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単位円と直線の交点で解く - 三角方程式の図形的な見方

を解くのに、計算はほとんど要りません。

、 と置きます。点 は単位円の上にあります[1]。

不等式は 、つまり直線 より上側という意味です。

単位円のうち直線の上にある弧を読めば、 と出ます。

式を変形して解く道とは別に、こういう見方があります。 と が混ざる問題ほど効きます。

座標に置き換える

単位円上の点は でした。 が から まで動くと、点は円周を 1 周します。

だから と の式は、円周上の点の座標についての式に読み替えられます。

なら、 という直線です。

方程式なら「円と直線が交わるか」、不等式なら「円のどちら側の弧か」という問いになります。

角の話が、位置の話に変わりました。図が描ければ、そこから先は目で読めます。

解を持つ条件が距離で読める

が解を持つ の範囲を求めます。

直線 が単位円と共有点を持つ条件です。原点からの距離が 以下であればよい。

です。合成すると振幅が なので、同じ答えになります[2]。

図の道と式の道が一致するのは偶然ではありません。合成の振幅 と、点と直線の距離の分母が同じ形だからです。

距離がちょうど のとき、直線は接します。解は 1 個。距離が 未満なら交点は 2 個です。

例:不等式の弧を読む

を で解きます。

なので、直線 の上側です。

この直線は点 と を通ります。どちらも単位円の上にある点です。

つまり直線は円を と で切っています。

上側にあるのは、その 2 点にはさまれた短いほうの弧。答えは です。

計算では合成して範囲を動かす手順が要りますが、図なら交点が有名角なので一目で決まります。

sin θ を y、cos θ を x と置く

式を直線や領域として描く

単位円のどの弧が条件を満たすか読む

弧の両端の角を答える

例:直線 y = x で切る

冒頭の に戻ります。直線 の上側です。

は単位円を と で切ります。

角でいえば と 。この 2 点が境目です。

上側の弧は から まで。左回りに進む側です。

答えは 。等号がないので両端は含みません。

合成で解いても同じです。 から、中身が と のあいだ。

点の動く範囲として読む

視点を変えると、別の問題も解けます。

が から まで動くとき、点 はどこを動くか。

単位円の第 1 象限の部分、四分の一の弧です。 の範囲が弧の範囲に対応します。

これを使うと、 の最大値も図で出せます。

の直線を平行に動かし、四分の一の弧に触れる位置を探す。 が大きいほど直線は右上へ動きます。

弧の上で が最大になる点を探せば、それが答えです。合成で解くのと同じ結論に着きます。

の範囲が限られると、点は 弧の一部 しか動けません。

最大最小の位置が弧の端に来ることがあり、そのときは接点ではなく端点が答えになります。合成で範囲を動かす手順と同じことです。

2 つの角が出てくる問題

のように角が 2 つあると、点も 2 つになります。

と が、それぞれ独立に円周を動く。

このとき の最大は 、 の最大も で、別々に決められます。和の最大は 。

角が 1 つのときとは違います。 なら点が 1 つなので、最大は でした。

同じ点か違う点か。図で見ると、この差がはっきりします。

まちがえやすい点

と を逆に置く誤りが最も多い。、 です。

が横、 が縦。 を と読むと、答えの弧が反対側になります。

不等号の向きと弧の側もとりちがえやすい。試しに を入れて確かめます。

なので、 は答えに入ります。上側で合っています。

範囲が でないときに、弧をそのまま答える誤りもあります。範囲外の弧は切り落とします。

で の解はどれですか。

  • と
__RESULT__

なので直線 の下側です。境目は と で、下側の弧は をまたぎます。範囲が から なので、2 つに分けて書くことになります。

存在条件も確かめます。

が解を持つ の範囲はどれですか。

__RESULT__

直線 が単位円と共有点を持つ条件は です。 になります。合成すると振幅が で、同じ答えです。 は をそのまま足した値です。

を 、 を に置きかえる。それだけで、方程式は直線に、不等式は半平面に変わります。

参考文献

É. Bouchet. Trigonométrie, Cours de PCSI, Définition 1.2 と 1.3(単位円上の点の座標と、そこで方程式を読む例).
Harmonic Addition Theorem. MathWorld(合成の振幅 ).
$\sin\theta > \cos\theta$ は、$x = \cos\theta$、$y = \sin\theta$ と置けば $y > x$、つまり直線の上側という意味になります。円周のうち上にある弧を読むだけで $\dfrac{\pi}{4} < \theta < \dfrac{5}{4}\pi$ が出る。方程式は直線、不等式は半平面に変わります。$\cos\theta + 2\sin\theta = k$ が解を持つ条件は、直線と原点の距離が $1$ 以下という条件そのもの。合成の振幅 $\sqrt{a^2+b^2}$ と距離の分母が同じ形なので、式の道と図の道は必ず一致します。角が 2 つある場合の違いまで。