三角比の定義②(座標)

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直角三角形における三角比の定義においては\(90°\)である角以外の角、つまり鋭角について考えたので、角の大きさ\(θ\)とすると、 \(0°<θ<90°\)での範囲でしか三角比の値は与えられません。しかし、角度には\(150°\)や\(360°\)など,この範囲外のものもあるので直角三角形の定義を改めて、さまざまな角度に対応できるように定義し直します。定義し直す準備として、座標平面と半径\(r\) (\(r>0\))の円を用意します。

 

まず、座標平面上に原点\(O\)を中心とする半径\(r\)の半円を書き、この半円と\(x\)軸の正の部分との交点を\(A\)とします。まず、\(θ\)を鋭角としてこの半円の周上に\(\angle AOP=θ\)となる点\(P\)をとり、点\(P\)の座標を\((x,y)\)とします。このとき直角三角形の三角比の定義より次のことが成り立ちます。

\(\sinθ=\displaystyle\frac{y}{r}\), \(\cosθ=\displaystyle\frac{x}{r}\), \(\tanθ=\displaystyle\frac{y}{x}\)

三角比 定義2-1

 

これをそのまま他の角度についても当てはめてしまおうというのが新しい定義の内容です。\(0°≦θ≦180°\)において三角比を次のように定義します。先ほど考えた半円上に\(\angle AOP=θ\)となる点\(P(x,y)\)をとるとき

\(\sinθ=\displaystyle\frac{y}{r}\), \(\cosθ=\displaystyle\frac{x}{r}\), \(\tanθ=\displaystyle\frac{y}{x}\)

三角比 定義2-2

 

ただし、\(\tanθ\)については分母が\(0\)になる、\(θ=90°\)については定義しません。またこの定義は一般角(例えば \(300°\) や \(-30°\) や・・・)についての定義でもありますが、数Ⅰの範囲では \(0°≦θ≦180°\) だけ考えます。

 

直角三角形での定義では三角比の値は角の大きさのみで決まり、三角形の大きさは関係ありませんでしたが、この円と座標を使った定義でも三角形の大きさ、つまり円の半径によらず角\(θ\)のみで三角比の値が決まります。よって座標を利用した定義では、簡単にするため半径を\(1\)とした単位円を頻繁に用います。
先ほどの半径\(r\)の円を拡大して、半径を\(kr\) (\(k\)は正の数)とした半円を考え、
\(\angle AOP_1=θ\)となる点\(P_1(X,Y)\)をとるとき、図形の相似から\((X,Y)=(kx,ky)\)となる。よって\(\sinθ=\displaystyle\frac{ky}{kr}=\displaystyle\frac{y}{r}\), \(\cosθ=\displaystyle\frac{kx}{kr}=\displaystyle\frac{x}{r}\), \(\tanθ=\displaystyle\frac{ky}{kx}=\displaystyle\frac{y}{x}\)となり、半径を変化させても三角比の値は変わらない。
三角比 定義2-3

 

 

具体的に鋭角ではない三角比の値を求めてみましょう。

(例題1)
\(\sin120°,\cos120°,\tan120°\) を求めよ。

(解答)
単位円上に \(\angle AOP=120°\) となる点\(P\)をとり\(P\)の座標を求める。

\(P\)の座標は、\((-\displaystyle\frac{1}{2},\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2})\) となり、

\(\sin120°=\displaystyle\frac{y}{1}=\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\)

\(\cos120°=\displaystyle\frac{x}{1}=-\displaystyle\frac{1}{2}\)

\(\tan120°=\displaystyle\frac{y}{x}\)\(=\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}÷(-\displaystyle\frac{1}{2})=-\sqrt{3}\)
三角比 座標定義 例題

単位円を考えると、\(\sinθ\) の値は点\(P\)の \(y\) 座標、\(\cosθ\) の値は \(x\) 座標となります。

 

 

 

以上になります。お疲れ様でした。
ここまで見て頂きありがとうございました。

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