$\tan a = 3$、$\sin \beta = \frac{1}{4}$のとき、$\cos(a+\beta)$, $\sin(a+\beta)$, $\tan(a+\beta)$の値を求めよ。

幾何学三角関数加法定理三角比
2025/7/8

1. 問題の内容

tana=3\tan a = 3sinβ=14\sin \beta = \frac{1}{4}のとき、cos(a+β)\cos(a+\beta), sin(a+β)\sin(a+\beta), tan(a+β)\tan(a+\beta)の値を求めよ。

2. 解き方の手順

まず、tana=3\tan a = 3からcosa\cos asina\sin aの値を求める。1+tan2a=1cos2a1 + \tan^2 a = \frac{1}{\cos^2 a}より、cos2a=11+tan2a=11+32=110\cos^2 a = \frac{1}{1 + \tan^2 a} = \frac{1}{1+3^2} = \frac{1}{10}となる。したがって、cosa=±110\cos a = \pm \frac{1}{\sqrt{10}}
sina=tanacosa=3cosa=±310\sin a = \tan a \cos a = 3 \cos a = \pm \frac{3}{\sqrt{10}}.
次に、sinβ=14\sin \beta = \frac{1}{4}からcosβ\cos \betaの値を求める。sin2β+cos2β=1\sin^2 \beta + \cos^2 \beta = 1より、cos2β=1sin2β=1(14)2=1116=1516\cos^2 \beta = 1 - \sin^2 \beta = 1 - (\frac{1}{4})^2 = 1 - \frac{1}{16} = \frac{15}{16}。したがって、cosβ=±154\cos \beta = \pm \frac{\sqrt{15}}{4}.
cos(a+β)=cosacosβsinasinβ=(±110)(±154)(±310)(14)=±154103410=±153410=±63542\cos(a+\beta) = \cos a \cos \beta - \sin a \sin \beta = (\pm \frac{1}{\sqrt{10}})(\pm \frac{\sqrt{15}}{4}) - (\pm \frac{3}{\sqrt{10}})(\frac{1}{4}) = \pm \frac{\sqrt{15}}{4\sqrt{10}} \mp \frac{3}{4\sqrt{10}} = \frac{\pm \sqrt{15} \mp 3}{4\sqrt{10}} = \frac{\pm \sqrt{6} \mp \frac{3}{\sqrt{5}}}{4\sqrt{2}}
sin(a+β)=sinacosβ+cosasinβ=(±310)(±154)+(±110)(14)=±315410±1410=±315±1410\sin(a+\beta) = \sin a \cos \beta + \cos a \sin \beta = (\pm \frac{3}{\sqrt{10}})(\pm \frac{\sqrt{15}}{4}) + (\pm \frac{1}{\sqrt{10}})(\frac{1}{4}) = \pm \frac{3\sqrt{15}}{4\sqrt{10}} \pm \frac{1}{4\sqrt{10}} = \frac{\pm 3\sqrt{15} \pm 1}{4\sqrt{10}}
tan(a+β)=tana+tanβ1tanatanβ\tan(a+\beta) = \frac{\tan a + \tan \beta}{1 - \tan a \tan \beta}.
tanβ=sinβcosβ=14±154=±115=±1515\tan \beta = \frac{\sin \beta}{\cos \beta} = \frac{\frac{1}{4}}{\pm \frac{\sqrt{15}}{4}} = \pm \frac{1}{\sqrt{15}} = \pm \frac{\sqrt{15}}{15}.
したがって、tan(a+β)=3±151513(±1515)=3±15151155=45±15155515=45±153(515)=(45±15)(5±15)3(2515)=225±4515+515±1530=240±501530=24±5153\tan(a+\beta) = \frac{3 \pm \frac{\sqrt{15}}{15}}{1 - 3(\pm \frac{\sqrt{15}}{15})} = \frac{3 \pm \frac{\sqrt{15}}{15}}{1 \mp \frac{\sqrt{15}}{5}} = \frac{45 \pm \sqrt{15}}{15} \cdot \frac{5}{5 \mp \sqrt{15}} = \frac{45 \pm \sqrt{15}}{3(5 \mp \sqrt{15})} = \frac{(45 \pm \sqrt{15})(5 \pm \sqrt{15})}{3(25-15)} = \frac{225 \pm 45\sqrt{15} + 5\sqrt{15} \pm 15}{30} = \frac{240 \pm 50\sqrt{15}}{30} = \frac{24 \pm 5\sqrt{15}}{3}.
特に条件がないので、cosa,cosβ\cos a, \cos \betaの正負の組み合わせで複数の答えが出る。ここでは、aaβ\betaがともに鋭角であると仮定する。つまり、cosa=110\cos a = \frac{1}{\sqrt{10}}, cosβ=154\cos \beta = \frac{\sqrt{15}}{4}.
cos(a+β)=154103410=153410=63542\cos(a+\beta) = \frac{\sqrt{15}}{4\sqrt{10}} - \frac{3}{4\sqrt{10}} = \frac{\sqrt{15}-3}{4\sqrt{10}} = \frac{\sqrt{6}-\frac{3}{\sqrt{5}}}{4\sqrt{2}}
sin(a+β)=315410+1410=315+1410\sin(a+\beta) = \frac{3\sqrt{15}}{4\sqrt{10}} + \frac{1}{4\sqrt{10}} = \frac{3\sqrt{15}+1}{4\sqrt{10}}
tan(a+β)=245153\tan(a+\beta) = \frac{24-5\sqrt{15}}{3}

3. 最終的な答え

cos(a+β)=153410\cos(a+\beta) = \frac{\sqrt{15}-3}{4\sqrt{10}}
sin(a+β)=315+1410\sin(a+\beta) = \frac{3\sqrt{15}+1}{4\sqrt{10}}
tan(a+β)=245153\tan(a+\beta) = \frac{24-5\sqrt{15}}{3}

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