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直角三角形から単位円へ、三角関数が 90 度を超える仕組み

を直角三角形では作れません。内角の和が で、直角がすでに を使っているためです。

残りの 2 つは足して 。どうがんばっても、 以上の角は三角形の中に置けません。

そこで舞台を円に移します。半径 の円の上に点をとり、その座標を値と定める[1]

角に上限がなくなりました。 でも でも、 でも点は置けます。

直角三角形の定義がどこで詰まるか

直角三角形では でした。長さの比なので、値はつねに正です。

が負になる、といった話はここから出てきません。負の長さがないためです。

も扱えません。三角形がつぶれてしまいます。

つまり直角三角形の定義は、 より大きく より小さい角にしか使えない。狭すぎます。

角度を制限なく扱いたいなら、長さの比ではなく座標を使う。それが単位円の発想です。

半径を 1 にすると割り算が消える

一般の円で考えると、点 に対して です。

とすれば分母が消えます。 と、座標そのものが値になる。

半径を に選ぶ理由はこれだけです。計算を軽くするための約束であって、深い意味はありません。

鋭角のときは、もとの直角三角形の定義とちゃんと一致します。斜辺が の直角三角形になるため。

なら で、習った値と同じです。

符号は座標の符号

を求めます。 の点は第 2 象限、つまり左上にあります。

左上では が負で が正。だから が負、 が正です。

値そのものは なので、

符号を覚える表もありますが、点がどこにあるかを思い浮かべれば毎回作れます。

の符号は なので、 が同符号の第 1・第 3 象限で正になります。

象限正になるもの点の位置
第 1すべて右上
第 2左上
第 3左下
第 4右下

1 周すると戻る

を足しても、点は同じ場所に戻ります。円を一周したため。

これが周期の正体です[2]。角がいくら大きくなっても、値は ごとにくり返す。

なら なので 。2 周してから 進んだ位置です。

負の角も同じ理屈で扱えます。 は時計回りに 回った点、つまり右下。

です。 だけ符号が変わりました。

tan は右端の縦線で読む

ですが、円の上に直接見る方法もあります。

の縦線を引きます。原点と を通る直線が、この縦線と交わる点の 座標が です[1]

理由は相似です。原点から までの横の伸びが 、縦が

横を まで伸ばすと 倍になるので、縦は になります。

に近づくと直線がほぼ縦になり、交点は上へ飛んでいく。 が発散する様子がそのまま見えます。

有名角の座標

覚える価値があるのは、第 1 象限の 3 つだけです。あとは符号を変えれば作れます。

軸で折り返した位置なので

は原点対称に移した位置で です。

軸で折り返して

3 つの座標と 3 通りの折り返しで、 刻みの角がすべて出そろいます。

の座標は、 が入れ替わっただけ です。

なので、直線 について対称な位置にあります。 もここから読めます。

半径が 1 でない円でも同じ

半径 の円上の点 なら、 です。

角が同じなら比も同じ。円を拡大しても縮小しても、 の値は変わりません。

なら

この形は、座標が分かっていて角が分からない問題でよく出ます。 を先に出す。

なら で、 と分かります。

まちがえやすい点

を逆にする誤りが最も多い。座標は の順で、横が です。

アルファベット順で が先、と覚えると入れ替えません。 は縦、上下の高さ。

角を反時計回りに測る約束も忘れやすい。時計回りは負の角になります。

の値が を超えることはありません。円の半径が なので、座標も から の範囲。

だけは制限がありません。 で割るので、 に近づくといくらでも大きくなります。

のとき、単位円上の点の座標はどれですか。

__RESULT__

なので第 3 象限、つまり左下です。左下では も負なので、両方の座標にマイナスが付きます。大きさは と同じ です。

半径が でない場合も確かめます。

原点と点 を結ぶ半直線が 軸となす角を とすると、 はどれですか。

__RESULT__

です。 になります。 の値、 の値です。

長さの比を座標に置き換える。それだけで、角の制限も符号の問題も消えます。

参考文献

É. Bouchet. Trigonométrie, Cours de PCSI, Définition 1.2 と 1.3(cercle trigonométrique と、タレスの定理で を作図する見方).
S. Ober-Blöbaum. Trigonometrische und hyperbolische Funktionen, Mathematik für Chemiker, Universität Paderborn( から実数全体への 周期の延長).
$\sin 120^\circ$ は直角三角形では作れません。内角の和が $180^\circ$ で、直角がすでに $90^\circ$ を使っているからです。長さの比では負の値も出せない。そこで半径 $1$ の円に点を置き、その座標をそのまま値と定めます。$\mathrm{P}(\cos\theta,\ \sin\theta)$ の $x$ が負になれば $\cos$ が負、というだけの話。半径を $1$ に選ぶのは分母を消すためで、深い意味はありません。$x = 1$ の縦線を切る高さで $\tan$ を読む見方、$30^\circ$ の座標から折り返しだけで $150^\circ$ や $210^\circ$ を作る手順まで。