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和を積に直すと因数分解できる(和積の公式と三角方程式)

といった足し算の式は積の形にすると解きやすくなります。

積が になるのは、 または のとき。和積公式は、三角関数の式を因数分解する道具ともいえますね。

平均と差の半分

次の 4 つを和積の公式といいます。

右辺に並ぶ角は の 2 つだけです。平均と、差の半分。

この 2 つは加法定理からたどれます。 の左辺の角を と呼ぶと、 の連立になり、解くと になります[3]

足し算の では平均のほうに がつき、引き算にすると がいれかわる。 の引き算だけ、先頭に がつきます。

どれがどれだったか怪しくなったら、 を入れてみます。引き算の 2 つは左辺が になり、差の半分も なので、 が差の半分についている式だけが で消える。消えたのが引き算の 2 つなら、位置は合っています。

平均は真ん中に立ちます。そこから までの距離が差の半分にあたる。

例:

平均は 、差の半分は

加法定理を使っても同じ値になります。 なので、足すと が打ち消し合って が残る。

加法定理は 2 つの角を別々に展開してから足す道具で、和積は足し算の形のまま 1 度で書きかえる。

例:

の引き算なので先頭が 。平均と差の半分は前の例と同じです。

に、 に等しいので、引くと今度は のほうが消えます。順を逆にした なら符号が変わり、 になる。

例:

平均は 、差の半分は で、 の足し算なので両方に がつく。

積が なので に分かれます。ここで見落としやすいのが、前者の角が ではなく になっている点。

から まで動くあいだ、 から まで動きます。範囲が 2 倍に伸びるぶん、拾う解も 2 倍になる。 に対応する は、 の 4 つです。

からは の 2 つ。重なりがないので、合わせて 6 つになる。

同じ式を和の形と積の形で描くと、解の位置の読みやすさが変わります。

同じ手順は、ほかの式でも変わりません。

足し算のままでは因数分解できない

和積で積に直す

それぞれを と置く

置きかえた角の範囲を伸ばして解を拾う

引き算の式では、重なりが起きることもある。

の解はいくつありますか。

__RESULT__

の引き算なので になります。 からは に対応して の 4 個、 からは の 2 個です。後者は前者にすべて含まれるので、答えは 4 個になります。

例: の符号

になる場所だけでなく、符号も同じ手で読めます。平均は 、差の半分は

2 つの の符号を別々に調べ、かけ合わせれば全体の符号が決まります[3]

例: なら は積になる

前の 2 項に和積を当てると になります。 なので となり、 に変わる。

残る は 2 倍角で です。同じ関係から なので、こちらも を持つ。

全体を でくくると、残るのは 。これにもう一度和積を当てると になる。

正三角形で確かめます。 なら左辺は 、右辺は で一致する。

和積を 2 回使うのが、三角形の恒等式 を示すときの定番です。

1 回目で 2 項をまとめ、 を差しこみ、2 回目で残りをくくる。

対数がなかった時代の計算法

この 4 つは、逆向きに読むこともできます。 のように、積を和に落とす形。

対数がまだなかった 16 世紀の天文計算では、こちらの向きが本命でした。名前もプロスタファイレシスといい、ギリシャ語の足し算と引き算をつないだ語になっている。

手順を追ってみます。 を計算したいとき、まず余弦の表から を見つける。

角を足した と、引いた の余弦は 。平均をとると で、これが求める積になる[1]。使ったのは表引きと足し引きで、かけ算は一度もありません。

最初の式を書いたのは Johannes Werner で、1510 年ごろとされます[1]。ただし出版はされず、人づてに広まる。1580 年にウラニボルグを訪ねた Paul Wittich が、Tycho Brahe にこの計算法を教えました[2]

誰の発明かは当時から争いになります。Brahe も自分の役割を主張しました。後世が選んだのは、最初に印刷した Ursus のほう[2]

この計算法の使い手だった Napier と Bürgi が、のちに対数を作ります。求められていたのは、かけ算を足し算に変える方法。三角関数の表がその最初の答えになりました。

記事で使ったのは、その裏返しの向き。積を和にすれば計算の道具になり、和を積にすれば方程式を解く道具になります。

参考

Brian Borchers. *Prosthaphaeresis*. New Mexico Institute of Mining and Technology.
Adam Mosley. *Tycho Brahe and Mathematical Techniques*. Starry Messenger, Department of History and Philosophy of Science, University of Cambridge, 1999.
É. Bouchet. *Trigonométrie*. Cours de PCSI.
$\sin 3\theta + \sin\theta = 0$ は足し算のままでは因数分解できませんが、$2\sin 2\theta\cos\theta$ に直せば積が $0$ になる条件を分けて解けます。公式に出てくる角が平均と差の半分になるのは、$a+b = A$ と $a-b = B$ を解いた結果。引き算では $\sin$ と $\cos$ がいれかわり、$\cos$ の引き算だけ先頭に $-2$ がつく。どれがどれだったか怪しくなったら $A = B$ を入れると、消えるべき 2 本で位置を確かめられます。$\cos 3\theta + \cos\theta = 0$ の解が 6 個になる数え方、和積を 2 回使って示す三角形の恒等式、そして対数がなかった時代の天文計算で、この 4 つが逆向きに使われていた話まで。