| 逆数の三角関数 | |
|---|---|
| 基本の相互関係 | |
| cos²θ で割る | |
| sin²θ で割る |
レッスン
理論 — sec・csc・cot と三角関数の相互関係
逆数の三角関数は sec θ = 1/cos θ, csc θ = 1/sin θ, cot θ = cos θ/sin θ で、それぞれ分母が 0 でないところで定義されます。三角関数の相互関係 sin²θ + cos²θ = 1, 1 + tan²θ = sec²θ, 1 + cot²θ = csc²θ は、両辺が定義されるすべての角で成り立ちます。
公式の導き方
- 円から始める。P = (cos θ, sin θ) はどの角でも O からの距離が 1 なので、どの象限でも cos²θ + sin²θ = 1 です。2 乗すると符号は消えます。だから、直角をはさむ辺が |cos θ| と |sin θ| の三角形からも同じ式が出てきます。
- cos²θ で、または sin²θ で割る。どちらの割り算も、新しい関数が定義されるところでちょうど許されます。
- 平方根をとり、それから符号を選ぶ。関係式から得られるのは未知数の 2 乗なので、決まるのは大きさです。符号は象限が決めます。
- 前提
- 各関係式は、そこに現れる関数が定義される場所でだけ成り立ちます。第二の式は 90° の奇数倍で、第三の式は 180° の倍数で成り立ちません。
全プロセスの詳細解説
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鈍角の正弦が与えられたとき 2 ステップ
sin θ = 3/5 で、θ は鈍角である。残りの五つの値を正確に求めよ。
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鈍角は第 II 象限にあり、そこでは余弦は負です。sin²θ + cos²θ = 1 より:
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残りの四つは商と逆数です:
解答
cos θ = −4/5, tan θ = −3/4, sec θ = −5/4, csc θ = 5/3, cot θ = −4/3
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正接から正割を求める 2 ステップ
tan θ = −12/5, 270° < θ < 360° のとき、sec θ, cos θ, sin θ を求めよ。
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第 IV 象限では余弦は正で、正割も正です。1 + tan²θ = sec²θ より:
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cos θ はその逆数で、sin θ = tan θ · cos θ です:
解答
sec θ = 13/5 = 2.6, cos θ = 5/13 ≈ 0.3846, sin θ = −12/13 ≈ −0.9231
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余接から余割を求める 2 ステップ
cot θ = 3/4, 180° < θ < 270° のとき、csc θ, sin θ, cos θ を求めよ。
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第 III 象限では正弦は負で、余割も負です。1 + cot²θ = csc²θ より:
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sin θ はその逆数で、cos θ = cot θ · sin θ です:
解答
csc θ = −5/4, sin θ = −4/5, cos θ = −3/5
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30° での正確な値 3 ステップ
sec 30°, csc 30°, cot 30° の正確な値を求めよ。
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1 辺が 2 の正三角形を半分にすると、辺は 1, √3, 2 なので
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逆数をとり、分母を有理化します:
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第二の関係式で確かめます:
解答
sec 30° = 2√3/3 ≈ 1.1547, csc 30° = 2, cot 30° = √3 ≈ 1.7321
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二つの関係式で簡単にする 2 ステップ
(1 − cos²θ)(1 + cot²θ) を簡単にせよ。
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どちらのかっこも、関係式の片側です。もう一方の側に置き換えます:
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そして csc θ = 1/sin θ より:
解答
1。ただし、cot θ が定義されない 180° の倍数の角は除く。
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因数分解した関係式による証明 3 ステップ
1/(sec θ − tan θ) = sec θ + tan θ を示し、θ = 60° で確かめよ。
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分子と分母に sec θ + tan θ を掛けます:
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1 + tan²θ = sec²θ より、分母は 1 です:
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60° では sec θ = 2, tan θ = √3:
解答
両辺が定義されるところでは常に等しい。60° ではどちらも 2 + √3 ≈ 3.7321。
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どの角もとらない値 2 ステップ
sec θ = 1/2 となる角をすべて求めよ。
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sec θ = 1/2 だとすると
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ところが cos θ は半径 1 の円周上の点の座標なので |cos θ| ≤ 1 であり、したがって
解答
そのような角はない。sec θ と csc θ が −1 より大きく 1 より小さい値をとることはない。このサンプルは 1/2 を受けつけず、θ を 60° のままにします。そこでは逆数の関係が逆向きで、cos θ = 1/2、sec θ = 2 です。
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媒介変数を消去する 2 ステップ
曲線が x = 3 sec t, y = 2 tan t で与えられている。この曲線の x, y の方程式を求めよ。
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二つの関数について解きます:
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これを sec²t − tan²t = 1 に代入します:
解答
x²/9 − y²/4 = 1、双曲線。|sec t| ≥ 1 なので、曲線上のすべての点で |x| ≥ 3。
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学習の道すじ
三角関数の恒等式と方程式
参考文献 (2)
- The reciprocal identities and the three Pythagorean identities, sin²θ + cos²θ = 1, 1 + tan²θ = sec²θ and 1 + cot²θ = csc²θ (OpenStax lists the last two in the other order): J. Abramson, Precalculus 2e, OpenStax (2021), section 7.1, “Simplifying and Verifying Trigonometric Identities”.
- Insight block 1: Fincke's Geometriae rotundi (1583) “introduces the terms ‘tangents’ and ‘secants’”: J. J. O'Connor and E. F. Robertson, “Thomas Fincke”, MacTutor History of Mathematics Archive, University of St Andrews (last updated January 2012).