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半角の公式はどこから来るのか?ルートの中の符号の決め方

半角の公式は、2 倍角の公式を裏返しただけのものです。

について解くと 。両辺の平方根をとります。

公式そのものはこれで終わり[1]。残るのは をどちらにとるかで、そこは公式が決めてくれません。

2 倍角の 3 つの顔から 2 つが効く

の書き方は 3 通り。、、 です[1]。

このうち後ろの つが半角を生む。 だけの式と だけの式になっているため。

と置けば です。 から の半角になる。

からは が導ける。

最初の は両方が残るので、この用途には向きません。

半角の公式は、次数を下げる道具 としても使われます。

と読み替えれば、2 乗が消えて 1 次式になる。積分でよく使う形です。

符号は θ/2 がどの象限にいるかで決まる

は、公式が決めてくれません。 の位置を自分で調べる。

は第 1・第 2 象限で正、第 3・第 4 象限で負。 は第 1・第 4 象限で正、第 2・第 3 象限で負です。

θ/2 の象限sin(θ/2)cos(θ/2)
第 1正正
第 2正負
第 3負負
第 4負正

見るのは ではなく 。ここをとり違えると符号が逆になります。

が第 3 象限、たとえば なら、 で第 2 象限。 は正、 は負。

の象限から の象限は一意に決まりません。 に を足すと は 動くため。

だから問題文の「」のような範囲が要ります。範囲がなければ符号は決められない。

例:cos A = 3/5 の鋭角

が鋭角、つまり とします。すると で第 1 象限。

第 1 象限なので も も正。 は両方とも に決まります。

検算します。。

が成り立ちました。半角を計算したら、この確認を挟むと符号ミスも拾える。

tan の半角には符号のいらない形がある

は と書けますが、実は を消せる[1]。

この 2 つには平方根も もありません。象限を調べなくても、 と を入れれば符号ごと正しい値になる。

導き方は次のとおり。、 を使います。

割ると 。

のときだけ分母が になります。そのときはもう一方の形を使えばよい。

平方根の形

。 だけで書けるが、象限の判断が要る

分数の形

。 も要るかわりに、符号が自動でつく

例:22.5 度の値

は の半分。 を使います。

は第 1 象限なので符号は正。

同じように になります。二重根号のまま残る形がふつう。

は分数の形で計算します。。

分母分子に をかけて 、有理化すると 。

。二重根号が消えて、きれいな形になりました。

三角形の角の半分を出す

、、 の三角形で を求めます。まず余弦定理で を計算する[2]。

三角形の内角なので 、よって で第 1 象限。符号は正。

三角形の角の半分は、いつでも 未満です。だから符号はつねに正になる。

検算:内接円の半径から確かめる

同じ を、まったく別の道から計算します。内接円を使う方法。

ヘロンの公式で面積を計算します[2]。 なので、面積は次のとおり。

内接円の半径は 。

頂点 から接点までの長さは 。この 2 つで直角三角形ができ、。

半角の公式で計算した値と一致しました。式変形と図形という、まったく別の道から同じ数に着いています。

まちがえやすい点

の象限で符号を決めてしまう誤りが最も多い。判断するのは の象限です。

は第 4 象限ですが、 は第 2 象限。 は正、 は負になる。

次に多い誤りは、 の を根号の外に出す形です。。

と の の中身もいれかえやすい。 が引き算、 が足し算。

で確かめられます。 なので引き算のほう、 なので足し算のほう。

で のとき、 はどれですか。

__RESULT__

が第 2 象限なので 、したがって で第 1 象限です。符号は正になります。値は です。

の形も確かめます。

、 のとき、 はどれですか。

__RESULT__

です。分数の形を使えば、象限を調べなくても符号ごと決まります。 は分母の をかけずに を で割った値です。

2 倍角を裏返し、 の象限で符号を決める。 だけは分数の形で符号を省ける。

出典

Double-Angle, Half-Angle, and Reduction Formulas. Algebra and Trigonometry 2e, OpenStax.
Non-right Triangles: Law of Cosines. Algebra and Trigonometry 2e, OpenStax(余弦定理とヘロンの公式).
$\cos\theta = 1 - 2\sin^2\dfrac{\theta}{2}$ を $\sin^2$ について解けば、半角の公式はそれで出ます。難しいのは $\pm$ のほう。判断するのは $\theta$ ではなく $\dfrac{\theta}{2}$ の象限で、$\theta = 300^\circ$ なら $\dfrac{\theta}{2} = 150^\circ$ は第 2 象限になります。$\tan$ だけは $\dfrac{\sin\theta}{1+\cos\theta}$ という平方根も符号も要らない形を持つ。$22.5^\circ$ の $\tan$ が $\sqrt{2}-1$ になる計算と、$a=5$、$b=6$、$c=7$ の三角形で出した $\tan\dfrac{A}{2}$ を内接円から検算する手順まで。