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Topos Uranos

三角形の解法:正弦定理と余弦定理

要約

この課は、三角比だけを用いていたときには直角三角形に限られていた三角形の解法を、すべての三角形に広げる。すなわち、辺と角のうちの三つの要素が与えられたとき、残りの要素を定める。三角形の面積が二辺とその間の角の正弦との積の半分であることを証明し、そこから正弦定理と、それと外接円の半径との関係を導き、三平方の定理を特別な場合として含む余弦定理を座標で証明し、両者から三辺から面積を与えるヘロンの公式を得る。これらの道具を使って解法の場合分けを調べ、とくにあいまいな場合、すなわち二辺と一方の辺の対角が、ある二次方程式の判別式と解の符号に応じて、三角形を一つも定めないか、一つ定めるか、二つ定める場合を扱う。最後に、内積によって二つのベクトルのなす角を測り、その公式と余弦定理が同じ事実の二つの読み方であることを示す。問題では、これらの結果を中線、近づけない距離の測量、平行四辺形の対角線に応用する。

学習目標

  1. 二辺とその間の角から、またはヘロンの公式により三辺から、三角形の面積を求める。
  2. 正弦定理と余弦定理を証明し、与えられたデータに応じてどちらに頼るのがよいかを見分ける。
  3. 三辺、二辺とその間の角、または一辺と二角が与えられた三角形を解き、二辺と一方の辺の対角が与えられたときの解の個数を論じる。
  4. 内積を用いて二つのベクトルのなす角を求め、三角形の解法を図形の問題と測量の問題に応用する。

記法と前提となる事実

三角比についての課では、鋭角の正弦、余弦、正接を直角三角形の辺の比として定義し、その後、単位円によってすべての角に広げた。したがって、直角三角形はこれらの比と三平方の定理で解ける。ところが、幾何や土地の測量に現れる三角形の大部分は直角を一つももたない。この課の目的は、それらをすべて解くことである。

頂点が AA、BB、CC の三角形では、同じ大文字が頂点と、その頂点における三角形の内角の大きさを表し、対応する小文字が対辺の長さを表す。すなわち、aa は辺 BCBC の長さ、bb は辺 CACA の長さ、cc は辺 ABAB の長さである。三角形の面積を SS で表し、二点 PP と QQ の距離を d⁡(P,Q)\operatorname{d}(P, Q) で表す。三角形の解法の慣習に従い、角は度で表す。ところが、三角関数は実数に対して定義されており、その実数はラジアンで測った大きさである。角とその大きさについての課の換算規則により、gg 度の角の大きさは πg180\frac{\pi g}{180} ラジアンであるから、次の約束をおく。sin⁡g∘\sin g^\circ は sin⁡πg180\sin \frac{\pi g}{180} を表し、ほかの関数についても同様とする。たとえば cos⁡60∘=cos⁡π3=12\cos 60^\circ = \cos \frac{\pi}{3} = \frac{1}{2} である。同じように、値を [0,π]\icc{0}{\pi} にとる逆余弦は、角の大きさをラジアンで返し、それを度で表す。等式 arccos⁡(−12)=120∘\arccos \left( -\frac{1}{2} \right) = 120^\circ は arccos⁡(−12)=2π3\arccos \left( -\frac{1}{2} \right) = \frac{2\pi}{3} を意味し、これは 120∘120^\circ の角のラジアンで測った大きさである。この約束のもとで、以下のことはすべて、180∘180^\circ を π\pi に置き換えればラジアンでも同じように成り立つ。角とその大きさについての課と同じく、初等幾何の一つの事実を認める。このコースは総合幾何を展開しないので、それを証明しない。その事実とは、三角形の三つの角の和は二直角に等しいということである。

A+B+C=180∘A + B + C = 180^\circ

このことから、三角形の各角は 0∘0^\circ と 180∘180^\circ の間に厳密にあり、そのうち直角または鈍角であるものは高々一つである。さらに、この単元のこれまでの課から次の事実を用いる。

  • 原点からの距離が rr で、横軸の正の半軸と角 θ\theta をなす半直線上にある点の座標は (rcos⁡θ,rsin⁡θ)\left( r \cos \theta, r \sin \theta \right) である。これは、θ\theta に対応する単位円上の点を rr 倍したものである。
  • ピタゴラスの恒等式 sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1 と、補角の対称性 sin⁡(180∘−θ)=sin⁡θ\sin \left( 180^\circ - \theta \right) = \sin \theta および cos⁡(180∘−θ)=−cos⁡θ\cos \left( 180^\circ - \theta \right) = -\cos \theta。
  • 0∘<θ<180∘0^\circ < \theta < 180^\circ ならば、θ\theta の正弦は正である。余弦は、θ\theta が鋭角ならば正、直角ならば 0、鈍角ならば負である。
  • 余弦は 0∘0^\circ と 180∘180^\circ の間で狭義に減少し、この区間で −1-1 と 11 の間の各値をちょうど一度ずつとる。したがって、逆三角関数についての課により、三角形の角はその余弦によって定まる。すなわち θ=arccos⁡x\theta = \arccos x である。

これに対して、正弦は三角形の角を定めない。角 θ\theta と 180∘−θ180^\circ - \theta は同じ正弦をもち、逆正弦関数はそのうちの鋭角のほうしか返さない。正弦と余弦のこの非対称性によって、最後から二番目の節で、ある種のデータが異なる二つの三角形を許す理由が説明される。