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sin の 2 乗と積が混ざった式は 1 次に落としてから合成する

の最大値は 、最小値は です。

2 乗と積が混ざっていて、そのままでは手が出ません。まず 1 次に落とします。

使うのは 3 本だけ。 です[1]

入れ替えると角が にそろい、次数が 1 になります。あとは合成して終わり。

3 本を当てる

一般形は です。すべての項が 2 次になっています。

3 本を代入します。

先頭の は定数です。動くのは後ろの 2 項だけ。

が 1 次で混ざっているので、合成が使えます[2]

振幅は 。値の動く範囲は、定数を中心にこの幅で上下します。

公式として覚えるより、毎回 3 本を代入するほうが確実です。

例:冒頭の式

です。

定数は の係数は の係数は

合成します。振幅は 。点 の角は です。

の値は から なので、 から まで。

最小の が実際にとれるかを確かめます。 から

もとの式に入れると 。合いました。

周期が半分になる

もとの式は で書かれていますが、直した式は で書かれています。

つまり周期が です。 ではありません。

の範囲なら、山と谷が 2 回ずつ現れます。最大最小をとる も 2 個ずつ。

で最小になるなら、 を足した でも最小です。

答えを聞かれたら、範囲内のものを全部並べます。1 つで止めると足りません。

もとの形

の 2 次式。周期は一見 に見える

直した形

の 1 次式。周期は で、最大最小が 2 回ずつ来る

定数が付いていたら先に 2 次へそろえる

のように、すべての項が 2 次なら手順どおりです。

の係数は の係数は

最大 、最小 です。

では のように定数項が混じったら。

と書き直します[3]。これで全部が 2 次になりました。

となり、 で同じ手順に乗ります。

定数を に化けさせるのは、次数をそろえるため です。

すべての項が 2 次になれば、3 本の公式が一斉に効きます。1 次の項が混じっている場合は、この手が使えません。

1 次の項が混じる場合

のように 2 次と 1 次が混ざると、話が変わります。

角をそろえられません。 に、 のまま。

こういう形では、 と置いて 2 次関数として扱います。

見分けは簡単です。全部が 2 次なら角をそろえる、次数が混ざるなら文字を置きかえる。

が入っていると置きかえがうまくいかないので、そのときは 2 次にそろえる道を選びます。

例:範囲が付く場合

で考えます。

。定数は です。

の係数は の係数は

範囲を動かします。 から

この区間に が入っているので、最大は のときです。

最小は端の値を比べます。

小さいのは前者なので、最小は のときです。

まちがえやすい点

とするところで、 を掛けてしまう誤りが多い。割ります。

の係数を とする符号の逆転もよく起きます。 側にマイナスが付くので です。

を入れて確かめられます。もとの式は 、直した式は 。合います。

周期が になることを見落とす誤りもあります。最大最小をとる が 2 個ずつ出ます。

1 次の項が混ざっているのに 2 次へそろえようとする形も見ます。次数を先に確かめます。

の最大値はどれですか。

__RESULT__

定数は の係数は の係数は です。 なので最大は になります。 が消えるのは のときで、合成すら要りません。

範囲が付く形も確かめます。

が最大になる は、 にいくつありますか。

__RESULT__

中身の範囲は で、幅が です。 になるのは 1 周につき 1 回なので、2 周ぶんで 2 個になります。周期が である、と読んでも同じ結論です。

3 本を代入して にそろえ、合成する。2 次同次の形は、この手順から外れません。

参考文献

Double-Angle, Half-Angle, and Reduction Formulas. Algebra and Trigonometry 2e, OpenStax(次数を下げる 3 本).
Harmonic Addition Theorem. MathWorld(合成の振幅 ).
É. Bouchet. Trigonométrie, Cours de PCSI, Prérequis().
$3\sin^2\theta + 2\sqrt{3}\sin\theta\cos\theta + \cos^2\theta$ は、そのままでは最大最小が読めません。使うのは $\sin^2\theta = \dfrac{1-\cos 2\theta}{2}$ など 3 本だけ。代入すると角が $2\theta$ にそろって次数が 1 になり、あとは合成するだけです。答えは $2 + 2\sin\left(2\theta - \dfrac{\pi}{6}\right)$ で、最大 $4$、最小 $0$。直した式は $2\theta$ で書かれているので周期が $\pi$ になり、最大最小をとる角が 2 個ずつ出ます。定数項を $\sin^2 + \cos^2$ に化けさせて次数をそろえる手まで。