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三角比の拡張

直角三角形の定義では、\(\theta\) は \(0^\circ\) より大きく \(90^\circ\) より小さい角に限られます。鈍角の三角比を考えるには、定義を作り直す必要があります。

1. 座標を使った定義

原点 \(\mathrm{O}\) を中心とする半径 \(r\) の円をかき、\(x\) 軸の正の向きから角 \(\theta\) だけ回った位置にある円周上の点を \(\mathrm{P}(x,y)\) とします。

座標による三角比の定義

\[\sin\theta=\frac{y}{r},\qquad \cos\theta=\frac{x}{r},\qquad \tan\theta=\frac{y}{x}\]

\(r\) は半径なので常に正ですが、\(x\) と \(y\) は負にもなります。ここが直角三角形の定義との大きな違いです。

直角三角形の定義と矛盾しない

\(\theta\) が鋭角のとき、\(\mathrm{P}\) は第1象限にあります。このとき \(y\) が対辺、\(x\) が隣辺、\(r\) が斜辺にあたるので、前と同じ値になります。定義を広げただけで、元の意味は保たれています。

2. 半径1の円(単位円)で考える

\(r=1\) にすると式が簡単になります。

\[\sin\theta=y,\qquad \cos\theta=x\]

つまり単位円上の点は

\[\mathrm{P}(\cos\theta,\ \sin\theta)\]

と書けます。cos が \(x\) 座標、sin が \(y\) 座標です。

点Pを動かして符号の変化を見る

3. 鈍角の三角比

\(90^\circ<\theta<180^\circ\) のとき、\(\mathrm{P}\) は第2象限にあります。

  • \(x<0\) なので \(\cos\theta<0\)
  • \(y>0\) なので \(\sin\theta>0\)
  • \(\tan\theta=\dfrac{y}{x}<0\)

「第2象限だから」で覚えない

符号は暗記するものではなく、座標を見れば分かるものです。\(x\) 座標が左側(マイナス)にあるから \(\cos\) が負、と考えれば忘れません。

120°を求めてみる

\(\theta=120^\circ\) のとき、点 \(\mathrm{P}\) は \(60^\circ\) の点を \(y\) 軸について折り返した位置にあります。

\(60^\circ\) の点は \(\left(\dfrac12,\ \dfrac{\sqrt3}{2}\right)\) なので、\(120^\circ\) の点は \(\left(-\dfrac12,\ \dfrac{\sqrt3}{2}\right)\)。したがって、

\[\sin120^\circ=\frac{\sqrt3}{2},\qquad \cos120^\circ=-\frac12,\qquad \tan120^\circ=-\sqrt3\]

4. 0°、90°、180° の三角比

三角形が作れない角でも、座標の定義なら値が決まります。

\(\theta\) 点 \(\mathrm{P}\) の座標 \(\sin\theta\) \(\cos\theta\) \(\tan\theta\)
\(0^\circ\) \((1,0)\) \(0\) \(1\) \(0\)
\(90^\circ\) \((0,1)\) \(1\) \(0\) 定義されない
\(180^\circ\) \((-1,0)\) \(0\) \(-1\) \(0\)

90°で tan が定義されない理由

\(\tan\theta=\dfrac{y}{x}\) で、\(90^\circ\) のときは \(x=0\)。0で割ることはできないので、値が決まりません。

5. 0°〜180° の三角比の表

\(\theta\) \(0^\circ\) \(30^\circ\) \(45^\circ\) \(60^\circ\) \(90^\circ\) \(120^\circ\) \(135^\circ\) \(150^\circ\) \(180^\circ\)
\(\sin\theta\) \(0\) \(\frac12\) \(\frac{1}{\sqrt2}\) \(\frac{\sqrt3}{2}\) \(1\) \(\frac{\sqrt3}{2}\) \(\frac{1}{\sqrt2}\) \(\frac12\) \(0\)
\(\cos\theta\) \(1\) \(\frac{\sqrt3}{2}\) \(\frac{1}{\sqrt2}\) \(\frac12\) \(0\) \(-\frac12\) \(-\frac{1}{\sqrt2}\) \(-\frac{\sqrt3}{2}\) \(-1\)
\(\tan\theta\) \(0\) \(\frac{1}{\sqrt3}\) \(1\) \(\sqrt3\) — \(-\sqrt3\) \(-1\) \(-\frac{1}{\sqrt3}\) \(0\)

\(\sin\) の行を見ると、\(90^\circ\) を境に左右対称になっています。\(\cos\) は符号が反転しています。この規則が次の変換公式につながります。

6. 例題

例題1

\(\sin150^\circ,\cos150^\circ,\tan150^\circ\) を求めなさい。

解説

\(150^\circ\) の点は、\(30^\circ\) の点を \(y\) 軸について折り返した位置にあります。

\(30^\circ\) の点は \(\left(\dfrac{\sqrt3}{2},\ \dfrac12\right)\) なので、\(150^\circ\) の点は \(\left(-\dfrac{\sqrt3}{2},\ \dfrac12\right)\)。

\[\sin150^\circ=\frac12,\qquad \cos150^\circ=-\frac{\sqrt3}{2},\qquad \tan150^\circ=-\frac{1}{\sqrt3}\]

例題2

\(\sin135^\circ,\cos135^\circ,\tan135^\circ\) を求めなさい。

解説

\(45^\circ\) の点 \(\left(\dfrac{1}{\sqrt2},\ \dfrac{1}{\sqrt2}\right)\) を折り返して、\(\left(-\dfrac{1}{\sqrt2},\ \dfrac{1}{\sqrt2}\right)\)。

\[\sin135^\circ=\frac{1}{\sqrt2},\qquad \cos135^\circ=-\frac{1}{\sqrt2},\qquad \tan135^\circ=-1\]

例題3

\(0^\circ\leqq\theta\leqq180^\circ\) で \(\cos\theta=-\dfrac12\) となる \(\theta\) を求めなさい。

解説

\(\cos\theta\) が \(x\) 座標なので、\(x=-\dfrac12\) となる点を探します。

\(\cos60^\circ=\dfrac12\) なので、その折り返しである \(120^\circ\) が答えです。

\[\theta=120^\circ\]

練習問題

  1. \(\sin120^\circ\) と \(\cos120^\circ\) を求めなさい。
  2. \(\tan135^\circ\) を求めなさい。
  3. \(0^\circ\leqq\theta\leqq180^\circ\) で \(\sin\theta=\dfrac{1}{2}\) となる \(\theta\) をすべて求めなさい。
  4. \(0^\circ\leqq\theta\leqq180^\circ\) で \(\cos\theta=-\dfrac{\sqrt3}{2}\) となる \(\theta\) を求めなさい。
  5. \(\theta=90^\circ\) のとき \(\tan\theta\) が定義されないのはなぜですか。
  6. \(\cos\theta<0\) となるのは、\(\theta\) がどんな範囲のときですか。
答えと解説

1. \(60^\circ\) の点 \(\left(\dfrac12,\dfrac{\sqrt3}{2}\right)\) を折り返して \(\left(-\dfrac12,\dfrac{\sqrt3}{2}\right)\)。

\[\sin120^\circ=\frac{\sqrt3}{2},\qquad \cos120^\circ=-\frac12\]

2. \(135^\circ\) の点は \(\left(-\dfrac{1}{\sqrt2},\dfrac{1}{\sqrt2}\right)\) なので、

\[\tan135^\circ=\frac{1/\sqrt2}{-1/\sqrt2}=-1\]

3. \(y\) 座標が \(\dfrac12\) になる点は2つあります。

\[\theta=30^\circ,\ 150^\circ\]

\(\sin\) は \(90^\circ\) を境に対称なので、答えが2つになることに注意しましょう。

4. \(x\) 座標が \(-\dfrac{\sqrt3}{2}\) になるのは \(150^\circ\) のときだけです。

\[\theta=150^\circ\]

\(\cos\) は \(0^\circ\) から \(180^\circ\) まで減り続けるので、答えは1つです。

5. \(\tan\theta=\dfrac{y}{x}\) で、\(90^\circ\) のときは \(x=0\) となり、0で割ることになるため。

6. \(x\) 座標が負になるのは第2象限なので、

\[90^\circ<\theta\leqq180^\circ\]

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  • 変換公式 — 90°−θ、180°−θ で角を置きかえる