与えられた三角関数の式を $r\sin(\theta + \alpha)$ の形に変形し、$r$ と $\alpha$ の値を求める問題です。ただし、$r>0$、$ -\pi \leqq \alpha \leqq \pi$ とします。$\alpha$ の値を求めることが困難な場合は、$\alpha$が満たすべき条件を記します。

解析学三角関数三角関数の合成
2025/7/21
はい、承知しました。画像にある三角関数の合成の問題を解きます。

1. 問題の内容

与えられた三角関数の式を rsin(θ+α)r\sin(\theta + \alpha) の形に変形し、rrα\alpha の値を求める問題です。ただし、r>0r>0παπ -\pi \leqq \alpha \leqq \pi とします。α\alpha の値を求めることが困難な場合は、α\alphaが満たすべき条件を記します。

2. 解き方の手順

三角関数の合成の公式を利用します。一般に、asinθ+bcosθ=rsin(θ+α)a\sin\theta + b\cos\theta = r\sin(\theta + \alpha) と表せます。ここで、r=a2+b2r = \sqrt{a^2 + b^2} であり、cosα=ar\cos\alpha = \frac{a}{r}sinα=br\sin\alpha = \frac{b}{r} となります。
(1) sinθ+cosθ\sin\theta + \cos\theta
a=1a = 1, b=1b = 1 より、r=12+12=2r = \sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt{2}
cosα=12\cos\alpha = \frac{1}{\sqrt{2}}, sinα=12\sin\alpha = \frac{1}{\sqrt{2}} なので、α=π4\alpha = \frac{\pi}{4}
答え: 2sin(θ+π4)\sqrt{2}\sin(\theta + \frac{\pi}{4})
(2) sinθcosθ\sin\theta - \cos\theta
a=1a = 1, b=1b = -1 より、r=12+(1)2=2r = \sqrt{1^2 + (-1)^2} = \sqrt{2}
cosα=12\cos\alpha = \frac{1}{\sqrt{2}}, sinα=12\sin\alpha = \frac{-1}{\sqrt{2}} なので、α=π4\alpha = -\frac{\pi}{4}
答え: 2sin(θπ4)\sqrt{2}\sin(\theta - \frac{\pi}{4})
(3) 3sinθcosθ\sqrt{3}\sin\theta - \cos\theta
a=3a = \sqrt{3}, b=1b = -1 より、r=(3)2+(1)2=3+1=2r = \sqrt{(\sqrt{3})^2 + (-1)^2} = \sqrt{3+1} = 2
cosα=32\cos\alpha = \frac{\sqrt{3}}{2}, sinα=12\sin\alpha = \frac{-1}{2} なので、α=π6\alpha = -\frac{\pi}{6}
答え: 2sin(θπ6)2\sin(\theta - \frac{\pi}{6})
(4) 3sinθ+cosθ-\sqrt{3}\sin\theta + \cos\theta
a=3a = -\sqrt{3}, b=1b = 1 より、r=(3)2+12=3+1=2r = \sqrt{(-\sqrt{3})^2 + 1^2} = \sqrt{3+1} = 2
cosα=32\cos\alpha = \frac{-\sqrt{3}}{2}, sinα=12\sin\alpha = \frac{1}{2} なので、α=5π6\alpha = \frac{5\pi}{6}
答え: 2sin(θ+5π6)2\sin(\theta + \frac{5\pi}{6})
(5) sinθ+3cosθ\sin\theta + \sqrt{3}\cos\theta
a=1a = 1, b=3b = \sqrt{3} より、r=12+(3)2=1+3=2r = \sqrt{1^2 + (\sqrt{3})^2} = \sqrt{1+3} = 2
cosα=12\cos\alpha = \frac{1}{2}, sinα=32\sin\alpha = \frac{\sqrt{3}}{2} なので、α=π3\alpha = \frac{\pi}{3}
答え: 2sin(θ+π3)2\sin(\theta + \frac{\pi}{3})
(6) sinθ+3cosθ-\sin\theta + \sqrt{3}\cos\theta
a=1a = -1, b=3b = \sqrt{3} より、r=(1)2+(3)2=1+3=2r = \sqrt{(-1)^2 + (\sqrt{3})^2} = \sqrt{1+3} = 2
cosα=12\cos\alpha = \frac{-1}{2}, sinα=32\sin\alpha = \frac{\sqrt{3}}{2} なので、α=2π3\alpha = \frac{2\pi}{3}
答え: 2sin(θ+2π3)2\sin(\theta + \frac{2\pi}{3})
(7) 2sinθ+2cosθ2\sin\theta + 2\cos\theta
a=2a = 2, b=2b = 2 より、r=22+22=8=22r = \sqrt{2^2 + 2^2} = \sqrt{8} = 2\sqrt{2}
cosα=222=12\cos\alpha = \frac{2}{2\sqrt{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}}, sinα=222=12\sin\alpha = \frac{2}{2\sqrt{2}} = \frac{1}{\sqrt{2}} なので、α=π4\alpha = \frac{\pi}{4}
答え: 22sin(θ+π4)2\sqrt{2}\sin(\theta + \frac{\pi}{4})
(8) 6sinθ+2cosθ\sqrt{6}\sin\theta + \sqrt{2}\cos\theta
a=6a = \sqrt{6}, b=2b = \sqrt{2} より、r=(6)2+(2)2=6+2=8=22r = \sqrt{(\sqrt{6})^2 + (\sqrt{2})^2} = \sqrt{6+2} = \sqrt{8} = 2\sqrt{2}
cosα=622=32\cos\alpha = \frac{\sqrt{6}}{2\sqrt{2}} = \frac{\sqrt{3}}{2}, sinα=222=12\sin\alpha = \frac{\sqrt{2}}{2\sqrt{2}} = \frac{1}{2} なので、α=π6\alpha = \frac{\pi}{6}
答え: 22sin(θ+π6)2\sqrt{2}\sin(\theta + \frac{\pi}{6})
(9) 3sinθ3cosθ\sqrt{3}\sin\theta - 3\cos\theta
a=3a = \sqrt{3}, b=3b = -3 より、r=(3)2+(3)2=3+9=12=23r = \sqrt{(\sqrt{3})^2 + (-3)^2} = \sqrt{3+9} = \sqrt{12} = 2\sqrt{3}
cosα=323=12\cos\alpha = \frac{\sqrt{3}}{2\sqrt{3}} = \frac{1}{2}, sinα=323=32\sin\alpha = \frac{-3}{2\sqrt{3}} = -\frac{\sqrt{3}}{2} なので、α=π3\alpha = -\frac{\pi}{3}
答え: 23sin(θπ3)2\sqrt{3}\sin(\theta - \frac{\pi}{3})
(10) 2sinθ3cosθ2\sin\theta - 3\cos\theta
a=2a = 2, b=3b = -3 より、r=22+(3)2=4+9=13r = \sqrt{2^2 + (-3)^2} = \sqrt{4+9} = \sqrt{13}
cosα=213\cos\alpha = \frac{2}{\sqrt{13}}, sinα=313\sin\alpha = \frac{-3}{\sqrt{13}} なので、α=arctan(32)\alpha = \arctan(-\frac{3}{2}) となり、具体的な角度を求めるのは難しい。π2<α<0-\frac{\pi}{2} < \alpha < 0
答え: 13sin(θ+α)\sqrt{13}\sin(\theta + \alpha), where cosα=213\cos \alpha = \frac{2}{\sqrt{13}} and sinα=313\sin \alpha = -\frac{3}{\sqrt{13}}, or π2<α<0-\frac{\pi}{2} < \alpha < 0
(11) 5sinθ+12cosθ5\sin\theta + 12\cos\theta
a=5a = 5, b=12b = 12 より、r=52+122=25+144=169=13r = \sqrt{5^2 + 12^2} = \sqrt{25 + 144} = \sqrt{169} = 13
cosα=513\cos\alpha = \frac{5}{13}, sinα=1213\sin\alpha = \frac{12}{13} なので、α=arctan(125)\alpha = \arctan(\frac{12}{5}) となり、具体的な角度を求めるのは難しい。0<α<π20 < \alpha < \frac{\pi}{2}
答え: 13sin(θ+α)13\sin(\theta + \alpha), where cosα=513\cos \alpha = \frac{5}{13} and sinα=1213\sin \alpha = \frac{12}{13}, or 0<α<π20 < \alpha < \frac{\pi}{2}
(12) 2sinθ+cosθ\sqrt{2}\sin\theta + \cos\theta
a=2a = \sqrt{2}, b=1b = 1 より、r=(2)2+12=2+1=3r = \sqrt{(\sqrt{2})^2 + 1^2} = \sqrt{2+1} = \sqrt{3}
cosα=23\cos\alpha = \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}}, sinα=13\sin\alpha = \frac{1}{\sqrt{3}} なので、α=arctan(12)\alpha = \arctan(\frac{1}{\sqrt{2}}) となり、具体的な角度を求めるのは難しい。0<α<π20 < \alpha < \frac{\pi}{2}
答え: 3sin(θ+α)\sqrt{3}\sin(\theta + \alpha), where cosα=23\cos \alpha = \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}} and sinα=13\sin \alpha = \frac{1}{\sqrt{3}}, or 0<α<π20 < \alpha < \frac{\pi}{2}
(13) 12sinθ32cosθ\frac{1}{2}\sin\theta - \frac{\sqrt{3}}{2}\cos\theta
a=12a = \frac{1}{2}, b=32b = -\frac{\sqrt{3}}{2} より、r=(12)2+(32)2=14+34=1=1r = \sqrt{(\frac{1}{2})^2 + (-\frac{\sqrt{3}}{2})^2} = \sqrt{\frac{1}{4} + \frac{3}{4}} = \sqrt{1} = 1
cosα=12\cos\alpha = \frac{1}{2}, sinα=32\sin\alpha = -\frac{\sqrt{3}}{2} なので、α=π3\alpha = -\frac{\pi}{3}
答え: sin(θπ3)\sin(\theta - \frac{\pi}{3})
(14) 12sinθ+12cosθ\frac{1}{\sqrt{2}}\sin\theta + \frac{1}{\sqrt{2}}\cos\theta
a=12a = \frac{1}{\sqrt{2}}, b=12b = \frac{1}{\sqrt{2}} より、r=(12)2+(12)2=12+12=1=1r = \sqrt{(\frac{1}{\sqrt{2}})^2 + (\frac{1}{\sqrt{2}})^2} = \sqrt{\frac{1}{2} + \frac{1}{2}} = \sqrt{1} = 1
cosα=12\cos\alpha = \frac{1}{\sqrt{2}}, sinα=12\sin\alpha = \frac{1}{\sqrt{2}} なので、α=π4\alpha = \frac{\pi}{4}
答え: sin(θ+π4)\sin(\theta + \frac{\pi}{4})

3. 最終的な答え

(1) 2sin(θ+π4)\sqrt{2}\sin(\theta + \frac{\pi}{4})
(2) 2sin(θπ4)\sqrt{2}\sin(\theta - \frac{\pi}{4})
(3) 2sin(θπ6)2\sin(\theta - \frac{\pi}{6})
(4) 2sin(θ+5π6)2\sin(\theta + \frac{5\pi}{6})
(5) 2sin(θ+π3)2\sin(\theta + \frac{\pi}{3})
(6) 2sin(θ+2π3)2\sin(\theta + \frac{2\pi}{3})
(7) 22sin(θ+π4)2\sqrt{2}\sin(\theta + \frac{\pi}{4})
(8) 22sin(θ+π6)2\sqrt{2}\sin(\theta + \frac{\pi}{6})
(9) 23sin(θπ3)2\sqrt{3}\sin(\theta - \frac{\pi}{3})
(10) 13sin(θ+α)\sqrt{13}\sin(\theta + \alpha), where cosα=213\cos \alpha = \frac{2}{\sqrt{13}} and sinα=313\sin \alpha = -\frac{3}{\sqrt{13}}, or π2<α<0-\frac{\pi}{2} < \alpha < 0
(11) 13sin(θ+α)13\sin(\theta + \alpha), where cosα=513\cos \alpha = \frac{5}{13} and sinα=1213\sin \alpha = \frac{12}{13}, or 0<α<π20 < \alpha < \frac{\pi}{2}
(12) 3sin(θ+α)\sqrt{3}\sin(\theta + \alpha), where cosα=23\cos \alpha = \frac{\sqrt{2}}{\sqrt{3}} and sinα=13\sin \alpha = \frac{1}{\sqrt{3}}, or 0<α<π20 < \alpha < \frac{\pi}{2}
(13) sin(θπ3)\sin(\theta - \frac{\pi}{3})
(14) sin(θ+π4)\sin(\theta + \frac{\pi}{4})

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