sin と cos の交点

y=sin⁡xy = \sin x と y=cos⁡xy = \cos x の交点を求めます。

方程式を解く

sin⁡x=cos⁡x\sin x = \cos x の両辺を cos⁡x\cos x で割ると tan⁡x=1\tan x = 1 となり、これを満たすのは次のとおりです。

x=π4+nπ(n は整数)x = \frac{\pi}{4} + n\pi \quad (n \text{ は整数})

割り算のときの注意

割り算をするときは、割る数が 00 でないことを確かめなければなりません。もし cos⁡x=0\cos x = 0 なら sin⁡x=±1\sin x = \pm 1 で 00 ではないので、sin⁡x=cos⁡x\sin x = \cos x は成り立ちません。つまり cos⁡x=0\cos x = 0 となる xx はもともと解ではなく、割っても解を失わないのです。

単位円で見る

cos⁡\cos は点の横の座標、sin⁡\sin は縦の座標でした。sin⁡x=cos⁡x\sin x = \cos x とは「横と縦が同じ」ということで、それは単位円が直線 y=xy = x と交わる点にほかなりません。

円と直線 y=xy = x の交点は正反対の向きに 22 つあり、角でいえば π4\dfrac{\pi}{4} と 5π4\dfrac{5\pi}{4} です。π\pi ごとに解がくり返すのは、この 22 点が原点をはさんで反対側にあるからで、tan⁡\tan の周期が 2π2\pi ではなく π\pi であることと同じ事情です。

値を確かめる

xxsin⁡x\sin xcos⁡x\cos x
π4\dfrac{\pi}{4}22≈0.707\dfrac{\sqrt{2}}{2} \approx 0.70722≈0.707\dfrac{\sqrt{2}}{2} \approx 0.707
5π4\dfrac{5\pi}{4}−22-\dfrac{\sqrt{2}}{2}−22-\dfrac{\sqrt{2}}{2}

値の大きさは同じで、符号だけが反転しています。

合成による解き方

三角関数の合成を使う方法もあります。差を 11 つの正弦にまとめます。

sin⁡x−cos⁡x=2 sin⁡(x−π4)\sin x - \cos x = \sqrt{2}\,\sin\left(x - \frac{\pi}{4}\right)

これが 00 になるのは x−π4=nπx - \dfrac{\pi}{4} = n\pi、すなわち x=π4+nπx = \dfrac{\pi}{4} + n\pi で、tan⁡\tan を使った答えと一致します。22 つの波の差もまた 11 つの波であり、その零点が交点だ、という見方です。

グラフの大きな点がこの 22 つの交点で、以降は π\pi ごとに交わりが繰り返されます。