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頑張れ!受験生! 数学の公式・定理集あります。物理のヒント集始めました。
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図形と計量|余弦定理について

余弦定理について 数学I

今回は「余弦定理」について学習しましょう。

「正弦定理」が正弦を使った定理だったので、「余弦定理」は余弦を使った定理になるのは想像できます。ただ、どんな条件で成り立つのかを問われると答えられない人が多いです。そうならないように図と一緒に定理を考えていきましょう。

なお、記事の画像が見辛いときはクリックすると拡大できます。

参考 図形と計量|三角比の定義について
参考 図形と計量|三角比の拡張について
参考 図形と計量|三角比の相互関係について その1
参考 図形と計量|三角比の相互関係について その2
参考 図形と計量|正弦定理について

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三角比の余弦を用いた定理

余弦定理とは、その名の通り、3つある三角比のうち余弦に関する定理です。図形に関わる定理なので、作図しながら定理を確認していきましょう。

余弦定理で扱う図形は三角形だけです。正弦定理では外接円が出てきましたが、余弦定理では三角形が1つだけなので条件に違いが付いていて覚えやすいと思います。

具体的には、三角形の3辺と、1つの内角(に対する余弦)との関係を式で表したのが余弦定理です。

この余弦定理を導出するとき、三角比の定義はもちろんですが、中学で学習した三平方の定理も利用します。式変形の力が付くので、定理の導出にぜひ挑戦してみて下さい。

三角形の中に直角三角形を作る

鋭角三角形を使って余弦定理を導出してみましょう。図のような鋭角三角形△ABCを使います。

鋭角三角形ABC

△ABCにおいて、
$\angle BAC = A \ , \ \angle ABC = B \ , \ \angle ACB = C$
$AB=c \ , \ BC=a \ , \ CA=b$
とする。

鋭角三角形では三角比の定義も三平方の定理も使えないので、自分で直角三角形を作ります。

直角を作るには頂点から垂線を下ろす

直角三角形を作るためには直角がなければならないので、たとえば頂点Cから対辺ABに垂線を下ろします。垂線と対辺ABに交点ができるので、それを点Hとします。ちなみに、この交点のことを垂線の足と言うこともあります。

直角三角形を作るには垂線を下ろす。できた交点は垂線の足と言う。

垂線を下ろして直角を作る

垂線CHによって、△ABCの中に、2つの直角三角形△ACH , △BCHができました。これで三角比の定義や三平方の定理を使うことができます。

△ACHの辺の長さを三角比を使って表す

直角三角形である△ACHについて、∠Aに対する正弦と余弦を考えてみましょう。

\begin{align*}
\sin A = \frac{CH}{AC} \\[ 5pt ]
\cos A = \frac{AH}{AC}
\end{align*}

これらを辺CH , AHについて変形します。

\begin{align*}
CH &= AC\sin A \\[ 5pt ]
\therefore \ CH &= b\sin A \\[ 5pt ]
AH &= AC\cos A \\[ 5pt ]
\therefore \ AH &= b\cos A
\end{align*}
直角三角形の底辺(または高さ)は、斜辺と余弦(または正弦)を使って表すことができる。

△BCHで成り立つ三平方の定理を使う

垂線を下ろして直角を作る

さて、次は△BCHに目を向けます。辺BHの長さは辺AHを利用すると求めることができます。

\begin{align*}
BH &= AB – AH \\[ 5pt ]
\therefore \ BH &= c – b\cos A
\end{align*}

△BCHは直角三角形なので、三平方の定理が成り立ちます。三平方の定理で得られた式に、求めた辺の長さを代入します。

\begin{align*}
{BC}^{2} &= {CH}^{2} + {BH}^{2} \\[ 5pt ]
{a}^{2} &= {\left( b\sin A \right)}^{2} + {\left( c – b\cos A \right)}^{2}
\end{align*}

式を展開して整理します。計算ミスに気を付けましょう。

\begin{align*}
&\vdots \\[ 5pt ]
{a}^{2} &= {b}^{2}\sin^{2}{A} + {c}^{2} -2bc\cos A + {b}^{2}\cos^{2}{A} \\[ 5pt ]
{a}^{2} &= {b}^{2}\left( \cos^{2}{A} + \sin^{2}{A} \right) + {c}^{2} -2bc\cos A \\[ 5pt ]
\cos^{2}{A} &+ \sin^{2}{A} = 1 \ \text{より} \\[ 5pt ]
\therefore \ {a}^{2} &= {b}^{2} + {c}^{2} -2bc\cos A
\end{align*}

これで△ABCの3辺と1つの内角(に対する余弦)との関係を表す式を導出できました。これが余弦定理です。これは他の内角∠B , ∠Cに対する余弦についても同じように成り立ちます。ですから1つの三角形に対して、余弦定理の式は3つあることになります。

余弦定理の式は3通り
\begin{align*}
{a}^{2} &= {b}^{2} + {c}^{2} -2bc\cos A \\[ 5pt ]
{b}^{2} &= {a}^{2} + {c}^{2} -2ac\cos B \\[ 5pt ]
{c}^{2} &= {a}^{2} + {b}^{2} -2ab\cos C
\end{align*}

導出の仕組みが分かったら、あとは覚えるだけです。アルファベットの対応関係に注目すれば覚えやすいでしょう。

鈍角三角形でも導出できるのか

鋭角三角形で導出しましたが、鈍角三角形でも同じ式を導出できるのかを確かめてみましょう。

鈍角三角形と余弦定理

∠Aが鈍角である△ABCを考えます。最初に与えられている条件は以下の通りです。

△ABCにおいて、
$\angle BAC = A \ , \ \angle ABC = B \ , \ \angle ACB = C$
$AB=c \ , \ BC=a \ , \ CA=b$
とする。

直角三角形を作るために、頂点Cから対辺ABに垂線を下ろします。このとき、頂点によっては対辺を延長する補助線を引く必要があります。

補助線を引いて垂線を下ろす

図のように頂点C垂線の足を点Hとすると、△ACH , △BCHが直角三角形になります。先ほど同じ流れで直角三角形の辺の長さを求めていきます。

△ACHの辺の長さを三角比を使って表す

直角三角形である△ACHについて、∠CAHに対する正弦と余弦を求めます。ここで注意したいのは、$\angle BAC = A \ , \ \angle CAH \neq A$であることです。

∠CAHに対する正弦と余弦を考えます。

\begin{align*}
\sin \angle CAH = \frac{CH}{AC} \\[ 5pt ]
\cos \angle CAH = \frac{AH}{AC}
\end{align*}

これらを辺CH , AHについて変形します。$\angle CAH = 180^{\circ} – A$ であることに注意します。

\begin{align*}
CH &= AC\sin \angle CAH \\[ 5pt ]
\therefore \ CH &= b\sin \left( 180^{\circ} – A \right) \\[ 10pt ]
AH &= AC\cos \angle CAH \\[ 5pt ]
\therefore \ AH &= b\cos \left( 180^{\circ} – A \right)
\end{align*}
三角比はどの角に対して求めているかに気を付けよう。

さらに、三角比の拡張を利用して変形しておきます。すると、∠Aに対する正弦や余弦を使った式が得られます。

\begin{align*}
&CH = b\sin \left( 180^{\circ} – A \right) \\[ 5pt ]
&\sin \left( 180^{\circ} – A \right) = \sin A \ \text{より} \\[ 5pt ]
\therefore \ &CH = b\sin A \\[ 10pt ]
&AH = b\cos \left( 180^{\circ} – A \right) \\[ 5pt ]
&\cos \left( 180^{\circ} – A \right) = -\cos A \ \text{より} \\[ 5pt ]
\therefore \ &AH = -b\cos A
\end{align*}
三角比の拡張を使うのは、ここではなく、最後の方で行うこともある。解説によって異なるが早いか遅いかの違いだけ。

△BCHで成り立つ三平方の定理を使う

補助線を引いて垂線を下ろす

さて、次は△BCHに目を向けます。辺BHの長さは辺AHを利用すると求めることができます。

\begin{align*}
BH &= AB + AH \\[ 5pt ]
BH &= c + \left( -b\cos A \right) \\[ 5pt ]
\therefore \ BH &= c – b\cos A
\end{align*}

辺AH , CHの長さは鋭角三角形のときと同じ式で表されることが分かりました。ですから△BCHについて三平方の定理を利用すると同じ結果になるはずです。

したがって、導出の最後を省略しましたが、鈍角三角形でも鋭角三角形と同じように、3辺と1つの内角(に対する余弦)の関係を表す式を導出することができます。

余弦定理の使い方

余弦定理も正弦定理と同じように、与えられる条件によって使えるときとそうでないときがあります。余弦定理で用いられる数量をしっかりと把握しておけば、問題で与えられた条件と照らし合わせて判断することができます。

△ABCの3辺と1つの内角の関係を表す余弦定理
\begin{align*}
{a}^{2} &= {b}^{2} + {c}^{2} -2bc\cos A \\[ 5pt ]
{b}^{2} &= {a}^{2} + {c}^{2} -2ac\cos B \\[ 5pt ]
{c}^{2} &= {a}^{2} + {b}^{2} -2ab\cos C
\end{align*}

余弦定理の式を観察すると、3辺の長さと、1つの内角に対する余弦の4つの数量が用いられています。ですからこれら4つのうち3つの数量が与えられていれば、余弦定理を使って方程式を作ることができます。

余弦定理を使える条件

余弦定理を変形して使おう

辺の長さを求めるときは、導出した式のどれかを使いますが、余弦または角の大きさを求めるとき、そのままだと使い勝手が悪いです。ですから、余弦定理の式を余弦について変形した形で用いることもあります。

余弦または角の大きさを求めるとき
余弦定理の式を余弦について変形すると、
\begin{align*}
\cos A = \frac{{b}^{2} + {c}^{2} – {a}^{2}}{2bc} \\[ 10pt ]
\cos B = \frac{{a}^{2} + {c}^{2} – {b}^{2}}{2ac} \\[ 10pt ]
\cos C = \frac{{a}^{2} + {b}^{2} – {c}^{2}}{2ab}
\end{align*}

共通点や相違点を見つけて効率よく覚えよう

公式や定理の式は、試験中に毎回導出するのは面倒なので、やはり覚えておく必要があります。そのためには、共通点や相違点などの特徴を掴むと覚えやすくなります。自分なりに工夫することが大切です。

余弦定理では、両端の文字は対角と対辺の関係になっています。その間に、残りの2辺の文字があります。

余弦定理を覚えるときのコツ

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図形の問題は、気付けないと全くと言って良いほど手も足も出なくなります。気付けるかどうかはやはり日頃から作図したり、図形を色んな角度から眺めたりすることだと思います。

そのためにもやはり演習量は大切です。はじめのうちは何事も質よりも量の方を意識してこなす方が良いと思います。全体を一度通ってから質を考えると効率が良いでしょう。

演習をこなすとなると、単元別になった教材を使って集中的にこなすと良いでしょう。網羅型でも良いですが、苦手意識のある単元であれば、単元別に特化した教材の方が良いかもしれません。

そこで紹介するのが『数学I 高速トレーニング 三角比編 (東進ブックス 大学受験 高速マスター)』です。

三角比に苦手意識のある人にとって、躓きやすいところを解説してあるので良い教材だと思います。基礎の定着に向いた教材でしょう。これで自信がついたらチャートなどのもう少し難易度の高い問題を扱った教材に取り組むと良いでしょう。

さいごに、もう一度、頭の中を整理しよう

  • 余弦定理は、三角形の3辺と1つの内角(に対する余弦)との関係を表す。
  • 余弦定理は、三角比の定義や三平方の定理を利用して導出される。
  • 余弦定理の式は、1つの三角形で3つ得られる。
  • 3辺と1つの内角の4つの数量のうち3つの数量が分かっていれば、余弦定理を使って方程式を作れる。
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ちょっとど忘れしたときの公式・定理集

数学で覚えるべき公式や定理は、一覧で眺めてみるとそれほど多くはありません。大切なことは覚えることではなく、「公式や定理をどのように使うか」です。

公式・定理集で確認しつつ、演習で積極的に使っていきましょう。

日々是鍛錬 ひびこれたんれん
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