指数・対数・三角関数

2倍角の公式

$\sin 2\theta$, $\cos 2\theta$, $\tan 2\theta$

指数・対数・三角関数の「2倍角の公式」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。「$\sin 2\theta$, $\cos 2\theta$, $\tan 2\theta$」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Ⅱ 約17分 難易度 2

このページのまとめ

先に押さえておくこと

2倍角の公式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

$\sin 2\theta$, $\cos 2\theta$, $\tan 2\theta$の答えと条件を先に確認できます。

  • テーマ: sin2θ\sin 2\theta, cos2θ\cos 2\theta, tan2θ\tan 2\theta
  • ポイント: 指数・対数・三角関数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

θ\thetaは第2象限の角で、sinθ=35\sin\theta = \frac{3}{5}のとき、次の値を求めよ。

(1)sin2θ(1)\quad \sin 2\theta
(2)cos2θ(2)\quad \cos 2\theta
(3)tan2θ(3)\quad \tan 2\theta

答えを見る

(1)  (1)\; sin2θ=2425\sin 2\theta = \underline{-\frac{24}{25}}

(2)  (2)\; cos2θ=725\cos 2\theta = \underline{\frac{7}{25}}

(3)  (3)\; tan2θ=247\tan 2\theta = \underline{-\frac{24}{7}}

解説

2倍角の公式について解説します。

2倍角の公式って何ですか?

加法定理でα=β\alpha = \betaとすると、sin2α\sin 2\alphacos2α\cos 2\alphaの公式が得られるんだ。

角度を2倍にしたときの三角関数の値を求める公式だよ!

まずは加法定理から2倍角の公式を導いてみましょう。

加法定理 sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ\sin(\alpha + \beta) = \sin\alpha\cos\beta + \cos\alpha\sin\betaβ=α\beta = \alpha とすると、

sin2α=sin(α+α)\sin 2\alpha = \sin(\alpha + \alpha)
=sinαcosα+cosαsinα= \sin\alpha\cos\alpha + \cos\alpha\sin\alpha
=2sinαcosα= 2\sin\alpha\cos\alpha

同様に、cos(α+β)=cosαcosβsinαsinβ\cos(\alpha + \beta) = \cos\alpha\cos\beta - \sin\alpha\sin\betaβ=α\beta = \alpha とすると、

cos2α=cos(α+α)\cos 2\alpha = \cos(\alpha + \alpha)
=cosαcosαsinαsinα= \cos\alpha\cos\alpha - \sin\alpha\sin\alpha
=cos2αsin2α= \cos^2\alpha - \sin^2\alpha

cos2α\cos 2\alphaはさらに変形できます。sin2α+cos2α=1\sin^2\alpha + \cos^2\alpha = 1を使うと、

cos2α=cos2αsin2α\cos 2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha
=cos2α(1cos2α)= \cos^2\alpha - (1 - \cos^2\alpha)
=2cos2α1= 2\cos^2\alpha - 1

あるいは、

cos2α=cos2αsin2α\cos 2\alpha = \cos^2\alpha - \sin^2\alpha
=(1sin2α)sin2α= (1 - \sin^2\alpha) - \sin^2\alpha
=12sin2α= 1 - 2\sin^2\alpha

また、tan(α+β)=tanα+tanβ1tanαtanβ\tan(\alpha + \beta) = \frac{\tan\alpha + \tan\beta}{1 - \tan\alpha\tan\beta}β=α\beta = \alpha とすると、

tan2α=2tanα1tan2α\tan 2\alpha = \frac{2\tan\alpha}{1 - \tan^2\alpha}

cos2α\cos 2\alphaに3つの形がありますが、どう使い分けるんですか?

いい質問だね!使い分けのポイントはこうだよ。

cos2αsin2α\cos^2\alpha - \sin^2\alphasinα\sin\alphacosα\cos\alphaの両方がわかっているとき

2cos2α12\cos^2\alpha - 1cosα\cos\alphaだけわかっているとき

12sin2α1 - 2\sin^2\alphasinα\sin\alphaだけわかっているとき

さらに、cos2α\cos 2\alphaの変形は逆方向にも使えるよ。

cos2α=1+cos2α2\cos^2\alpha = \frac{1 + \cos 2\alpha}{2}sin2α=1cos2α2\sin^2\alpha = \frac{1 - \cos 2\alpha}{2}

これは「半角の公式」として知られていて、sin2\sin^2cos2\cos^2を次数下げするときに使うんだ。

それでは問題を解いていきましょう!

θ\thetaは第2象限の角で、sinθ=35\sin\theta = \frac{3}{5}のとき、次の値を求めよ。

(1)sin2θ(1)\quad \sin 2\theta (2)cos2θ(2)\quad \cos 2\theta (3)tan2θ(3)\quad \tan 2\theta

まずはcosθ\cos\thetaの値を求めておこう。θ\thetaは第2象限の角だから、cosθ\cos\thetaの符号に注意してね!

sin2θ+cos2θ=1\sin^2\theta + \cos^2\theta = 1より、

cos2θ=1sin2θ\cos^2\theta = 1 - \sin^2\theta
=1(35)2= 1 - \left(\frac{3}{5}\right)^2
=1925= 1 - \frac{9}{25}
=1625= \frac{16}{25}

θ\thetaは第2象限の角なのでcosθ<0\cos\theta < 0です。よって、

cosθ=45\cos\theta = -\frac{4}{5}

また、tanθ=sinθcosθ=3545=34\tan\theta = \frac{\sin\theta}{\cos\theta} = \frac{\frac{3}{5}}{-\frac{4}{5}} = -\frac{3}{4}

(1)sin2θ(1)\quad \sin 2\theta

sin2θ=2sinθcosθ\sin 2\theta = 2\sin\theta\cos\theta に代入すると、

sin2θ=235(45)\sin 2\theta = 2 \cdot \frac{3}{5} \cdot \left(-\frac{4}{5}\right)
=2425= \underline{-\frac{24}{25}}

答えがマイナスになりました。合っていますか?

合っているよ!θ\thetaが第2象限だと2θ2\thetaは第3象限または第4象限になるから、sin2θ\sin 2\thetaは負の値もとり得るんだ。

(2)cos2θ(2)\quad \cos 2\theta

sinθ\sin\thetacosθ\cos\thetaの両方がわかっているので、どの形を使っても構いませんが、ここでは12sin2θ1 - 2\sin^2\thetaを使ってみましょう。

cos2θ=12sin2θ\cos 2\theta = 1 - 2\sin^2\theta
=12(35)2= 1 - 2 \cdot \left(\frac{3}{5}\right)^2
=12925= 1 - 2 \cdot \frac{9}{25}
=11825= 1 - \frac{18}{25}
=725= \underline{\frac{7}{25}}

確認としてcos2αsin2α\cos^2\alpha - \sin^2\alphaの形でも計算してみよう。

cos2θ=(45)2(35)2=1625925=725\cos 2\theta = \left(-\frac{4}{5}\right)^2 - \left(\frac{3}{5}\right)^2 = \frac{16}{25} - \frac{9}{25} = \frac{7}{25} で一致するね!

(3)tan2θ(3)\quad \tan 2\theta

tan2θ=2tanθ1tan2θ\tan 2\theta = \frac{2\tan\theta}{1 - \tan^2\theta}tanθ=34\tan\theta = -\frac{3}{4} を代入すると、

tan2θ=2(34)1(34)2\tan 2\theta = \frac{2 \cdot \left(-\frac{3}{4}\right)}{1 - \left(-\frac{3}{4}\right)^2}
=321916= \frac{-\frac{3}{2}}{1 - \frac{9}{16}}
=32716= \frac{-\frac{3}{2}}{\frac{7}{16}}
=32×167= -\frac{3}{2} \times \frac{16}{7}
=247= \underline{-\frac{24}{7}}

tan2θ\tan 2\thetasin2θcos2θ\frac{\sin 2\theta}{\cos 2\theta}で求めてもいいですか?

もちろん!sin2θcos2θ=2425725=247\frac{\sin 2\theta}{\cos 2\theta} = \frac{-\frac{24}{25}}{\frac{7}{25}} = -\frac{24}{7} で一致するね。

検算として使える便利な方法だよ!

このページのまとめ

ここでは2倍角の公式について学習しました。

2倍角の公式は加法定理から簡単に導けるので、導出方法をしっかり理解しておきましょう。

特にcos2α\cos 2\alphaの3つの形の使い分けは入試でよく問われるので、マスターしてくださいね!

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