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Topos Uranos

要約

この課では、平面上の二直線のなす角を三角法によって測る。直線の傾斜角を定義し、その正接が傾きであることを証明する。差の正接の公式を用いて、二直線のなす角の正接をそれらの傾きから求め、その特別な場合として垂直の条件を得る。さらに内積を用いて第二の表し方を与えるが、これは鉛直な直線にも通用し、第一の表し方との整合性はラグランジュの恒等式にほかならない。次に、二直線の角の二等分線を、二直線から等距離にある点の軌跡として特徴づけ、それらが垂直であることを証明し、それらを用いて三角形の内心と内接円を求める。最後の部分では応用をまとめる。正弦定理による近づけない点の高さ、等速円運動の影としての単振動、投射体の到達距離(45∘45^\circ で最大となり、互いに余角である二つの角に対して等しい)、そして最短経路の性質としての反射の法則である。

学習目標

  1. 傾きまたは方向ベクトルから直線の傾斜角と二直線のなす角を計算し、平行と垂直を両極端の場合として見分ける。
  2. 二直線の角の二等分線の方程式を等距離にある点の軌跡として求め、三角形の内角の二等分線を選び、その内心と内接円を求める。
  3. 仰角と俯角を用いた高さと距離の問題を、正弦定理と和と差の公式を組み合わせて解く。
  4. 単振動、投射体の到達距離、光の反射を三角関数で記述し、それらの性質をこの単元の恒等式から導く。

直線の傾斜角

コース I の直線の方程式の課では、鉛直でない直線の方向を一つの数、すなわち傾きで測り、鉛直でない二直線が垂直であるための必要十分条件は傾きの積が −1-1 であることだと証明した。この条件は、どの角も測らずに、直角という特別な一つの角を見分けている。また三角比の課では、角の正接がその動径を含む直線の傾きであることを見た。そうであるならば、傾きはある角の正接であり、直線どうしのなす角は三角法で計算できるはずである。

直線の傾斜角とは、横軸の正の半軸がその直線となす角 α\alpha(ただし 0≤α<π0 \le \alpha < \pi)であり、軸から直線へ時計の針と逆の向きに測ったものである。水平な直線の傾斜角は 00、鉛直な直線の傾斜角は π2\frac{\pi}{2} である。

より正確にいえば、原点を通りその直線に平行な直線は、ある角 α\alpha の動径を含み、α+π\alpha + \pi の動径も含む。単位円上の点 P(α)P(\alpha) と P(α+π)P(\alpha + \pi) は互いに正反対の位置にあるからである。α+kπ\alpha + k\pi の形の角のうちちょうど一つが [0,π)\ico{0}{\pi} に属し、それが傾斜角である。二直線が平行または一致するのは、傾斜角が等しいとき、そしてそのときに限る。そのとき、そしてそのときに限り、原点を通る平行線が同じになるからである。

補題傾斜角と傾き

傾斜角 α\alpha の直線が鉛直であるのは α=π2\alpha = \frac{\pi}{2} のとき、そしてそのときに限る。鉛直でなければ、その傾きは傾斜角の正接である。逆に、傾き mm の直線の傾斜角は arctan⁡m\arctan m(m≥0m \ge 0 のとき)、π+arctan⁡m\pi + \arctan m(m<0m < 0 のとき)である。

m=tan⁡αm = \tan \alpha

すべては原点を通りその直線に平行な直線の上で読み取れる。この直線は単位円上の点 P(α)P(\alpha) を含む。図では直線 y=3x+1y = \sqrt{3} x + 1 と y=−xy = -x を用いる。

証明

  1. O=(0,0)∈r0,P(α)=(cos⁡α,sin⁡α)∈r0\dato{p}{O = \left( 0, 0 \right) \in r_0, \quad P(\alpha) = \left( \cos \alpha, \sin \alpha \right) \in r_0}

    rr を傾斜角 α\alpha の直線とし、r0r_0 を原点を通るその平行線とする。傾斜角の定義により、r0r_0 は角 α\alpha の動径を含み、特に点 P(α)P(\alpha) を含む。rr が鉛直でなければ、r0r_0 は同じ傾きをもつ。コース I の直線の方程式の課によれば、平行な二直線は同じ傾きをもつからである。図では α=π3\alpha = \frac{\pi}{3}。

  2. 0≤α<π,cos⁡α=0↔α=π20 \leq \alpha < \pi, \quad \resaltar{\cos \alpha = 0} \leftrightarrow \alpha = \frac{\pi}{2}

    直線 r0r_0 が鉛直であるのは、その二点の横座標が等しいとき、すなわち cos⁡α=0\cos \alpha = 0 のとき、そしてそのときに限る。[0,π)\ico{0}{\pi} において余弦の零点は π2\frac{\pi}{2} だけである。そして rr が鉛直であるのは、その平行線が鉛直であるときにちょうど一致する。

  3. m=sin⁡α−0cos⁡α−0=tan⁡αm = \frac{\sin \alpha - 0}{\cos \alpha - 0} = \dato{m}{\resaltar{\tan \alpha}}

    rr が鉛直でなければ、その傾きは r0r_0 の傾き、すなわちその二点の縦座標の差と横座標の差の比である。

  4. α={arctan⁡mm≥0π+arctan⁡mm<0\alpha = \begin{cases} \resaltar{\arctan m} & m \geq 0 \\ \resaltar{\pi + \arctan m} & m < 0 \end{cases}

    逆に、mm を rr の傾きとする。すぐ上で示したことにより、傾斜角 α\alpha は [0,π)\ico{0}{\pi} に属する角で、その正接は mm である。三角方程式の課によれば、正接が mm である角は数 arctan⁡m+kπ\arctan m + k\pi であり、そのうちちょうど一つが [0,π)\ico{0}{\pi} に属する。arctan⁡m\arctan m は (−π2,π2)\ioo{-\frac{\pi}{2}}{\frac{\pi}{2}} に属するので、その角は arctan⁡m\arctan m(m≥0m \ge 0 のとき)、π+arctan⁡m\pi + \arctan m(m<0m < 0 のとき)である。図では直線 y=−xy = -x の傾斜角は π−π4=3π4\pi - \frac{\pi}{4} = \frac{3\pi}{4} である。

たとえば、直線 y=3x+1y = \sqrt{3} x + 1 の傾斜角は arctan⁡3=π3\arctan \sqrt{3} = \frac{\pi}{3}、直線 y=−xy = -x の傾斜角は π+arctan⁡(−1)=3π4\pi + \arctan \left( -1 \right) = \frac{3\pi}{4} である。こうして傾きの符号は、上る直線(傾斜角が鋭角)と下る直線(傾斜角が鈍角)を区別する。