$\sin \theta + \cos \theta = \frac{1}{2}$ ($ \frac{\pi}{2} \le \theta \le \pi $) のとき、$\sin 2\theta$, $\cos \theta - \sin \theta$, $\cos 2\theta$, $\tan 2\theta$, $\sin(\theta + \frac{3}{4}\pi)$ の値を求める問題です。

代数学三角関数加法定理三角関数の合成二次方程式三角関数の値
2025/7/31

1. 問題の内容

sinθ+cosθ=12\sin \theta + \cos \theta = \frac{1}{2} (π2θπ \frac{\pi}{2} \le \theta \le \pi ) のとき、sin2θ\sin 2\theta, cosθsinθ\cos \theta - \sin \theta, cos2θ\cos 2\theta, tan2θ\tan 2\theta, sin(θ+34π)\sin(\theta + \frac{3}{4}\pi) の値を求める問題です。

2. 解き方の手順

(1) sinθ+cosθ=12\sin \theta + \cos \theta = \frac{1}{2} の両辺を2乗します。
(sinθ+cosθ)2=(12)2(\sin \theta + \cos \theta)^2 = (\frac{1}{2})^2
sin2θ+2sinθcosθ+cos2θ=14\sin^2 \theta + 2 \sin \theta \cos \theta + \cos^2 \theta = \frac{1}{4}
1+2sinθcosθ=141 + 2 \sin \theta \cos \theta = \frac{1}{4}
2sinθcosθ=sin2θ=141=342 \sin \theta \cos \theta = \sin 2\theta = \frac{1}{4} - 1 = -\frac{3}{4}
よって、sin2θ=34\sin 2\theta = -\frac{3}{4}
(2) sinθ+cosθ=12\sin \theta + \cos \theta = \frac{1}{2} より、cosθ=12sinθ\cos \theta = \frac{1}{2} - \sin \theta となります。これを sin2θ+cos2θ=1\sin^2 \theta + \cos^2 \theta = 1 に代入します。
sin2θ+(12sinθ)2=1\sin^2 \theta + (\frac{1}{2} - \sin \theta)^2 = 1
sin2θ+14sinθ+sin2θ=1\sin^2 \theta + \frac{1}{4} - \sin \theta + \sin^2 \theta = 1
2sin2θsinθ34=02 \sin^2 \theta - \sin \theta - \frac{3}{4} = 0
8sin2θ4sinθ3=08 \sin^2 \theta - 4 \sin \theta - 3 = 0
sinθ=4±164(8)(3)16=4±16+9616=4±11216=4±4716=1±74\sin \theta = \frac{4 \pm \sqrt{16 - 4(8)(-3)}}{16} = \frac{4 \pm \sqrt{16 + 96}}{16} = \frac{4 \pm \sqrt{112}}{16} = \frac{4 \pm 4\sqrt{7}}{16} = \frac{1 \pm \sqrt{7}}{4}
π2θπ\frac{\pi}{2} \le \theta \le \pi なので、sinθ>0\sin \theta > 0 です。
よって、sinθ=1+74\sin \theta = \frac{1 + \sqrt{7}}{4}
cosθ=12sinθ=121+74=2174=174\cos \theta = \frac{1}{2} - \sin \theta = \frac{1}{2} - \frac{1 + \sqrt{7}}{4} = \frac{2 - 1 - \sqrt{7}}{4} = \frac{1 - \sqrt{7}}{4}
cosθsinθ=1741+74=17174=274=72\cos \theta - \sin \theta = \frac{1 - \sqrt{7}}{4} - \frac{1 + \sqrt{7}}{4} = \frac{1 - \sqrt{7} - 1 - \sqrt{7}}{4} = \frac{-2\sqrt{7}}{4} = -\frac{\sqrt{7}}{2}
(3) cos2θ=12sin2θ=12(1+74)2=12(1+27+716)=18+278=1(1+74)=74\cos 2\theta = 1 - 2\sin^2 \theta = 1 - 2 (\frac{1 + \sqrt{7}}{4})^2 = 1 - 2(\frac{1 + 2\sqrt{7} + 7}{16}) = 1 - \frac{8 + 2\sqrt{7}}{8} = 1 - (1 + \frac{\sqrt{7}}{4}) = -\frac{\sqrt{7}}{4}
(4) tan2θ=sin2θcos2θ=3474=37=377\tan 2\theta = \frac{\sin 2\theta}{\cos 2\theta} = \frac{-\frac{3}{4}}{-\frac{\sqrt{7}}{4}} = \frac{3}{\sqrt{7}} = \frac{3\sqrt{7}}{7}
(5) sin(θ+34π)=sinθcos34π+cosθsin34π=sinθ(22)+cosθ(22)=22(cosθsinθ)=22(72)=144\sin(\theta + \frac{3}{4}\pi) = \sin \theta \cos \frac{3}{4}\pi + \cos \theta \sin \frac{3}{4}\pi = \sin \theta (-\frac{\sqrt{2}}{2}) + \cos \theta (\frac{\sqrt{2}}{2}) = \frac{\sqrt{2}}{2}(\cos \theta - \sin \theta) = \frac{\sqrt{2}}{2}(-\frac{\sqrt{7}}{2}) = -\frac{\sqrt{14}}{4}

3. 最終的な答え

sin2θ=34\sin 2\theta = -\frac{3}{4}
cosθsinθ=72\cos \theta - \sin \theta = -\frac{\sqrt{7}}{2}
cos2θ=74\cos 2\theta = -\frac{\sqrt{7}}{4}
tan2θ=377\tan 2\theta = \frac{3\sqrt{7}}{7}
sin(θ+34π)=144\sin(\theta + \frac{3}{4}\pi) = -\frac{\sqrt{14}}{4}

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