要約
この課は、三角関数のあいだの代数的な関係を調べる解析的三角法を始める。恒等式とは何か、すなわち両辺の共通の定義域全体で成り立つ等式であることを正確に定義し、基本恒等式を集める:逆数の関係、商の関係、平方の関係、偶奇の関係、余角の関係であり、これらはさらに単位円における線分の長さとして読むこともできる。恒等式を証明する方法、すなわち一方の辺を他方に、あるいは両辺を同じ式に変形する方法を教え、恒等式そのものから出発して平方することがなぜ正しくないかを示す;ただ一つの例外、すなわち反例があれば、誤った恒等式を反証するのに十分である。各関数をほかの関数で表し、その符号は象限によって定め、定義域に注意して式を簡単にし、置換によって代数的な根号を三角関数に変え、媒介変数を消去して、点 に楕円を、点 に双曲線を認める。
学習目標
- 三角関数の恒等式を正確に定義し、その共通の定義域を求めて方程式と区別し、基本恒等式を集めて証明する。線分としての幾何学的な読み方も含める。
- 一方の辺を他方に、あるいは両辺を共通の式に変形して恒等式を証明し、正しくない推論を見抜き、誤った恒等式を反例によって反証する。
- 各三角関数をほかの三角関数で表し、象限に応じた符号をつけ、定義域を保ったまま式を簡単にする。
- 三角関数による置換を用いて根号を含む式を変形し、楕円と双曲線の三角関数による媒介変数表示において媒介変数を消去する。
恒等式とは何か
三角関数のあいだのある種の等式はすべての実数について成り立つ。たとえば であり、これは三角比と単位円の課で証明した;ほかの等式、たとえば は、いくつかの値についてのみ成り立ち、その値を求める方法は逆三角関数の課で学んだ。両者の違いは本性の違いである:前者はすべての数について何かを主張し、後者は問いを立てる。ところで、「すべての実数について」という言い方には精密化が必要である。多くの三角関数の式はすべての数で定義されているわけではないからである。
三角関数の恒等式とは、三角関数で組み立てた二つの式のあいだの等式であって、両辺がともに定義される変数のすべての値について成り立つものである。それらの値の集合が恒等式の共通の定義域である。共通の定義域のいくつかの値についてのみ成り立つ等式は方程式であり、それらの値がその解である。
定義域は些細なことではない。正接は余弦が零にならないところで定義され、余接は正弦が零にならないところで定義される;したがって、その積は が の整数倍でないときにちょうど定義され、そこで に等しい:
の倍数では、この恒等式は何も主張しない。その左辺はどんな数も表さないからである。同様に、 はその共通の定義域における恒等式であり、この定義域は の倍数を除く;しかし、関数 と は等しくない。コース I の関数の演算の課によれば、等しい二つの関数は同じ定義域をもつが、後者はたとえば で定義されているからである。したがって、恒等式は二つの式を、両方が意味をもつところでのみ比べる。
基本恒等式
以下の恒等式は、定義と前の単元の定理から直接得られる;ほかのすべての恒等式はこれらから導かれる。
各等式の共通の定義域において、以下の逆数の関係、商の関係、平方の関係が成り立つ。さらに、正弦、正接、余割、余接は奇関数であり、余弦と正割は偶関数である;また、各関数の における値は、その余関数の における値に等しい。ここで正弦と余弦、正接と余接、正割と余割は互いに余関数である。
すべては点 で読み取れる。この点は三角比の課のものである:残りの四つの関数はそこでその座標の商として定義され、同じ課で証明した正弦と余弦の対称性の定理は、 の 軸に関する鏡映と直線 に関する鏡映を与える。残りの恒等式は商と逆数をとって得られる。図では鋭角を用いる。
証明
逆数の関係と商の関係は、正接、余接、正割、余割の定義そのものである:それぞれ分母が零にならないところで定義され、その定義域で、関数とその逆数との積は に等しい。図では、正弦と余弦は の座標である。
点 は原点から距離 にある:これが第一のピタゴラスの恒等式であり、三角比の課で証明した。 となるところではその両辺を で割り、 となるところでは で割る;上で得た恒等式によって、残りの二つが得られる。
の 軸に関する鏡映は である:対称性の定理により、余弦は偶関数で正弦は奇関数である。特に、 が各関数の定義域に属するのは、 が属するときにちょうど限る。正弦と余弦の零点は対称に並んでいるからである。
逆数と商をとると、式に正弦をちょうど一度だけ含む関数に負号が現れる:正割は偶関数であり、余割、正接、余接は奇関数である。
の直線 に関する鏡映は である:対称性の定理により、この鏡映は正弦と余弦を入れ換える。
逆数と商をとると、正割と余割、正接と余接も入れ換わる。定義域は対応する: が正割の定義域に属するのは、 が余割の定義域に属するときであり、そのときに限る。 だからであり、ほかの関数についても同様である。
線分としての六つの関数
正接と正割の名前は幾何学に由来する:鋭角に対して、それらは単位円の接線と割線の上の線分の長さである。この古典的な図は、六つの関数と三つのピタゴラスの恒等式を一枚の図にまとめる。
とし、 を単位円上の点 、 をそこから 軸に下ろした垂線の足、、 とする。動径を含む直線は、 における鉛直な接線と点 で交わり、 における水平な接線と点 で交わる。このとき、 の余弦、正弦、正接、正割、余接、余割は、それぞれ から まで、 から まで、 から まで、 から まで、 から まで、 から までの線分の長さである;また、頂点が 、、 の三角形と、頂点が 、、 の三角形における三平方の定理は、それぞれ第二と第三のピタゴラスの恒等式である。
図を線分ごとにたどる。道具は、三角比の課で正接の意味を与えたものと同じである:動径を含む直線は原点を通り、傾きが なので、その方程式は である。
証明
定義により、 の座標は余弦と正弦である; から までの水平な線分の長さは横座標であり、 から までの鉛直な線分の長さは縦座標である。どちらも第一象限では正である。
円の における接線は直線 である。動径の方程式に を代入すると が得られる: から までの線分は接線の上にあり、その長さは である。
点 は点 を 倍したものである。 だからである。 は原点から距離 にあるので、 は距離 にある: から までの線分は割線の上にあり、その長さは正割である。
頂点が 、、 の三角形は で直角であり、直角をはさむ辺は と 、斜辺は である。この三角形における三平方の定理が、第二のピタゴラスの恒等式である。
における接線は直線 である。 を に代入すると となる;また なので、点 は を 倍したものである。したがって、 から までの線分の長さは余接であり、 から までの線分の長さは余割である。
頂点が 、、 の三角形は で直角であり、直角をはさむ辺は と 、斜辺は である:この三角形から第三のピタゴラスの恒等式が従う。その における角の大きさは であり、この角に対して の余接は対辺である:余角の正接なのである。
図からはまた、鋭角の正割と余割が より大きいことも読み取れる。それらは長さ の辺を直角をはさむ辺にもつ三角形の斜辺だからである。さらに、正接は正割より小さい。第一のピタゴラスの恒等式も同様に、頂点が 、、 の三角形における三平方の定理である。
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