin \theta} $
$ $ $ = \displaystyle {1 \over 2} − \color{green} { 1 + \sqrt{ 7 } \over 4 } $
$ $ $ = \displaystyle { 1 − \sqrt{ 7 } \over 4 } $
ゆえに
$ $ $\sin \theta −\cos \theta$
$ $ $ \displaystyle { = { 1 + \sqrt{ 7 } \over 4 } − { 1 − \sqrt{ 7 } \over 4 } } $
$ $ $ \displaystyle { = { 2 \sqrt{ 7 } \over 4 } } $
$ $ $ \displaystyle { = { \sqrt{ 7 } \over 2 } } $
(注1)$ \displaystyle { 8x^2 −4x −3 = 0 }$ の解き方について
ふつうの解の公式を使ってしまうと
$ $ $ \displaystyle { x = { 4 \pm \sqrt{ 4^2 −4 \cdot 8 \cdot (−3) } \over 2 \cdot 8 } }$
となって計算がすこし大変ですね。
そこで
$x$ の2次方程式 $ax^2 + bx + c = 0$
において $b$ が偶数のとき、$b = 2b’$ とすると
$ \displaystyle { x = { −b’ \pm \sqrt{ b’^2 − ac } \over a } }$
これを利用すると
$ $ $ \displaystyle { x = { 2 \pm \sqrt{ 2^2 − 8 \cdot (−3) } \over 8 } }$
と、ちょっとだけ楽ができます。
(注2)ここで
「$\displaystyle { \sin \theta = { 1 + \sqrt{ 7 } \over 4 } } $ は、$ 0 ≦\sin \theta≦1 $ の範囲にホントに入ってるの?$\sqrt{ 7 }$ の値なんて覚えてないよ〜」
と思ったキミへ・・・
もし $\sqrt{ 7 }$ の値を知らなくても
$ $ $2^2 < 7< 3^2$ より $2 <\sqrt{ 7 }< 3$
というのは分かりますよね?
ここから $\displaystyle { 1 + \sqrt{ 7 } \over 4 }$ の形に少しずつ近づけていきます。
$ $ $2 <\sqrt{ 7 }< 3$
辺々に $1$ を足して
$ $ $3 <1 + \sqrt{ 7 }< 4$
辺々を $4$ で割って
$ $ $\displaystyle { {3 \over 4}< { 1 + \sqrt{ 7 } \over 4 }<{4 \over 4} }$
$ $ ∴ $\displaystyle { {3 \over 4}<\sin \theta<1 }$
となり、$ 0 ≦\sin \theta≦1 $ を満たしていることが分かりました。
この変形のしかたは、これ以外にも 2次関数など色んな場面で必要となります。
バッチリ覚えておきましょう!
(5) $\sin \theta$
「$\sin \theta$ と $\cos \theta$ の和・差」が分かっているので、そこから $\sin \theta$ の値を求められます。
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-
【解答】
$ \begin{cases}
① \sin \theta + \cos \theta = \displaystyle { 1 \over 2 } \\
\\
③ \sin \theta − \cos \theta = \displaystyle { \sqrt{ 7 } \over 2 } \\
\end{cases}$の辺々を足して
$ $ $ \displaystyle { ( \sin \theta + \require{cancel} \bcancel{ \cos \theta } ) + ( \sin \theta − \bcancel{ \cos \theta } ) = { 1 \over 2 } + { \sqrt{ 7 } \over 2 } } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { 2 \sin \theta = { 1 + \sqrt{ 7 } \over 2 } } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \sin \theta = { 1 \over 2 } \cdot { 1 + \sqrt{ 7 } \over 2 } } $
$ $ $ \displaystyle { = { 1 + \sqrt{ 7 } \over 4 } } $
(6) $\displaystyle { \tan \theta − { 1 \over \tan \theta } }$
$\tan \theta $ を消去 → 分数を通分 → 因数分解 すると、対称式が代入できそうな形になります。
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-
【解答】
$\displaystyle { \tan \theta − { 1 \over \tan \theta } }$
$\displaystyle { = { \sin \theta \over \cos \theta } − { \cos \theta \over \sin \theta } }$ $\displaystyle { \left( \tan \theta = {\sin \theta \over \cos \theta} を代入 \right) }$
$\displaystyle { = { \sin^2 \theta − \cos^2 \theta \over \sin \theta \cos \theta } }$
$\displaystyle { = { ( \color{red} { \sin \theta + \cos \theta } ) ( \color{blue} { \sin \theta − \cos \theta } ) \over \color{green} { \sin \theta \cos \theta } } }$
ここに
$ \begin{cases}
① \color{red} { \sin \theta + \cos \theta } = \displaystyle { 1 \over 2 } \\
\\
② \color{green} { \sin \theta \cos \theta } = − \displaystyle { 3 \over 8 } \\
\\
③ \color{blue} { \sin \theta − \cos \theta } = \displaystyle { \sqrt{ 7 } \over 2 } \\
\end{cases}$を代入して
(与式)$\displaystyle { = { \displaystyle { \color{red} { 1 \over 2 } \cdot \color{blue} { \sqrt{ 7 } \over 2 } } \over \displaystyle { \color{green} {− { 3 \over 8 } } } } } $
$ $ $\displaystyle { = { \enspace \displaystyle { \sqrt{7} \over 4 } \enspace \over \displaystyle {−{ 3 \over 8 } } } } $
$ $ $\displaystyle { = { \displaystyle { { \sqrt{7} \over 4 }× 8 } \over \displaystyle {−{ 3 \over 8 }× 8 } } } $
$ $ $\displaystyle { = − { 2 \sqrt{7} \over 3 } } $
(7) $ \tan \theta $
一見難しそうに見えますが、
(3)と(6) の結果から「$\tan \theta$ と $\displaystyle { 1 \over \tan \theta} $ の和・差」が分かるので、そこから $\tan \theta$ の値を求められます。
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【解答】
(3)、(6) より
$ \begin{cases}
\displaystyle { \tan \theta + { 1 \over \tan \theta } = − { 8 \over 3 } } \\
\\
\displaystyle { \tan \theta − { 1 \over \tan \theta } = − { 2 \sqrt{7} \over 3 } }\\
\end{cases}$辺々を足して
$ $ $ \displaystyle { \left( \tan \theta + \require{cancel} \bcancel{ 1 \over \tan \theta } \right) + \left( \tan \theta − \bcancel { 1 \over \tan \theta } \right) = − { 8 \over 3 } − { 2 \sqrt{7} \over 3 } } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { 2 \tan \theta = − { 8 + 2 \sqrt{7} \over 3 } } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \tan \theta = − { 8 + 2 \sqrt{7} \over 3 } \cdot {1 \over 2} } $
$ $ $ \displaystyle { = − { 4 + \sqrt{7} \over 3 } } $
三角比の対称式(交代式)Lv.3【応用問題2】
もうひとつ「三角比の対称式(交代式)」の応用問題です。
場合分け が必要なパターンを見ておきましょう。
【問題3】$ \displaystyle { \sin \theta + \cos \theta = { \sqrt{5} \over 2} \left( 0^\circ ≦\theta≦180^\circ \right) } $ のとき、次の値を求めよ。
(1) $\sin \theta \cos \theta$
(2) $\sin \theta − \cos \theta$
(1) $\sin \theta \cos \theta$
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-
【解答】
$ $ $ \displaystyle { \sin \theta + \cos \theta = { \sqrt{5} \over 2} } $ ・・・①
の両辺を2乗して
$ $ $ \displaystyle { \left( \sin \theta + \cos \theta \right)^2 = \left( { \sqrt{5} \over 2} \right)^2 } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \color{red} { \sin^2 \theta } + 2 \sin \theta \cos \theta + \color{red} {\cos^2 \theta} = {5 \over 4} } $
ここに $ \color{red} {\sin^2 \theta + \cos^2 \theta} = 1$ を代入して
$ $ $ \displaystyle { \color{red} { 1 } + 2 \sin \theta \cos \theta = {5 \over 4} } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { 2 \sin \theta \cos \theta = {1 \over 4} } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \sin \theta \cos \theta = {1 \over 8} } $ ・・・②
(2) $\sin \theta − \cos \theta$
$( \sin \theta − \cos \theta )^2 $ を考えるのは先ほどと同じですが、
$\sin \theta − \cos \theta$ の符号が決まらないので場合分けがいりますね。
- 【解答・解説】を見る
-
【解答】
$ ( \sin \theta − \cos \theta )^2 $
$ = \color{red} { \sin^2 \theta } − 2 \color{green} { \sin \theta \cos \theta } + \color{red} { \cos^2 \theta } $
$ = \color{red} { 1 } − 2 \cdot \color{green} { \displaystyle { 1 \over 8 } } $ $ \left( \color{red} { \sin^2 \theta + \cos^2 \theta } = 1 、 ② \color{green} { \sin \theta \cos \theta } = \displaystyle { 1 \over 8 } を代入 \right) $
$ \displaystyle { = 1 −{ 1 \over 4 } } $
$ \displaystyle { = { 3 \over 4 } } $
ここで、$0^\circ ≦\theta≦180^\circ$ より $\sin \theta ≧ 0$ ・・・(注1)
また、$\sin \theta \cos \theta >0$ より $\sin \theta$、$\cos \theta$ は同符号。
これらを合わせて考えると
$ $ $\sin \theta >0$、$\cos \theta >0$ ・・・(注2)
$ $ ∴ $0^\circ <\theta<90^\circ$
$ $ すなわち $45^\circ <\theta<90^\circ$ のとき
$ $ $\displaystyle { \sin \theta − \cos \theta = \sqrt{ 3 \over 4 } } $
$ $ $\displaystyle { = { \sqrt{ 3 } \over 2 } } $
$ $ すなわち $ \theta = 45^\circ $ のとき
$ $ $\displaystyle { \sin \theta − \cos \theta = 0 } $
$ $ すなわち $0^\circ <\theta<45^\circ$ のとき
$ $ $\displaystyle { \sin \theta − \cos \theta = − \sqrt{ 3 \over 4 } } $
$ $ $\displaystyle { = − { \sqrt{ 3 } \over 2 } } $
以上より
$ $ $\sin \theta − \cos \theta =
\begin{cases}
\displaystyle { − { \sqrt{ 3 } \over 2 } } \enspace ( 0^\circ <\theta<45^\circ ) \\
\\
\enspace 0 \enspace \enspace \enspace ( \theta = 45^\circ ) \\
\\
\displaystyle { { \sqrt{ 3 } \over 2 } } \enspace \enspace ( 45^\circ <\theta<90^\circ ) \\
\end{cases}$(注1)「$0^\circ ≦\theta≦180^\circ$」より、単位円をかくと
なので、$\sin \theta ≧ 0$($0$以上)とわかります。
(注2)$\sin \theta \cos \theta >0$(かけてプラス)ということは
$\sin \theta$、$\cos \theta$ の符号は「+・+」または「−・−」(同符号)になります。
上記の(注1)より $\sin \theta ≧ 0$($\color{red}{0}$以上)なので、もう一方の $\cos \theta$ も「+」と分かります。
三角比の対称式(交代式)Lv.4【入試問題】
最後に「三角比の対称式(交代式)」の 入試問題 に挑戦です。
ここまでの総復習も兼ねて練習してみましょう。
これが解けたら「三角比の対称式」は怖いもの無しです! がんばりましょう!
【問題4】$ \displaystyle { \sin \theta + \cos \theta = { 1 \over 3} \left( 0^\circ <\theta<180^\circ \right) } $ のとき、次の値を求めよ。
(1) $\sin \theta \cos \theta$
(2) $\sin^3 \theta + \cos^3 \theta$
(3) $\sin^4 \theta + \cos^4 \theta$
(4) $\sin^4 \theta − \cos^4 \theta$
(5) $\sin^5 \theta + \cos^5 \theta$
[岐阜大・改]
(1) $\sin \theta \cos \theta$
- 【解答】を見る
-
【解答】
$ $ $ \displaystyle { \sin \theta + \cos \theta = {1 \over 3} }$ ・・・①
の両辺を2乗して
$ $ $ \displaystyle { ( \sin \theta + \cos \theta )^2 = \left( {1 \over 3} \right)^2 } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \color{red} { \sin^2 \theta } + 2 \sin \theta \cos \theta + \color{red} { \cos^2 \theta } = {1 \over 9} } $
ここに $ \color{red} {\sin^2 \theta + \cos^2 \theta} = 1 $ を代入して
$ $ $ \displaystyle { \color{red} {1} + 2 \sin \theta \cos \theta = { 1 \over 9 } } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { 2 \sin \theta \cos \theta = − { 8 \over 9 } } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \sin \theta \cos \theta = − { 4 \over 9 } } $ ・・・②
(2) $\sin^3 \theta + \cos^3 \theta$
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【解答】
①の両辺を3乗して
$ $ $ \left( \sin \theta + \cos \theta \right)^3 = \left( \displaystyle { 1 \over 3 } \right)^3 $
$ $ ∴ $ \sin^3 \theta + 3 \sin^2 \theta \cos \theta + 3 \sin \theta \cos^2 \theta + \cos^3 \theta = \displaystyle { 1 \over 27 } $
$ $ ∴ $ \sin^3 \theta + \cos^3 \theta + 3 \sin^2 \theta \cos \theta + 3 \sin \theta \cos^2 \theta = \displaystyle { 1 \over 27 } $
$ $ ∴ $ \sin^3 \theta + \cos^3 \theta + 3 \color{green} { \sin \theta \cos \theta } \enspace ( \color{red} { \sin \theta + \cos \theta } ) = \displaystyle { 1 \over 27 } $
ここに
$ \begin{cases}
① \color{red} { \sin \theta + \cos \theta } = \displaystyle { 1 \over 3 } \\
\\
② \color{green} { \sin \theta \cos \theta } = − \displaystyle { 4 \over 9 } \\
\end{cases}$を代入して
$ $ $ \displaystyle { \sin^3 \theta + \cos^3 \theta + 3 \cdot \left( \color{green} {− { 4 \over 9 } } \right) \cdot \color{red} { 1 \over 3 } = { 1 \over 27 } } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \sin^3 \theta + \cos^3 \theta − { 4 \over 9 } = { 1 \over 27 } } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \sin^3 \theta + \cos^3 \theta = { 1 \over 27 } + { 4 \over 9 } } $
$ $ $ \displaystyle { = { 13 \over 27 } } $ ・・・③
(3) $\sin^4 \theta + \cos^4 \theta$
4乗 = (2乗)$^2$ と考えると指針が見えてきます。
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【解答】
$ $ $\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1$
の両辺を2乗して
$ $ $ \left( \sin^2 \theta + \cos^2 \theta \right)^2 = 1^2$
$ $ ∴ $ \sin^4 \theta + 2 \sin^2 \theta \cos^2 \theta + \cos^4 \theta = 1$
$ $ ∴ $ \sin^4 \theta + 2 ( \color{green} { \sin \theta \cos \theta } )^2 + \cos^4 \theta = 1$
$ $ ∴ $ \displaystyle { \sin^4 \theta + 2 \left( \color{green} {− { 4 \over 9 } } \right)^2 + \cos^4 \theta = 1 } $ (②を代入)
$ $ ∴ $ \displaystyle { \sin^4 \theta + { 32 \over 81 } + \cos^4 \theta = 1 } $
$ $ ∴ $ \displaystyle { \sin^4 \theta + \cos^4 \theta = 1 − { 32 \over 81 } } $
$ $ $ \displaystyle { = { 49 \over 81 } } $
(4) $\sin^4 \theta − \cos^4 \theta$
まずは因数分解してみましょう。すると、やるべきことが分かってきます。
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【解答】
$\sin^4 \theta − \cos^4 \theta$
$ = \left(\sin^2 \theta \right)^2 − \left(\cos^2 \theta \right)^2 $
$ = \left( \sin^2 \theta + \cos^2 \theta \right) \left( \sin^2 \theta − \cos^2 \theta \right) $
$ = \left( \sin^2 \theta + \cos^2 \theta \right) ( \sin \theta + \cos \theta ) ( \sin \theta − \cos \theta ) $
$ \sin \theta − \cos \theta $ の値を求める。
$ ( \sin \theta − \cos \theta )^2 $
$ = \color{red} { \sin^2 \theta } − 2 \color{green} { \sin \theta \cos \theta } + \color{red} { \cos^2 \theta } $
$ = \color{red} { 1 } − 2 \cdot \left( \color{green} { − \displaystyle { 4 \over 9 } } \right) $ $ \left( \color{red} { \sin^2 \theta + \cos^2 \theta } = 1 、 \color{green} {②} を代入 \right) $
$ \displaystyle { = 1 + { 8 \over 9 } } $
$ \displaystyle { = { 17 \over 9 } } $
ここで、$0^\circ <\theta<180^\circ$ より $\sin \theta > 0$
また、$\sin \theta \cos \theta <0$ より $\sin \theta$、$\cos \theta$ は異符号。
これらを合わせて考えると $\cos \theta <0$
∴ $− \cos \theta >0$
「$\sin \theta > 0$ かつ $− \cos \theta >0$」より
$ $ $\sin \theta − \cos \theta >0 $
ゆえに
$ \displaystyle { \sin \theta − \cos \theta = \sqrt{ 17 \over 9 } }$
$ $ $ \displaystyle { = { \sqrt{ 17 } \over 3 } } $・・・④
よって
$\sin^4 \theta − \cos^4 \theta$
$ = \left( \sin^2 \theta + \cos^2 \theta \right) ( \color{red} { \sin \theta + \cos \theta } ) ( \color{blue} { \sin \theta − \cos \theta } ) $
$ \displaystyle { = 1 \cdot \color{red} { 1 \over 3 } \cdot \color{blue} { \sqrt{ 17 } \over 3 } } $ $ \left( \sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1 、 \color{red} {①} 、\color{blue} {④} を代入 \right) $
$ \displaystyle { = { \sqrt{ 17 } \over 9 } } $
(5) $\sin^5 \theta + \cos^5 \theta$
5乗ってどうやって作るの? と考えると、
5乗 = 2乗 × 3乗 で作れそうですね。
$ $ $ x^5 + y^5 = \left( x^2 + y^2 \right) \left( x^3 + y^3 \right) − x^3 y^2 −x^2 y^3 $
$ $ $ = \left( x^2 + y^2 \right) \left( x^3 + y^3 \right) −x^2 y^2 \left( x + y \right)$
これは「対称式の公式」として覚えておきましょう。
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【解答】
$ \sin^5 \theta + \cos^5 \theta$
$= \left( \sin^2 \theta + \cos^2 \theta \right) \left( \sin^3 \theta + \cos^3 \theta \right)$
$ $ $−\sin^2 \theta \cos^2 \theta ( \sin \theta + \cos \theta ) $
$ = \left( \sin^2 \theta + \cos^2 \theta \right) \left( \sin^3 \theta + \cos^3 \theta \right)$
$ $ $− ( \sin \theta \cos \theta )^2 ( \sin \theta + \cos \theta ) $
$\displaystyle { = 1 \cdot { 13 \over 27 } − \left( − { 4 \over 9 } \right)^2 \cdot { 1 \over 3 } } $ $ \left( \sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1 、①、②、③ を代入 \right) $
$\displaystyle { = { 13 \over 27 } − { 16 \over 243 } } $
$\displaystyle { = { 101 \over 243 } } $
別解として、(3)で「4乗の和」が求めてあるので、5乗 = 4乗 × 1乗 と考えると
$ $ $ x^5 + y^5 = \left( x^4 + y^4 \right) \left( x + y \right) − x^4 y −x y^4 $
$ $ $ = \left( x^4 + y^4 \right) \left( x + y \right) −x y \left( x^3 + y^3 \right)$
この考え方は、以下のように一般化されています。
この公式は、数学B「数列(漸化式)」の問題でも出てきます。詳しく知りたい人は「3項間の漸化式(ぜんかしき)」などで調べてみてください。
今度はこれを使って解いてみましょう!
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【別解】
$ \sin^5 \theta + \cos^5 \theta$
$= \left( \sin^4 \theta + \cos^4 \theta \right) \left( \sin \theta + \cos \theta \right)$
$ $ $−\sin \theta \cos \theta \left( \sin^3 \theta + \cos^3 \theta \right) $
$\displaystyle { = { 49 \over 81 } \cdot { 1 \over 3 } − \left( − { 4 \over 9 } \right) \cdot { 13 \over 27 } } $
$\displaystyle { = { 49 \over 243 } + { 52 \over 243 } } $
$\displaystyle { = { 101 \over 243 } } $
最後に
お疲れ様でした!!
これで「三角比の対称式(交代式)」の分野で、テスト・大学入試によく出るパターン をひと通りやり終えました。
対称式の考え方は、三角比 以外の分野でも使う場面が多いので、しっかりマスターしておきましょう!
質問・要望があれば気軽にコメントください👍