§A2.2一般角と弧度法、三角関数の定義

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一般角とは、回転の量として測った角のことで、実数θ∈R\theta\in\mathbb{R}を用いて表し、360∘360^\circを超えた角や負の角(逆回転)まで許したものです。 三角比は直角三角形の鋭角に限られていましたが、ここで角の概念を回転へ拡張し、三角関数をあらゆる角に対して定義し直します。

1 弧度法:角を「長さ」で測る

弧度法とは、半径11の円で、角に対応する弧の長さをそのまま角の大きさとする測り方です。 単位はラジアン。半径11の円の全周は2π2\piなので、

360∘=2π ラジアン,180∘=π,90∘=π2360^\circ = 2\pi \ \text{ラジアン}, \qquad 180^\circ = \pi, \qquad 90^\circ = \frac{\pi}{2}

弧度法を使うと、弧の長さ=rθ= r\theta、扇形の面積=12r2θ= \tfrac12 r^2\thetaのように式が簡潔になり、さらに微分((sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)' = \cos xなど)がきれいに成り立ちます。以降、角は原則ラジアンで測ります。

2 単位円による定義

原点中心・半径11の円(単位円)上で、xx軸の正の向きから角θ\thetaだけ回転した点の座標を(cos⁡θ, sin⁡θ)(\cos\theta,\ \sin\theta)と定める。 そしてtan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ\tan\theta = \dfrac{\sin\theta}{\cos\theta}。これが三角関数の定義です。tan⁡θ\tan\thetaは分母cos⁡θ=0\cos\theta=0となる角、すなわちθ=π2+nπ\theta = \dfrac{\pi}{2}+n\pi(n∈Zn\in\mathbb{Z}、度数法では90∘+180∘ ⁣⋅n90^\circ + 180^\circ\!\cdot n)では定義されません。sin⁡,cos⁡\sin,\cosはすべての角で定義されますが、tan⁡\tanだけはこの定義域の穴に注意します。

この定義なら、θ\thetaが90∘90^\circを超えても、負でも、一周を超えても、点さえ決まれば値が決まります。下の図でθ\thetaを動かしてください。点のyy座標がsin⁡θ\sin\theta、xx座標がcos⁡θ\cos\thetaです。

図の横軸・縦軸はそれぞれ座標の値であり、表示範囲は図に示した範囲に限られます。図からは点の位置や符号を観察できますが、周期やtan⁡\tanの定義域などの等式・条件は定義と計算で確認します。表示範囲の外にも同じ定義が続いており、図に描かれていない角を解から除外してはいけません。

3 符号と周期

点が第何象限にあるかで、cos⁡θ,sin⁡θ\cos\theta, \sin\thetaの符号が決まります。また一周2π2\pi回ると同じ点に戻るので、sin⁡(θ+2π)=sin⁡θ\sin(\theta + 2\pi) = \sin\thetaのように周期2π2\pi を持ちます(tan⁡\tanの周期はπ\pi)。

閑話休題:360 と2π2\piの使い分け なぜ1周を360∘360^\circとするのかについては、古代の60進法や天文上の慣行と結び付けて説明されることが多いものの、ここでは起源を一つの理由に断定しません。360 は多くの整数で割り切れるため、角を分割して扱うときに便利な単位です。

一方、ラジアンは円の弧長から直接定まる単位です。そのため、(sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)' = \cos xというきれいな式は、角をラジアンで測ったときにだけ成り立ちます。度で測ると(sin⁡x∘)′=π180cos⁡x∘(\sin x^\circ)' = \frac{\pi}{180}\cos x^\circと係数が付きます。小さい角でsin⁡x≈x\sin x\approx xと書けることや、微分公式が簡潔になることは、弧度法の数学的な利点です。物理現象への応用には、それぞれ別途のモデルと仮定が必要です。

例題

条件と何を求めるかを確認してから、式と答えの対応を見比べてください。

次の角を指定された単位に変換せよ。

解法の型180∘=π180^\circ = \pi ラジアン

  1. 次の角をラジアンで表せ。

    60∘60^{\circ}
  2. 次の角をラジアンで表せ。

    300∘300^{\circ}
  3. 次の角を度で表せ。

    π\pi
  4. 次の角を度で表せ。

    11π6\dfrac{11\pi}{6}
  5. 次の角を度で表せ。

    7π6\dfrac{7\pi}{6}
  6. 次の角を度で表せ。

    3π4\dfrac{3\pi}{4}
  7. 次の角を度で表せ。

    4π3\dfrac{4\pi}{3}
  8. 次の角を度で表せ。

    3π2\dfrac{3\pi}{2}
  9. 次の角をラジアンで表せ。

    315∘315^{\circ}
  10. 次の角を度で表せ。

    2π3\dfrac{2\pi}{3}

演習

問題を解いてから「解答・解説」を開けます。

次の角を指定された単位に変換せよ。

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