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θ の範囲を最後まで見る - 三角方程式の解き方

の解は だけではありません。 なら の 2 つです。

範囲を外すと無限個になります。 が、すべて解になる。

三角方程式でいちばん多い失点は、計算まちがいではなく解の拾い落としです[1]

単位円に横線を引く

は「縦の座標が になる点はどこか」という問いです。

単位円に の横線を引きます。円と交わる点が 2 つ出る。

右上の点が 、左上の点が です。 軸について対称な位置にあります。

なら縦線を引きます。 は「横の座標が になる点」なので、 軸対称の 2 点が出る。

対称の軸が違うところが要です。 軸で折り返し、 軸で折り返します。

範囲がなければ一般解で答える

範囲の指定がない場合は、 を整数として次の形にまとめます[1]

または

ひとつで書けるのは、 軸対称の 2 点が だからです。

の周期は なので、 ではなく になります。半周ごとに同じ値をとる。

例:cosθ = -√3/2

とします。 が負なので、解は第 2 象限と第 3 象限。

となる です。これを基準にします。

第 2 象限の解は 、第 3 象限は

です。 軸について対称な位置にあります。

負の値でも、まず絶対値で基準の角を出してから符号で象限を決める。手順は変わりません。

例:tanθ = 1

は周期が なので、 には解が 2 つ入ります。

が基準です。もう 1 つは

と違い、 の 2 解は原点対称の位置にあります。 離れている。

は、 がどんな実数でも必ず解を持ちます。 の値域に上限も下限もないため。

が解なしになるのとは対照的です。

sin と cos

値域が から 。範囲を外れた値を与えると解なしになる

tan

値域は実数全体。どんな値を与えても、周期 ごとに必ず解がある

2θ が入るときは範囲を先に伸ばす

で解きます。

いきなり を求めにいくと落とします。まず の範囲を書き出す。

の両辺を 2 倍して 。範囲が倍に伸びました。

この範囲で となる は 4 つあります。

後ろ 2 つは、前 2 つに を足したものです。範囲が まであるので入ってきます[2]

最後に 2 で割ります。

解が 4 つになりました。 の範囲のまま考えると、はじめの 2 つしか見つかりません[1]

canvas: 絵を作れませんでした

2 次式になる形

で解きます。

をひとかたまりと見れば、ただの 2 次方程式です[1]

因数分解して

または に分かれます。

前者からは 、後者からは

合わせて 3 つです。 のように端の値だと、解が 1 つしか出ない点も見どころ。

が混ざっている場合は、 でどちらかにそろえてから因数分解します。

合成してから解く

で解きます。2 つの関数が混ざったままでは進みません。

合成すると 、つまり

ここでも範囲を先に動かします。

この範囲で になるのは です。 は範囲の手前で外れます。

を引いて

検算します。 なら なら

まちがえやすい点

いちばん多いのは、解を 1 つで止めることです。 の答えを だけにしてしまう形。

単位円を描けば交点が 2 つ見えます。式だけで進めると、この 2 つ目が視界から消えます。

が入る問題で、範囲を動かし忘れる誤りも同じくらい多い。

範囲を動かすのは、置きかえた文字のほうです。 と置くなら、 の範囲を書いてから解きます。

両辺を で割る操作も危ない。 の場合を捨ててしまいます。移項して因数分解します。

の解はいくつありますか。

__RESULT__

の範囲は です。 になるのは 周につき 回なので、 周ぶんで 個になります。 で割った値が答えです。

因数分解の形も確かめます。

の解に含まれないものはどれですか。

__RESULT__

と因数分解できます。 から から です。 では なので、左辺は になり になりません。

単位円で交点を数え、置きかえたら範囲も置きかえる。三角方程式はこの 2 つで守れます。

参考

Solving Trigonometric Equations. Algebra and Trigonometry 2e, OpenStax(一般解、2 次形、多重角の扱い).
É. Bouchet. Trigonométrie, Cours de PCSI, 1.3 Quelques équations trigonométriques( の方程式を単位円で解く例).
$\sin\theta = \dfrac{1}{2}$ の解は $\dfrac{\pi}{6}$ だけではありません。$0 \le \theta < 2\pi$ なら $\dfrac{5}{6}\pi$ も入ります。三角方程式で落とすのは計算より解のほう。単位円に横線を引けば交点が 2 つ見えて、式だけで進めたときに消える 2 つ目が視界に戻ります。$\sin 2\theta = \dfrac{1}{2}$ では $2\theta$ の範囲を $4\pi$ まで伸ばしてから拾うので、解は 4 つ。$\sin\theta + \sqrt{3}\cos\theta = 1$ のように混ざった式を合成してから解く手順と、両辺を $\sin\theta$ で割ってはいけない理由まで。