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加法定理は 6 つ、単位円の弦から証明するのは 1 つだけ

加法定理は 6 つあります。証明がいるのは の 1 つだけです。

残りの 5 つは、 に替え、 を挟み、最後に割り算をすれば導ける。

この 1 つを単位円上の 2 点の距離から示します。

単位円の弦を 2 通りに測る

単位円上に をとる。

2 点の距離は、この 2 つの座標から計算できる。

展開して、 どうし、 どうしをまとめる。

の 2 か所で を使いました。

図を だけ回す

をまとめて だけ回します。

の角は になり、 へ動く。 の角は になる。

移った先を と呼びます。

回しても 2 点の距離は変わらないため、 も座標から同じように計算できます。

同じ長さの 2 乗を 2 通りに書いたので、等号で結べる。

両辺から を引き、 で割ると

の大きさに条件をつけていません。座標と距離しか使っていないため、どんな角でも通る。

残りの 5 つを導く

に替えます。 で符号は変わらず、 で符号が変わる。

のほうは を挟む。

を入れると になる。

の 2 つは を計算し、分子と分母を で割れば求められる。

cos(α - β) を証明する

β を -β に替えて cos(α + β)

π/2 - θ の関係を挟んで sin の 2 つ

割り算で tan の 2 つ

証明 2:内積を使う

とします。大きさはどちらも

成分で計算すると 。定義で計算すると で、 だけが残ります。

2 つの計算は同じ内積を指しています。等号で結べば加法定理そのもの。

証明 3:面積を使う

鋭角に限れば、面積でも示せる。

頂点の角が の三角形をとり、その頂点から底辺へ垂線を下ろす。垂線の長さを とし、角が に分かれるようにとる。

2 辺と挟む角から面積を書きます。2 辺は

底辺と高さから書くと になる。どちらも同じ三角形の面積です。両辺を で割ります。

右辺を通分すると 。両辺に をかければ の加法定理です。

この図は、 も鋭角で和も 未満のときしか描けない。

弦と内積による証明

座標だけを使うので、角の大きさに条件がつかない。一般の角でそのまま通る

面積による証明

図がそのまま式になるが、鋭角のときしか描けない。ほかの角へ広げるには別の議論が必要

示したい式を途中で使わない

証明のなかで、示したい式そのものを使ってしまうことがあります。たとえば の 2 倍角を途中で使う形。

2 倍角は加法定理から導いた式だから、それを使って加法定理を示すと堂々巡りになる。

弦による証明で使う道具は、座標と だけです。もとをたどれば三平方の定理で、加法定理を経由しない。

内積による証明も同じように確かめます。 の根拠は余弦定理で、余弦定理は三平方の定理までさかのぼれる。

弦による証明で、 を展開したあとに使う関係はどれですか。

__RESULT__

展開すると が並びます。どちらも にまとまるので、使うのは相互関係のほうです。2 倍角は加法定理から導いた式です。ここで当てはめると、示したい式を先に使ったことになります。

だけ回すと、 へ動くのはどちらですか。

  • どちらも動かない
__RESULT__

角から を引くので、 の角が になります。 の角は に変わり、こちらが です。 を対応させると、そのあとの計算が合いません。

1 つの量を 2 通りに計算して、等号で結ぶ。弦でも内積でも面積でも、組み立ては変わりません。

$\cos(\alpha - \beta)$ さえ示せば、残りの 5 つは置きかえと割り算で作れます。$\beta$ を $-\beta$ に替え、$\sin\theta = \cos\left(\dfrac{\pi}{2}-\theta\right)$ を挟み、最後に割る。その 1 つは、単位円上の 2 点の距離を座標から計算し、図を $-\beta$ 回してもう一度計算すれば示せます。同じ長さを 2 通りに書いて等号で結ぶ、という組み立ては内積でも面積でも変わらない。面積による証明が鋭角にしか使えない理由と、2 倍角を途中で使うと堂々巡りになる話まで。