図形と計量

式の値

三角比の対称式

図形と計量の「式の値」を、答えを先に押さえてから理解できる形に整理したページです。「三角比の対称式」でつまずきやすい点も含めて、学習の流れを短く確認できます。

数学Ⅰ 約14分 難易度 1

このページのまとめ

先に押さえておくこと

式の値の要点をまとめたページです。先に答えを確認してから、解き方とつまずきやすい点を順にたどれます。

答えの要点

三角比の対称式の答えと条件を先に確認できます。

  • テーマ: 三角比の対称式
  • ポイント: 図形と計量の基礎を短く確認しやすく、検索から入ってもそのまま理解まで進めやすい記事です。
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問題

90°≦θ≦180°でsin⁡θ+cos⁡θ=1290°\leqq \theta \leqq 180°で\sin \theta+\cos \theta=\frac{1}{\sqrt 2}のとき

(1)sin⁡3θ+cos⁡3θの値を求めよ。\quad (1)\quad \sin ^3\theta+\cos ^3\thetaの値を求めよ。
(2)sin⁡θ−cos⁡θの値を求めよ。\quad (2)\quad \sin \theta - \cos \thetaの値を求めよ。

答えを見る

(1)  sin⁡3θ+cos⁡3θ=528‾(1)\;\sin ^3\theta+\cos ^3\theta=\underline{\frac{5\sqrt{2}}{ 8}}
(2)  sin⁡θ−cos⁡θ=62‾(2)\;\sin \theta - \cos \theta=\underline{\frac{\sqrt{6}}{2}}

解説

三角比の式の値の問題を解説します。

90°≦θ≦180°でsin⁡θ+cos⁡θ=1290°\leqq \theta \leqq 180°で\sin \theta+\cos \theta=\frac{1}{\sqrt 2}のとき

(1)sin⁡3θ+cos⁡3θの値を求めよ。\quad (1)\quad \sin ^3\theta+\cos ^3\thetaの値を求めよ。

この問題を見て何かピンと来るかな?

sin⁡3θ+cos⁡3\sin ^3\theta+\cos ^3は「対称式」です!

その通り。「対称式」について知りたい人は[数学I - 数と式]にある例題から学習してね。

求めたい式が対称式ということは、その式が基本対称式で表せるということです。

sin⁡3θ+cos⁡3θ=(sin⁡θ+cos⁡θ)3−3sin⁡θcos⁡θ(sin⁡θ+cos⁡θ)\sin ^3\theta+\cos ^3\theta=(\sin \theta+\cos \theta)^3-3\sin \theta \cos \theta(\sin \theta+\cos \theta)と変形できますね。

この対称式の、基本対称式はsin⁡θ+cos⁡θ\sin \theta+\cos \thetaとsin⁡θcos⁡θ\sin \theta \cos \thetaだよ。

sin⁡θ+cos⁡θ\sin \theta+\cos \thetaの値は分かりますがsin⁡θcos⁡θ\sin \theta \cos \thetaの値は分かりませんよね。

そこが三角比の対称式の問題の最大の特徴なんだ!

三角比でない通常の対称式の問題では、基本対称式x+yx+yとxyxyが求められるように2つ以上の情報が与えられます。

しかし、この三角比の対称式の問題ではsin⁡θ+cos⁡θ=12\sin \theta+\cos \theta=\frac{1}{\sqrt{2}}という情報しか与えられていませんね。何故でしょうか?

それは、「三角比の相互関係」を用いれば求めることができるからです。

三角比の問題では、「三角比の相互関係」を用いれば少ない値から色々な値を求めることができます。

この公式は覚えなくていいからね。

重要なのは、sin⁡θ+cos⁡θ\sin \theta+\cos \thetaの値からsin⁡θcos⁡θ\sin \theta \cos \thetaの値が分かるということだよ。

それでは問題を解いていきましょう。

sin⁡θ+cos⁡θ=12\sin \theta + \cos \theta=\frac{1}{\sqrt{2}}の両辺を2乗するとsin⁡2θ+2sin⁡θcos⁡θ+cos⁡2θ=12\sin ^2\theta+2\sin \theta \cos \theta +\cos ^2\theta=\frac 1 2となるので

三角比の相互関係sin⁡2+cos⁡2=1\sin ^2+\cos ^2=1を用いれば、1+2sin⁡θcos⁡θ=121+2\sin \theta \cos \theta = \frac 1 2よりsin⁡θcos⁡θ=−14\sin \theta \cos \theta =-\frac 1 4となります。

(sin⁡θ+cos⁡θ)3−3sin⁡θcos⁡θ(sin⁡θ+cos⁡θ)(\sin \theta+\cos \theta)^3-3\sin \theta \cos \theta(\sin \theta+\cos \theta)に値を代入すると

(12)3−3⋅(−14)⋅12\left(\frac {1}{ \sqrt 2}\right)^3-3\cdot \left(-\frac 1 4\right)\cdot \frac{1}{\sqrt 2}\quad =122+342=\quad \frac{1}{2\sqrt 2}+\frac{3}{4\sqrt 2} =528‾=\underline{\frac{5\sqrt 2}{8}}となります。

次の問題を見ていきましょう。

90°≦θ≦180°でsin⁡θ+cos⁡θ=1290°\leqq \theta \leqq 180°で\sin \theta+\cos \theta=\frac{1}{\sqrt 2}のとき

(2)sin⁡θ−cos⁡θの値を求めよ。\quad (2)\quad \sin \theta - \cos \thetaの値を求めよ。

これは対称式ではないですね。

そうだね。

こういうときは求めたい式を2乗してみよう。

sin⁡θ−cos⁡θ\sin \theta - \cos \thetaを2乗すると、(sin⁡θ−cos⁡θ)2(\sin \theta - \cos \theta)^2=sin⁡2θ−2sin⁡θcos⁡θ+cos⁡2θ=\sin ^2\theta -2\sin \theta \cos \theta +\cos ^2\thetaとなります。

2乗したときの値だったら求められますね!

その通り。2乗した値を求めて最後に平方根の考えを使えばいいんだ。

sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin ^2\theta+\cos ^2\theta=1とsin⁡θcos⁡θ=−14\sin \theta \cos \theta=-\frac{1}{4}を代入すると1−2⋅(−14)=321-2\cdot\left(-\frac 1 4 \right)=\frac 3 2より(sin⁡θ−cos⁡θ)2=32(\sin \theta - \cos \theta)^2=\frac 3 2となります。

あとは2乗を外せばいいから、答えは±32\pm \sqrt{\frac{3}{2}}だ!

ちょっと待って。2乗を外す前に確認しなきゃいけないことがあるんだ。

問題文を見ると90°≦θ≦180°90°\leqq \theta \leqq 180°だったよね。

その答えだとθ\thetaの条件を無視してしまっているから、最後にθ\thetaの条件を考えよう。

90°≦θ≦180°90°\leqq \theta \leqq 180°では、cos⁡θ≦0≦sin⁡θ\cos \theta \leqq 0 \leqq \sin \thetaですね。

そのため、sin⁡θ−cos⁡θ≧0\sin \theta -\cos \theta \geqq 0よりsin⁡θ−cos⁡θ\sin \theta - \cos \thetaが負の値になることはあり得ませんね。

なので−32-\sqrt{\frac{3}{2}}は不適となります。

よって、求める値はsin⁡θ+cos⁡θ\sin \theta+\cos \theta=32=62‾= \sqrt{\frac{3}{2}}=\underline{\frac{\sqrt 6}{2}}となります。

解き方は分かりましたが、なぜ不適の解が出てくるんですか?

今回求めたい値はsin⁡θ−cos⁡θ\sin \theta-\cos \thetaだったよね。

それを勝手に2乗してから戻しているから、不適の解がある可能性を考慮して解く必要があるよ。

このページのまとめ

ここでは式の値の問題について解説しました。

三角比の相互関係はこの問題を含めて様々なところで使用するので、三角比の問題が出たらすぐに思い出せるようになるまで色々な問題を解きましょう!

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