三角比と鈍角への拡張

同義語:鈍角の三角比trigonometric ratios of obtuse angles

概要

三角比と鈍角への拡張とは、直角三角形の辺の比として定めた三角比を、単位円の上半分の点 $(\cos\theta,\sin\theta)$ の座標として定義し直し、$0^\circ\le\theta\le180^\circ$ に広げることである。直角三角形による値は相似により大きさによらず、鋭角では 2 つの定義が一致する。点が単位円の上にあることから $\sin^2\theta+\cos^2\theta=1$ が、$y$ 軸に関する対称性から $\sin(180^\circ-\theta)=\sin\theta$、$\cos(180^\circ-\theta)=-\cos\theta$ が従う。この範囲では $\cos\theta$ の値から角はただ 1 つに決まるが、$\sin\theta=k$($0\le k<1$)となる角は 2 つある。$\tan90^\circ$ は定義しない。

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識: 三平方の定理, 相似, 座標平面

高校での出発点:直角三角形の辺の比

直角三角形で、直角でない角の 1 つを $\theta$ とする。$\theta$ の向かいの辺(対辺)を $a$、$\theta$ をはさむ直角以外の辺(隣辺)を $b$、直角の向かいの辺(斜辺)を $c$ とすると、高校では
$$ \sin\theta=\frac ac,\qquad \cos\theta=\frac bc,\qquad \tan\theta=\frac ab $$
と定める(図 1 の左)。これらをまとめて 三角比 と呼ぶ。$\sin$ は正弦(サイン)、$\cos$ は余弦(コサイン)、$\tan$ は正接(タンジェント)と読む。
図1:左は直角三角形の対辺・隣辺・斜辺と三角比。右は半径 1 の半円の上の点 P(鋭角 θ)と Q(鈍角 θ′)。点の x 座標が cos、y 座標が sin になり、鈍角 θ′ では cos θ′ < 0 である 図1:左は直角三角形の対辺・隣辺・斜辺と三角比。右は半径 1 の半円の上の点 P(鋭角 θ)と Q(鈍角 θ′)。点の x 座標が cos、y 座標が sin になり、鈍角 θ′ では cos θ′ < 0 である

辺が 3, 4, 5 の直角三角形

辺の長さが $3,4,5$ の三角形は、$3^2+4^2=9+16=25=5^2$ なので、三平方の定理 の逆により直角三角形である。長さ $3$ の辺の向かいの角を $\theta$ とすると、対辺 $a=3$、隣辺 $b=4$、斜辺 $c=5$ なので
$$ \sin\theta=\frac35,\qquad \cos\theta=\frac45,\qquad \tan\theta=\frac34 $$
である。
辺をすべて $2$ 倍した $6,8,10$ の直角三角形で同じ角を見ると、$\sin\theta=\dfrac6{10}=\dfrac35$、$\cos\theta=\dfrac8{10}=\dfrac45$、$\tan\theta=\dfrac68=\dfrac34$ で、値は変わらない。

30°, 45°, 60° の三角比
  1. $45^\circ$。直角をはさむ 2 辺がどちらも $1$ の直角二等辺三角形を考える。残りの 2 つの角は等しく、和が $90^\circ$ なので、どちらも $45^\circ$ である。斜辺は三平方の定理により $\sqrt{1^2+1^2}=\sqrt2$ である。よって
    $$ \sin45^\circ=\frac1{\sqrt2}=\frac{\sqrt2}2,\qquad \cos45^\circ=\frac{\sqrt2}2,\qquad \tan45^\circ=\frac11=1 $$
    である。
  2. $30^\circ$ と $60^\circ$。1 辺が $2$ の正三角形を、1 つの頂点から向かいの辺に下ろした垂線で半分に切る。できる 2 つの直角三角形は、斜辺がどちらも正三角形の辺で長さ $2$ に等しく、垂線を共通の辺としてもつので、直角三角形の合同条件(斜辺と他の 1 辺がそれぞれ等しい)により合同である。したがって、垂線は向かいの辺を 2 等分し、頂点の角も 2 等分する。できる直角三角形は、斜辺が $2$、短い辺が $1$(向かいの辺の半分)で、残りの辺は $\sqrt{2^2-1^2}=\sqrt3$ である。角は $60^\circ$(正三角形の角)と $30^\circ$(頂点の角 $60^\circ$ の半分)である。長さ $1$ の辺の向かいが $30^\circ$、長さ $\sqrt3$ の辺の向かいが $60^\circ$ なので
    $$ \sin30^\circ=\frac12,\quad \cos30^\circ=\frac{\sqrt3}2,\quad \tan30^\circ=\frac1{\sqrt3}=\frac{\sqrt3}3,\qquad \sin60^\circ=\frac{\sqrt3}2,\quad \cos60^\circ=\frac12,\quad \tan60^\circ=\sqrt3 $$
    である。

直角三角形による定義には、2 つの弱点がある。1 つは、同じ角でも三角形の大きさはいろいろあるので、値が三角形の選び方によらないことを確かめる必要があることである(ex-tro-345 の $3,4,5$ と $6,8,10$)。もう 1 つは、直角三角形の直角以外の角は $90^\circ$ より小さいので、$120^\circ$ のような鈍角の三角比は定義できないことである。三角形の内角には鈍角もあるので、三角形の辺と角の関係(正弦定理(高校数学)、余弦定理(高校数学))を調べるには、鈍角の三角比が要る。
この記事で答える問いは次の 4 つである。

  1. 三角比の値が三角形の大きさによらないのはなぜか。→ lem-tro-similar
  2. 鈍角の三角比はどう定義するか。→ def-tro-unit、prop-tro-agree
  3. $\sin(180^\circ-\theta)=\sin\theta$、$\cos(180^\circ-\theta)=-\cos\theta$ はなぜ成り立つか。→ thm-tro-symmetry
  4. 三角比の値から角は決まるか。→ prop-tro-inverse
    高校の計算この記事の言葉大学の言葉
    直角三角形の辺の比 $\dfrac ac$相似な三角形では比が同じ定義が代表の選び方によらない(well-defined)
    半円上の点の座標 $(\cos\theta,\sin\theta)$$0^\circ\le\theta\le180^\circ$ への拡張単位円の弧長による媒介変数表示
    $\sin^2\theta+\cos^2\theta=1$点が半径 1 の円の上にある円の方程式 $x^2+y^2=1$
    $\sin(180^\circ-\theta)=\sin\theta$$y$ 軸に関する対称移動鏡映(折り返し)による対称性
    $\cos\theta=k$ となる $\theta$ は 1 つ縦の直線と半円の交点は 1 つ$\cos$ は $[0,\pi]$ で狭義単調減少

直角三角形による定義

まず、鋭角($0^\circ$ より大きく $90^\circ$ より小さい角)の三角比を正確に定義する。

鋭角の三角比

$0^\circ<\theta<90^\circ$ とする。1 つの角が $\theta$、もう 1 つの角が直角である三角形を 1 つとり、$\theta$ の対辺・隣辺・斜辺の長さをそれぞれ $a,b,c$ とする。このとき
$$ \sin\theta:=\frac ac,\qquad \cos\theta:=\frac bc,\qquad \tan\theta:=\frac ab $$
と定め、それぞれ $\theta$ の 正弦・余弦・正接 という。3 つをまとめて $\theta$ の 三角比 という。

この定義では「三角形を 1 つとり」と書いた。別の三角形をとったら値が変わってしまうなら、これは定義として意味をもたない。次の補題が、その心配がないことを保証する。

三角比は三角形の大きさによらない

$0^\circ<\theta<90^\circ$ とする。1 つの角が $\theta$ である 2 つの直角三角形で、$\theta$ の対辺・隣辺・斜辺を $a,b,c$ と $a',b',c'$ とすると
$$ \frac ac=\frac{a'}{c'},\qquad \frac bc=\frac{b'}{c'},\qquad \frac ab=\frac{a'}{b'} $$
である。

2 つの角が等しいので相似

方針:2 つの三角形が相似であることを示し、相似な三角形の対応する辺の比が等しいことを使う。
段 1(相似であること)。2 つの三角形は、どちらも直角と角 $\theta$ をもつ。2 つの角がそれぞれ等しいので、2 つの三角形は相似である(2 角相等の相似条件)。このとき、直角どうし、角 $\theta$ どうし、残りの角どうし(どちらも $180^\circ-90^\circ-\theta=90^\circ-\theta$)が対応する。
段 2(辺の比)。相似な三角形では、対応する角の向かいの辺の比が一定である(Hea08 第 VI 巻 命題 4)。角 $\theta$ の向かいは $a$ と $a'$、角 $90^\circ-\theta$ の向かいは $b$ と $b'$、直角の向かいは $c$ と $c'$ なので、ある正の数 $k$ があって
$$ a'=ka,\qquad b'=kb,\qquad c'=kc $$
である。
段 3(比を計算する)。段 2 を代入すると
$$ \frac{a'}{c'}=\frac{ka}{kc}=\frac ac,\qquad \frac{b'}{c'}=\frac{kb}{kc}=\frac bc,\qquad \frac{a'}{b'}=\frac{ka}{kb}=\frac ab $$
である。$k\ne0$ なので約分できる。$\square$

ex-tro-345 の $3,4,5$ と $6,8,10$ は、$k=2$ の場合である。

三角比の間の関係(鋭角)

def-tro-acute から、すぐに次の関係が分かる。

  • $\tan\theta=\dfrac ab=\dfrac{a/c}{b/c}=\dfrac{\sin\theta}{\cos\theta}$。
  • 三平方の定理 $a^2+b^2=c^2$ を $c^2$ で割ると $\left(\dfrac ac\right)^2+\left(\dfrac bc\right)^2=1$、つまり $\sin^2\theta+\cos^2\theta=1$。ここで $\sin^2\theta$ は $(\sin\theta)^2$ の意味である。
  • 角 $90^\circ-\theta$ から見ると、対辺と隣辺が入れ替わる。よって $\sin(90^\circ-\theta)=\dfrac bc=\cos\theta$、$\cos(90^\circ-\theta)=\dfrac ac=\sin\theta$。
    たとえば ex-tro-345 では $\left(\dfrac35\right)^2+\left(\dfrac45\right)^2=\dfrac9{25}+\dfrac{16}{25}=1$ である。ex-tro-special では $\sin30^\circ=\cos60^\circ=\dfrac12$ で、$30^\circ=90^\circ-60^\circ$ である。

単位円による定義と鈍角への拡張

鈍角にも三角比を定めるために、直角三角形の代わりに円を使う。座標平面に原点 $\mathrm O$ を中心とする半径 $1$ の円(単位円)をかき、その上半分($y\ge0$ の部分)を考える。点 $\mathrm A(1,0)$ をとる。
$0^\circ\le\theta\le180^\circ$ の各 $\theta$ に対して、上半分の円の上の点 $\mathrm P$ で $\angle\mathrm{AOP}=\theta$ となるものが、ちょうど 1 つある。$\theta=0^\circ$ のときは $\mathrm P=\mathrm A$、$\theta=180^\circ$ のときは $\mathrm P=(-1,0)$ と約束する。この「角と点の 1 対 1 の対応」は、分度器で角を測ることと同じであり、この記事では図形の基本的な事実として認めて使う。

0° から 180° までの三角比

$0^\circ\le\theta\le180^\circ$ とし、単位円の上半分の点で $\angle\mathrm{AOP}=\theta$ となる点を $\mathrm P(x,y)$ とする。このとき
$$ \cos\theta:=x,\qquad \sin\theta:=y $$
と定める。さらに $\theta\ne90^\circ$ のとき(このとき $x\ne0$ である)
$$ \tan\theta:=\frac yx $$
と定める。$\theta=90^\circ$ の $\tan\theta$ は定義しない。

つまり、点 $\mathrm P$ の $x$ 座標が $\cos\theta$、$y$ 座標が $\sin\theta$ である。$\tan\theta$ は直線 $\mathrm{OP}$ の傾きである。$\theta=90^\circ$ で $x=0$ となる理由は、$\mathrm P$ が $y$ 軸の上にあるからである。
この定義は、鋭角では前の定義と同じ値を与える。

2 つの定義は鋭角で一致する

$0^\circ<\theta<90^\circ$ のとき、def-tro-unit で定めた $\sin\theta$、$\cos\theta$、$\tan\theta$ は、def-tro-acute で定めた値に等しい。

垂線を下ろして直角三角形を作る

方針:点 $\mathrm P$ から $x$ 軸に垂線を下ろすと、斜辺が $1$ の直角三角形ができる。その辺の長さが $\mathrm P$ の座標になることを確かめる。
段 1(点の位置)。$0^\circ<\theta<90^\circ$ なので、$\mathrm P(x,y)$ は第 1 象限にあり、$x>0$、$y>0$ である。
段 2(直角三角形)。$\mathrm P$ から $x$ 軸に下ろした垂線の足を $\mathrm H$ とすると、$\mathrm H=(x,0)$ である。三角形 $\mathrm{OHP}$ は $\mathrm H$ で直角で、$\mathrm O$ での角は $\angle\mathrm{AOP}=\theta$ である($\mathrm H$ は半直線 $\mathrm{OA}$ の上にある)。辺の長さは
$$ \mathrm{OP}=1,\qquad \mathrm{OH}=x,\qquad \mathrm{HP}=y $$
である。$x>0$、$y>0$ なので、長さは座標そのものである。
段 3(比を読む)。角 $\theta$ の対辺は $\mathrm{HP}$、隣辺は $\mathrm{OH}$、斜辺は $\mathrm{OP}$ である。def-tro-acute により(lem-tro-similar により、この三角形を使ってよい)
$$ \sin\theta=\frac{\mathrm{HP}}{\mathrm{OP}}=\frac y1=y,\qquad \cos\theta=\frac{\mathrm{OH}}{\mathrm{OP}}=\frac x1=x,\qquad \tan\theta=\frac{\mathrm{HP}}{\mathrm{OH}}=\frac yx $$
であり、def-tro-unit の値と一致する。$\square$

これで、鋭角では 2 つの定義を区別する必要がなくなった。以後は def-tro-unit を三角比の定義とする。

半径 r の円で考えてもよい

半径 $1$ の代わりに半径 $r$($r>0$)の円の上半分で $\angle\mathrm{AOP}'=\theta$ となる点 $\mathrm P'(x',y')$ をとってもよい。$\mathrm O$ を中心に $r$ 倍に拡大すると、半径 $1$ の円の点 $\mathrm P(x,y)$ は $(rx,ry)$ に移り、角は変わらないので、$\mathrm P'=(rx,ry)$ である。よって
$$ \cos\theta=\frac{x'}r,\qquad \sin\theta=\frac{y'}r,\qquad \tan\theta=\frac{y'}{x'} $$
である。これは lem-tro-similar の「大きさによらない」を、円で言い直したものである。

0° から 180° までの代表的な値

$120^\circ$ の点を求める。$\angle\mathrm{AOP}=120^\circ$ のとき、$x$ 軸の負の部分と $\mathrm{OP}$ のなす角は $180^\circ-120^\circ=60^\circ$ である。$\mathrm P$ から $x$ 軸に垂線 $\mathrm{PH}$ を下ろすと、三角形 $\mathrm{OHP}$ は $\mathrm O$ での角が $60^\circ$、斜辺が $1$ の直角三角形なので、ex-tro-special により $\mathrm{OH}=\cos60^\circ=\dfrac12$、$\mathrm{HP}=\sin60^\circ=\dfrac{\sqrt3}2$ である。$\mathrm H$ は原点の左にあるので、$\mathrm P=\left(-\dfrac12,\ \dfrac{\sqrt3}2\right)$ である。よって
$$ \cos120^\circ=-\frac12,\qquad \sin120^\circ=\frac{\sqrt3}2,\qquad \tan120^\circ=\frac{\sqrt3/2}{-1/2}=-\sqrt3 $$
である。$135^\circ$、$150^\circ$ も同じように、$x$ 軸の負の部分とのなす角 $45^\circ$、$30^\circ$ の直角三角形から求まる。$0^\circ$、$90^\circ$、$180^\circ$ の点は $(1,0)$、$(0,1)$、$(-1,0)$ である。まとめると次の表になる。

$\theta$$0^\circ$$30^\circ$$45^\circ$$60^\circ$$90^\circ$$120^\circ$$135^\circ$$150^\circ$$180^\circ$
$\sin\theta$$0$$\frac12$$\frac{\sqrt2}2$$\frac{\sqrt3}2$$1$$\frac{\sqrt3}2$$\frac{\sqrt2}2$$\frac12$$0$
$\cos\theta$$1$$\frac{\sqrt3}2$$\frac{\sqrt2}2$$\frac12$$0$$-\frac12$$-\frac{\sqrt2}2$$-\frac{\sqrt3}2$$-1$
$\tan\theta$$0$$\frac{\sqrt3}3$$1$$\sqrt3$なし$-\sqrt3$$-1$$-\frac{\sqrt3}3$$0$

鈍角($90^\circ<\theta<180^\circ$)では、$\sin\theta>0$、$\cos\theta<0$、$\tan\theta<0$ である。点 $\mathrm P$ が第 2 象限にあるからである。

三角比の基本の関係式

単位円による定義から、三角比の間の関係がそのまま出てくる。

三角比の相互関係

$0^\circ\le\theta\le180^\circ$ とする。

  1. $\sin^2\theta+\cos^2\theta=1$。
  2. $\theta\ne90^\circ$ のとき、$\tan\theta=\dfrac{\sin\theta}{\cos\theta}$ であり、$1+\tan^2\theta=\dfrac1{\cos^2\theta}$ である。
  3. $0\le\sin\theta\le1$、$-1\le\cos\theta\le1$ である。
点が単位円の上にある

方針:$\mathrm P(\cos\theta,\sin\theta)$ が原点からの距離 $1$ の点であることを式にする。
段 1(1 の証明)。$\mathrm P(x,y)$ は半径 $1$ の円の上にあるので $\mathrm{OP}=1$ である。座標平面の 2 点の距離の公式(三平方の定理 から従う)により $\mathrm{OP}^2=x^2+y^2$ なので、$x^2+y^2=1$ である。$x=\cos\theta$、$y=\sin\theta$ を代入すると $\cos^2\theta+\sin^2\theta=1$ を得る。
段 2(2 の前半)。$\theta\ne90^\circ$ なら $x\ne0$ で、def-tro-unit により $\tan\theta=\dfrac yx=\dfrac{\sin\theta}{\cos\theta}$ である。
段 3(2 の後半)。段 1 の式の両辺を $\cos^2\theta$($\ne0$)で割ると
$$ \frac{\sin^2\theta}{\cos^2\theta}+1=\frac1{\cos^2\theta} $$
であり、左辺の第 1 項は段 2 により $\tan^2\theta$ である。
段 4(3 の証明)。$\mathrm P$ は円の上半分にあるので $y\ge0$ である。段 1 により $y^2=1-x^2\le1$ なので $y\le1$ である。同じく $x^2=1-y^2\le1$ なので $-1\le x\le1$ である。$\square$

1 つの値から残りを求める
  1. $\sin\theta=\dfrac13$($0^\circ\le\theta\le180^\circ$)のとき。thm-tro-relations の 1 により $\cos^2\theta=1-\dfrac19=\dfrac89$ なので、$\cos\theta=\pm\sqrt{\dfrac89}=\pm\dfrac{2\sqrt2}3$ である。符号は $\theta$ が鋭角か鈍角かで決まる。
    $$ \theta\ \text{が鋭角なら}\ \cos\theta=\frac{2\sqrt2}3,\ \tan\theta=\frac{1/3}{2\sqrt2/3}=\frac1{2\sqrt2}=\frac{\sqrt2}4,\qquad \theta\ \text{が鈍角なら}\ \cos\theta=-\frac{2\sqrt2}3,\ \tan\theta=-\frac{\sqrt2}4 $$
    である。$\sin\theta$ だけでは、どちらかは決まらない(prop-tro-inverse で理由を見る)。
  2. $\tan\theta=-2$($0^\circ\le\theta\le180^\circ$)のとき。$\tan\theta<0$ なので $\theta$ は鈍角で、$\cos\theta<0$ である。thm-tro-relations の 2 により $\dfrac1{\cos^2\theta}=1+(-2)^2=5$ なので $\cos^2\theta=\dfrac15$、$\cos\theta=-\dfrac1{\sqrt5}=-\dfrac{\sqrt5}5$ である。$\sin\theta=\tan\theta\cos\theta=(-2)\cdot\left(-\dfrac{\sqrt5}5\right)=\dfrac{2\sqrt5}5$ である。検算:$\sin^2\theta+\cos^2\theta=\dfrac{20}{25}+\dfrac5{25}=1$ である。

次に、$180^\circ-\theta$ と $90^\circ-\theta$ の三角比を、図形の対称性から求める。
図2:左は点 P と、y 軸に関して対称な点 Q。Q は 180° − θ の点で、x 座標の符号だけが変わる。右は直線 y = x に関して対称な点 R。R は 90° − θ の点で、x 座標と y 座標が入れ替わる 図2:左は点 P と、y 軸に関して対称な点 Q。Q は 180° − θ の点で、x 座標の符号だけが変わる。右は直線 y = x に関して対称な点 R。R は 90° − θ の点で、x 座標と y 座標が入れ替わる

180° − θ と 90° − θ の三角比
  1. $0^\circ\le\theta\le180^\circ$ のとき
    $$ \sin(180^\circ-\theta)=\sin\theta,\qquad \cos(180^\circ-\theta)=-\cos\theta $$
    であり、$\theta\ne90^\circ$ なら $\tan(180^\circ-\theta)=-\tan\theta$ である。
  2. $0^\circ\le\theta\le90^\circ$ のとき
    $$ \sin(90^\circ-\theta)=\cos\theta,\qquad \cos(90^\circ-\theta)=\sin\theta $$
    である。
折り返しで角が保たれる

方針:$\theta$ の点 $\mathrm P(x,y)$ を折り返した点が、$180^\circ-\theta$ や $90^\circ-\theta$ の点であることを示す(図 2)。折り返し(線対称な移動)で、長さと角の大きさは変わらないことを使う。
段 1($y$ 軸で折り返す)。$\mathrm P(x,y)$ を $y$ 軸に関して折り返した点は $\mathrm Q(-x,y)$ である。$(-x)^2+y^2=x^2+y^2=1$ かつ $y\ge0$ なので、$\mathrm Q$ も単位円の上半分にある。
段 2($\mathrm Q$ の角)。$\mathrm A'=(-1,0)$ とおく。$y$ 軸での折り返しは $\mathrm O$ を $\mathrm O$ に、$\mathrm A$ を $\mathrm A'$ に、$\mathrm P$ を $\mathrm Q$ に移すので、$\angle\mathrm{A'OQ}=\angle\mathrm{AOP}=\theta$ である。$\mathrm A,\mathrm O,\mathrm A'$ はこの順に一直線上にあり、$\mathrm Q$ は上半分にあるので、$\angle\mathrm{AOQ}+\angle\mathrm{QOA'}=180^\circ$ である。よって $\angle\mathrm{AOQ}=180^\circ-\theta$ であり、$\mathrm Q$ は $180^\circ-\theta$ の点である。
段 3(1 の結論)。def-tro-unit により $\cos(180^\circ-\theta)=-x=-\cos\theta$、$\sin(180^\circ-\theta)=y=\sin\theta$ である。$\theta\ne90^\circ$ なら $x\ne0$ で、$\tan(180^\circ-\theta)=\dfrac y{-x}=-\tan\theta$ である。
段 4(直線 $y=x$ で折り返す)。$0^\circ\le\theta\le90^\circ$ とする。このとき $x\ge0$、$y\ge0$ である。$\mathrm P(x,y)$ を直線 $y=x$ に関して折り返した点は $\mathrm R(y,x)$ で、$y^2+x^2=1$、$x\ge0$ なので単位円の上半分にある。$\mathrm B=(0,1)$ とおくと、この折り返しは $\mathrm A$ を $\mathrm B$ に、$\mathrm P$ を $\mathrm R$ に移すので、$\angle\mathrm{BOR}=\angle\mathrm{AOP}=\theta$ である。$\mathrm R$ は第 1 象限(座標軸の上も含む)にあり、$\angle\mathrm{AOB}=90^\circ$ の中にあるので、$\angle\mathrm{AOR}=90^\circ-\angle\mathrm{ROB}=90^\circ-\theta$ である。
段 5(2 の結論)。$\mathrm R$ は $90^\circ-\theta$ の点なので、$\cos(90^\circ-\theta)=y=\sin\theta$、$\sin(90^\circ-\theta)=x=\cos\theta$ である。$\square$

対称性で値を求める
  1. $\sin150^\circ=\sin(180^\circ-30^\circ)=\sin30^\circ=\dfrac12$、$\cos150^\circ=-\cos30^\circ=-\dfrac{\sqrt3}2$。ex-tro-table の表と一致する。
  2. $\cos100^\circ+\cos80^\circ=\cos(180^\circ-80^\circ)+\cos80^\circ=-\cos80^\circ+\cos80^\circ=0$。$\cos80^\circ$ の値を知らなくても計算できる。
  3. $\sin^2 20^\circ+\sin^2 70^\circ=\sin^2 20^\circ+\cos^2 20^\circ=1$。$\sin70^\circ=\sin(90^\circ-20^\circ)=\cos20^\circ$ を使った。

thm-tro-symmetry の 1 は、三角形の内角について特に大事である。$\sin(180^\circ-\theta)=\sin\theta$ は 正弦定理(高校数学) の証明で、角 $A$ が鋭角の場合と鈍角の場合をまとめるのに使う(そこでは $\angle\mathrm{BDC}=180^\circ-A$ となる角に使う)。また、三角形 $\mathrm{ABC}$ の内角 $A,B,C$ は $A+B+C=180^\circ$ を満たすので、$\sin A=\sin(180^\circ-A)=\sin(B+C)$ の形でも使う。

三角比から角を求める

$0^\circ\le\theta\le180^\circ$ の範囲で、三角比の値から角 $\theta$ が決まるかどうかを調べる。答えは $\cos$ と $\sin$ で違う(図 3)。
図3:左は sin θ = 1/2 となる点。直線 y = 1/2 と半円は 2 点で交わり、θ = 30°, 150° の 2 つがある。右は cos θ = −1/2 となる点。直線 x = −1/2 と半円は 1 点で交わり、θ = 120° だけである 図3:左は sin θ = 1/2 となる点。直線 y = 1/2 と半円は 2 点で交わり、θ = 30°, 150° の 2 つがある。右は cos θ = −1/2 となる点。直線 x = −1/2 と半円は 1 点で交わり、θ = 120° だけである

三角比の値と角の個数

$\theta$ は $0^\circ\le\theta\le180^\circ$ の範囲で考える。

  1. $-1\le k\le1$ のとき、$\cos\theta=k$ となる $\theta$ はちょうど 1 つある。
  2. $0\le k<1$ のとき、$\sin\theta=k$ となる $\theta$ はちょうど 2 つあり、一方を $\theta_0$ とすると他方は $180^\circ-\theta_0$ である。$k=1$ のときは $\theta=90^\circ$ の 1 つだけである。$k<0$ または $k>1$ のときは 1 つもない。
縦・横の直線と半円の交点を数える

方針:角 $\theta$ と、単位円の上半分の点は 1 対 1 に対応する(def-tro-unit の前の約束)。そこで、条件を満たす点の個数を数える。
段 1($\cos\theta=k$)。$x$ 座標が $k$ の、単位円の上半分の点 $(k,y)$ を探す。$k^2+y^2=1$ かつ $y\ge0$ なので、$y^2=1-k^2$ である。$-1\le k\le1$ なので $1-k^2\ge0$ であり、$y\ge0$ の解は $y=\sqrt{1-k^2}$ の 1 つだけである。点がちょうど 1 つなので、角もちょうど 1 つである。
段 2($\sin\theta=k$、$0\le k<1$)。$y$ 座標が $k$ の点 $(x,k)$ を探す。$x^2=1-k^2$ で、$k<1$ なので $1-k^2>0$ であり、$x=\sqrt{1-k^2}$ と $x=-\sqrt{1-k^2}$ の異なる 2 つの解がある。$k\ge0$ なので、どちらの点も上半分にある。よって角はちょうど 2 つある。2 つの点は $y$ 軸に関して対称なので、prf-tro-symmetry の段 1・段 2 により、一方が $\theta_0$ の点なら他方は $180^\circ-\theta_0$ の点である。
段 3($k=1$ と範囲外)。$k=1$ なら $x^2=0$ で、点は $(0,1)$ だけであり、角は $90^\circ$ だけである。$k<0$ の点は上半分になく、$k>1$ なら $x^2=1-k^2<0$ となる実数 $x$ がない。thm-tro-relations の 3 のとおり、どちらも $\sin\theta$ の値にならない。$\square$

角を求める
  1. $\sin\theta=\dfrac{\sqrt3}2$。ex-tro-table により $\sin60^\circ=\dfrac{\sqrt3}2$ なので、prop-tro-inverse の 2 により $\theta=60^\circ,\ 120^\circ$ の 2 つである。
  2. $\cos\theta=-\dfrac{\sqrt2}2$。$\cos135^\circ=-\dfrac{\sqrt2}2$ なので、prop-tro-inverse の 1 により $\theta=135^\circ$ だけである。
  3. $\tan\theta=-1$。$\tan\theta=\dfrac yx=-1$ から $y=-x$ で、$x^2+y^2=1$ と合わせると $2x^2=1$、$y\ge0$ から $x=-\dfrac{\sqrt2}2$、$y=\dfrac{\sqrt2}2$ である。点は 1 つで、$\theta=135^\circ$ である。
三角比の不等式

$0^\circ\le\theta\le180^\circ$ で $\sin\theta>\dfrac12$ となる $\theta$ の範囲を求める。$\sin\theta$ は点 $\mathrm P$ の $y$ 座標なので、半円のうち直線 $y=\dfrac12$ より上の部分にある点を探せばよい。図 3 の左で、直線 $y=\dfrac12$ と半円の交点は $30^\circ$ と $150^\circ$ の点であり、その間の弧が直線より上にある。よって $30^\circ<\theta<150^\circ$ である。
同じように $\cos\theta<-\dfrac12$ は、半円のうち直線 $x=-\dfrac12$ より左の部分で、図 3 の右から $120^\circ<\theta\le180^\circ$ である。

prop-tro-inverse の 1 と 2 の違いは、三角形の決定で大事になる。余弦定理(高校数学) では 3 辺から $\cos$ の値が求まり、1 により角がただ 1 つに決まる。正弦定理(高校数学) では $\sin$ の値が求まるが、2 により角の候補が 2 つ残ることがある。

例と反例

外した仮定崩れる主張ボックス
三角形が直角三角形であること「対辺 ÷ 最も長い辺」が $\sin\theta$ に等しいex-tro-not-right
$\cos$ の値で角を決めること($\sin$ で決める)三角比の値が等しければ角も等しいex-tro-sin-not-injective
$\theta\ne90^\circ$$\tan\theta$ が定まるex-tro-tan90
円の半径が $1$ であること点の座標がそのまま $\cos\theta,\sin\theta$ex-tro-radius2
反例:直角三角形でないと辺の比は正弦にならない

$\mathrm O(0,0)$、$\mathrm A(3,0)$、$\mathrm B(1,\sqrt3)$ を頂点とする三角形を考える。$\mathrm{OB}=\sqrt{1+3}=2$ で、$\mathrm B$ は半径 $2$ の円の上の $\left(2\cdot\dfrac12,\ 2\cdot\dfrac{\sqrt3}2\right)$ なので、rem-tro-radius により $\angle\mathrm{AOB}=60^\circ$ である。$\angle\mathrm O$ の向かいの辺は $\mathrm{AB}=\sqrt{(3-1)^2+(0-\sqrt3)^2}=\sqrt7$、最も長い辺は $\mathrm{OA}=3$ である。
$$ \frac{\mathrm{AB}}{\mathrm{OA}}=\frac{\sqrt7}3=0.8819\ldots,\qquad \sin60^\circ=\frac{\sqrt3}2=0.8660\ldots $$
で、等しくない。この三角形には直角がないので($\mathrm{OB}^2+\mathrm{AB}^2=4+7=11\ne9$ など、どの 2 辺でも三平方の定理の等式が成り立たない)、def-tro-acute は使えない。直角でない三角形の辺と角の関係は、正弦定理(高校数学) と 余弦定理(高校数学) が与える。

反例:正弦が等しくても角は等しいとは限らない

$\sin30^\circ=\sin150^\circ=\dfrac12$ だが、$30^\circ\ne150^\circ$ である。したがって「$\sin A=\sin B$ ならば $A=B$」は $0^\circ\le A,B\le180^\circ$ の範囲では成り立たない。正しくは、prop-tro-inverse の 2 により「$A=B$ または $A+B=180^\circ$」である。一方、$\cos$ については「$\cos A=\cos B$ ならば $A=B$」が成り立つ(prop-tro-inverse の 1)。$\cos30^\circ=\dfrac{\sqrt3}2$、$\cos150^\circ=-\dfrac{\sqrt3}2$ で、確かに異なる。

反例:90° の正接はない

$90^\circ$ の点は $(0,1)$ で、$x=0$ なので $\dfrac yx$ は定まらない。$\theta$ を $90^\circ$ に下から近づけると、$\tan\theta$ は $\tan60^\circ=\sqrt3=1.73\ldots$、$\tan80^\circ=5.67\ldots$、$\tan89^\circ=57.2\ldots$ といくらでも大きくなり、上から近づけると $\tan100^\circ=-5.67\ldots$、$\tan91^\circ=-57.2\ldots$ と負の側でいくらでも小さくなる。どの実数を $\tan90^\circ$ と決めても、前後の値とつながらない。thm-tro-relations の 2 の $1+\tan^2\theta=\dfrac1{\cos^2\theta}$ も、$\theta\ne90^\circ$ の仮定なしには意味をもたない。

反例:半径 2 の円では座標を半径で割る

点 $\mathrm P'(-1,\sqrt3)$ は $\mathrm{OP}'=\sqrt{1+3}=2$ なので、半径 $2$ の円の上半分にある。$\angle\mathrm{AOP}'$ を $\theta$ とすると、rem-tro-radius により $\cos\theta=\dfrac{-1}2$、$\sin\theta=\dfrac{\sqrt3}2$ で、$\theta=120^\circ$ である。座標をそのまま使って「$\cos\theta=-1$」とすると $\theta=180^\circ$ になってしまい、誤りである。$\tan\theta=\dfrac{\sqrt3}{-1}=-\sqrt3$ は、比なので半径で割らなくても正しい。

大学数学で見る

定義が選び方によらないこと

def-tro-acute は「直角三角形を 1 つとり」、その辺の比で値を決めた。とり方がいくつもあるものの 1 つを使って定義するときは、値がとり方によらないことを示さなければならない。大学ではこれを、定義が well-defined(うまく定まっている)であるという。lem-tro-similar はまさにその証明である。
同じ型の議論は大学数学のいたるところに出てくる。たとえば、余りで分類した整数の足し算を「代表を 1 つずつとって足す」と定めるときも、結果が代表のとり方によらないことを確かめる(合同式と余りの世界)。三角比の場合、とり方の違いは「拡大・縮小(相似変換)」であり、比は拡大・縮小で変わらない量である。

弧度法と一般角への延長

この記事では角を度で測った。大学では、角 $\theta^\circ$ を単位円の弧 $\mathrm{AP}$ の長さ $t=\dfrac{\pi}{180}\theta$ で測る(弧度法)。すると def-tro-unit は「単位円の上を点 $\mathrm A$ から反時計回りに長さ $t$ だけ進んだ点が $(\cos t,\sin t)$」と言い換えられる。この言い方なら、$t$ が $\pi$ を超えても、負でもよい(時計回りに進む)。こうして $\sin$、$\cos$ はすべての実数 $t$ の関数になり、thm-tro-symmetry は $\sin(\pi-t)=\sin t$、$\cos(\pi-t)=-\cos t$ として、すべての実数 $t$ で成り立つ。
ただし「弧の長さ」を厳密に定めるには積分が要る。弧の長さを使わずに、微分方程式や級数から三角関数を定義し、そこから単位円の弧長による表示を回収する方法は 三角関数はどう定義するか で扱う。

回転と折り返し

$\theta$ の点 $(\cos\theta,\sin\theta)$ は、点 $\mathrm A(1,0)$ を原点のまわりに $\theta$ だけ回転した点である。prf-tro-symmetry で使った 2 つの折り返し($y$ 軸に関する対称移動、直線 $y=x$ に関する対称移動)は、行列で書くと $\begin{pmatrix}-1&0\\ 0&1\end{pmatrix}$ と $\begin{pmatrix}0&1\\ 1&0\end{pmatrix}$ である。回転と折り返しがつくる群の中で三角関数の公式を見直す話は 回転・鏡映と行列の群 に、回転を複素数の掛け算で表す話は 複素数の掛け算は回転と拡大 にある。単位円の上の点のうち、座標が両方とも有理数になるもの($\cos\theta,\sin\theta$ がともに有理数になる角)は、ピタゴラス数と円の有理点 ですべて求めている。ex-tro-345 の $\left(\dfrac45,\dfrac35\right)$ はその例である。

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関連項目

参考文献

[1]
Euclid, translated with introduction and commentary by Thomas L. Heath, The Thirteen Books of Euclid's Elements, translated with introduction and commentary by T. L. Heath (3 vols., Cambridge University Press, 1908), Cambridge University Press, 1908, 第 VI 巻 命題 4(Vol. II)

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