教育150077 views
高校国語790013 views
MathPython501700 views
中学英語813624 views
高校物理162509 views
LaTeX965557 views
小学理科721729 views
りんご220229 views
小学算数1203731 views
高校倫理1444503 views
Help
Tools

English

3 倍角の公式は導くほうが速い……sin3θ と cos3θ の計算

係数の と が入れ替わり、符号も逆になっています。覚えようとすると、まず混ざります。

導くほうが速い。 と割れば、2 倍角と加法定理だけで出ます[1]。

30 秒あれば復元できるので、覚える対象から外してかまいません。

導き方

から始めます。

を入れ、 は だけの形 を選びます。

で を消します。

。

も同じ手順です。 は だけの形 を選ぶ。

。

選ぶ形を間違えなければ、途中で と が混ざりません。

検算のしかた

出した式が正しいかは、 に値を入れれば分かります。

とします。左辺は 。

右辺は 。合いました。

のほうも で確かめます。左辺は 、右辺は 。

係数を入れ替えて としていたら、 でずれます。1 か所入れれば見つかる。

値を出す型

のとき を出します。 が何度かは要りません。

を満たす鋭角は で、。一致しました。

なら 。

この型では象限を調べる必要がありません。 だけ、 だけで書けているためです。

2 倍角では に両方が要りましたが、3 倍角は片方で済みます。

2 倍角

には と の両方が要る。象限から符号を決める手順が入る

3 倍角

は だけで書ける。値を入れるだけで終わる

3 次方程式に化ける型

を で解きます。

の範囲を先に伸ばします。 で、3 周ぶん。

が になるのは 1 周につき 2 回なので、3 周で 6 回です。

。

3 で割って の 6 つ。

公式を使わず、範囲を伸ばして解いたほうが速い場合です。公式に頼ると 3 次方程式になります。

を解くのは大変ですが、答えは同じ 6 つになります。

cos 20° が満たす式

を入れます。 なので 。

両辺を 2 倍して整理すると 。ここで です。

や を入れても になりません。分数の解を持たない 3 次方程式です。

は、根号を有限個組み合わせても書けないことが知られています。

や の値がきれいなのに が書けない。3 倍角の式が、その境目を作っています。

次数を下げる向き

を積分したいとき、3 倍角の式を逆に解きます。

3 次が 1 次式の和になりました。これならそのまま積めます。

のほうは符号がそろっていて、 に が付きます。

2 乗なら半角、3 乗なら 3 倍角。落とす次数で使う公式が変わります[2]。

の積分には もう 1 つの道 があります。

を 1 つ外して とし、 と置く方法です。答えの見た目は違いますが、差は定数になります。

まちがえやすい点

係数の と を入れ替える誤りが最も多い。 が 、 が です。

先頭の項も入れ替わります。 は 1 次が先、 は 3 次が先。

とする誤りも根強い。 で試すと と で違います。

方程式では、公式に直さず範囲を伸ばして解くほうが速い場合があります。両方を見比べてから選びます。

次数を下げる向きで分母の を落とす誤りもよく出ます。 から割ります。

のとき、 はどれですか。

__RESULT__

に入れます。 なので です。 の鋭角は で、 とも合います。

次数を下げる向きも確かめます。

を 1 次式の和に直すとどれですか。

__RESULT__

を について解きます。 なので、 で割って です。 を入れると左辺 、右辺 で合います。

に割る。それだけで 3 倍角は毎回作れます。覚える式ではありません。

出典

Double-Angle, Half-Angle, and Reduction Formulas. Algebra and Trigonometry 2e, OpenStax(2 倍角と、そこから重ねる形).
É. Bouchet. Trigonométrie, Cours de PCSI, Proposition 1.10(次数を下げる形と、その積分での使い道).
$\sin 3\theta = 3\sin\theta - 4\sin^3\theta$ と $\cos 3\theta = 4\cos^3\theta - 3\cos\theta$ は、$3$ と $4$ が入れ替わるうえ先頭の項も入れ替わります。覚えようとすると混ざる。$3\theta = 2\theta + \theta$ に割れば 30 秒で復元できます。$\theta = \dfrac{\pi}{2}$ を入れて $-1$ になるかを見る検算つき。$\cos 3\theta = \dfrac{1}{2}$ は公式より範囲を伸ばしたほうが速い理由、$8x^3 - 6x - 1 = 0$ が $\cos 20^\circ$ の満たす式になる話、$\sin^3\theta$ を 1 次式に落として積む手順まで。