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sinA = cosB はどう処理するか?型ごとの三角方程式

のように、同じ関数どうしが等しい方程式には近道があります。

角どうしの関係だけで書けます。 の値が等しくなるのは、角が等しいか、 から引いた関係にあるとき。

には別の形があり、 のように関数が違う場合はひと手間入ります。

4 つの型として整理しておくと、迷わずに済みます。

sin どうし

は、単位円で高さが同じ 2 点を探す問題です[1]

高さが同じになるのは、同じ点にいるか、 軸について対称な位置にいるかのどちらか。

前者が 、後者が です。

で解きます。

から 、範囲内では

から

範囲内では の 4 個。

合わせて 6 個です。和積で に直しても同じ 6 個になります[2]

cos どうしと tan どうし

は、横の座標が同じ 2 点です。 軸について対称の位置にあります。

ひとつで書けるのは、対称の相手が だからです。 のように 2 行に分ける必要がありません。

は、原点について対称の位置でも値が同じになります。

ではなく の周期が だからです[3]

または
に直してから の型へ

関数が違う場合

では、そのまま角の関係を書けません。まず関数をそろえます。

誘導公式を使います。 です[3]

これで となり、 どうしの型に乗りました。

に直しても同じ結果になります。どちらへそろえても答えは変わりません。

例:cos2θ = sinθ

で解きます。関数が違うので、まずそろえる。

と直して、

の型なので

プラスのほうは 。範囲内では

マイナスのほうは 、範囲内では

重なりを除いて 3 個です。

2 倍角で解いても確かめられます。 から

。同じ 3 個です。

どちらの道を選ぶか

同じ問題が 2 通りで解けるので、短いほうを選びます。

角の関係で書く道は、 のように中身の次数が高いときに強い。

2 倍角や和積で開く道は、 のように 2 倍角が使える形で強い。

見分けの目安があります。中身が の定数倍だけなら角の関係、係数が小さくて公式が当たるなら開く。

を和積で開くと になり、これはこれで解けます。好きなほうを選べます。

角の関係で書く

の形に落とす。中身の係数が大きくても手数が変わらない

公式で開く

和積や 2 倍角で積の形にする。因数分解として見通しがよく、値も出しやすい

一般解と範囲つきの解

範囲の指定がなければ、 を整数として一般解の形で答えます。

なら の 2 系統です。

範囲があるときは、 に整数を順に入れて拾います。

を入れると 4 個。 では で範囲を超えます。

刻み幅を見れば、範囲に何個入るかも先に読めます。刻みが なら に 4 個です。

一般解の 刻み幅 が分かれば、範囲内の個数は割り算で出ます。

が個数の目安。 なら 個です。

まちがえやすい点

の型で 2 行目を落とす誤りが最も多い。 のほうです。

の型を だけにする誤りも同じ原因です。 が要ります。

の型で と書く誤りもよく出ます。周期が なので

をそのまま角の関係にする形も見ます。まず関数をそろえます。

を代入する範囲を絞りすぎる誤りもあります。負の で範囲に入る解が出ることがあります。

で解いたとき、解はいくつありますか。

__RESULT__

です。プラスからは 、マイナスからは が出ます。重なりを除くと の 4 個です。

関数をそろえる型も確かめます。

を角の関係で解くとき、最初にすることはどれですか。

  • 両辺を で割る
  • 片方を誘導公式でもう一方の関数に直す
  • 両辺を 2 乗する
__RESULT__

が混ざったままでは角の関係を書けません。 と直せば どうしになり、 の型が使えます。2 乗すると余分な解が入るので、この場面では選びません。

対称の軸が 軸か 軸か原点か。3 つの型はそこから出て、関数が違えばそろえてから当てます。

参考

Solving Trigonometric Equations. Algebra and Trigonometry 2e, OpenStax(周期ぶんを足した一般解の書き方).
Sum-to-Product and Product-to-Sum Formulas. Algebra and Trigonometry 2e, OpenStax(和積で積に直す道).
É. Bouchet. Trigonométrie, Cours de PCSI, Proposition 1.4 と 1.5( の変換と の周期 ).
$\sin 3\theta = \sin\theta$ のように同じ関数どうしが等しい式には近道があります。角どうしの関係だけで書ける。$\sin$ が等しいのは $y$ 軸について対称の位置、$\cos$ は $x$ 軸、$\tan$ は原点。対称の軸が違うので、角の関係も 3 通りに分かれます。$\tan$ だけ $2n\pi$ ではなく $n\pi$ になるのは周期が $\pi$ だから。関数が違う $\sin A = \cos B$ では、$\cos B = \sin\left(\dfrac{\pi}{2}-B\right)$ とそろえてから型に乗せます。角の関係で解く道と和積で開く道の使い分けまで。