与えられた三角関数の式を、$\sin \theta$ と $\cos \theta$ を用いて分解(展開)し、式を完成させる問題です。具体的には、以下の式を完成させます。 $\sqrt{2} \sin(\theta + \frac{\pi}{4}) = \frac{◻ \sin \theta + ◻ \cos \theta}{◻}$ $\frac{4}{3} \sin(\theta + \frac{3\pi}{4}) + \frac{1}{\sqrt{2}} \cos(\theta + \frac{\pi}{4}) = \frac{◻ \sin \theta + ◻ \cos \theta}{◻}$

解析学三角関数加法定理三角関数の合成三角関数の展開
2025/6/16

1. 問題の内容

与えられた三角関数の式を、sinθ\sin \thetacosθ\cos \theta を用いて分解(展開)し、式を完成させる問題です。具体的には、以下の式を完成させます。
2sin(θ+π4)=sinθ+cosθ\sqrt{2} \sin(\theta + \frac{\pi}{4}) = \frac{◻ \sin \theta + ◻ \cos \theta}{◻}
43sin(θ+3π4)+12cos(θ+π4)=sinθ+cosθ\frac{4}{3} \sin(\theta + \frac{3\pi}{4}) + \frac{1}{\sqrt{2}} \cos(\theta + \frac{\pi}{4}) = \frac{◻ \sin \theta + ◻ \cos \theta}{◻}

2. 解き方の手順

(1) 2sin(θ+π4)\sqrt{2} \sin(\theta + \frac{\pi}{4}) を加法定理を用いて展開します。
sin(θ+π4)=sinθcosπ4+cosθsinπ4\sin(\theta + \frac{\pi}{4}) = \sin \theta \cos \frac{\pi}{4} + \cos \theta \sin \frac{\pi}{4}
cosπ4=sinπ4=12\cos \frac{\pi}{4} = \sin \frac{\pi}{4} = \frac{1}{\sqrt{2}} なので、
sin(θ+π4)=12sinθ+12cosθ\sin(\theta + \frac{\pi}{4}) = \frac{1}{\sqrt{2}} \sin \theta + \frac{1}{\sqrt{2}} \cos \theta
よって、2sin(θ+π4)=2(12sinθ+12cosθ)=sinθ+cosθ\sqrt{2} \sin(\theta + \frac{\pi}{4}) = \sqrt{2} (\frac{1}{\sqrt{2}} \sin \theta + \frac{1}{\sqrt{2}} \cos \theta) = \sin \theta + \cos \theta
したがって、2sin(θ+π4)=2sinθ+2cosθ2=sinθ+cosθ\sqrt{2} \sin(\theta + \frac{\pi}{4}) = \frac{\sqrt{2} \sin \theta + \sqrt{2} \cos \theta}{\sqrt{2}} = \sin \theta + \cos \theta
(2) sin(θ+3π4)\sin(\theta + \frac{3\pi}{4})cos(θ+π4)\cos(\theta + \frac{\pi}{4}) を加法定理を用いて展開します。
sin(θ+3π4)=sinθcos3π4+cosθsin3π4\sin(\theta + \frac{3\pi}{4}) = \sin \theta \cos \frac{3\pi}{4} + \cos \theta \sin \frac{3\pi}{4}
cos(θ+π4)=cosθcosπ4sinθsinπ4\cos(\theta + \frac{\pi}{4}) = \cos \theta \cos \frac{\pi}{4} - \sin \theta \sin \frac{\pi}{4}
cos3π4=12,sin3π4=12,cosπ4=sinπ4=12\cos \frac{3\pi}{4} = - \frac{1}{\sqrt{2}}, \sin \frac{3\pi}{4} = \frac{1}{\sqrt{2}}, \cos \frac{\pi}{4} = \sin \frac{\pi}{4} = \frac{1}{\sqrt{2}} なので、
sin(θ+3π4)=12sinθ+12cosθ\sin(\theta + \frac{3\pi}{4}) = - \frac{1}{\sqrt{2}} \sin \theta + \frac{1}{\sqrt{2}} \cos \theta
cos(θ+π4)=12cosθ12sinθ\cos(\theta + \frac{\pi}{4}) = \frac{1}{\sqrt{2}} \cos \theta - \frac{1}{\sqrt{2}} \sin \theta
したがって、
43sin(θ+3π4)+12cos(θ+π4)=43(12sinθ+12cosθ)+12(12cosθ12sinθ)\frac{4}{3} \sin(\theta + \frac{3\pi}{4}) + \frac{1}{\sqrt{2}} \cos(\theta + \frac{\pi}{4}) = \frac{4}{3} (- \frac{1}{\sqrt{2}} \sin \theta + \frac{1}{\sqrt{2}} \cos \theta) + \frac{1}{\sqrt{2}} (\frac{1}{\sqrt{2}} \cos \theta - \frac{1}{\sqrt{2}} \sin \theta)
=432sinθ+432cosθ+12cosθ12sinθ= - \frac{4}{3\sqrt{2}} \sin \theta + \frac{4}{3\sqrt{2}} \cos \theta + \frac{1}{2} \cos \theta - \frac{1}{2} \sin \theta
=(43212)sinθ+(432+12)cosθ= (-\frac{4}{3\sqrt{2}} - \frac{1}{2}) \sin \theta + (\frac{4}{3\sqrt{2}} + \frac{1}{2}) \cos \theta
=(42636)sinθ+(426+36)cosθ= (-\frac{4\sqrt{2}}{6} - \frac{3}{6}) \sin \theta + (\frac{4\sqrt{2}}{6} + \frac{3}{6}) \cos \theta
=(423)sinθ+(42+3)cosθ6= \frac{(-4\sqrt{2} - 3) \sin \theta + (4\sqrt{2} + 3) \cos \theta}{6}
=(423)sinθ+(42+3)cosθ6= \frac{(-4\sqrt{2} - 3) \sin \theta + (4\sqrt{2} + 3) \cos \theta}{6}

3. 最終的な答え

2sin(θ+π4)=sinθ+cosθ\sqrt{2} \sin(\theta + \frac{\pi}{4}) = \sin \theta + \cos \theta
43sin(θ+3π4)+12cos(θ+π4)=(423)sinθ+(42+3)cosθ6\frac{4}{3} \sin(\theta + \frac{3\pi}{4}) + \frac{1}{\sqrt{2}} \cos(\theta + \frac{\pi}{4}) = \frac{(-4\sqrt{2} - 3) \sin \theta + (4\sqrt{2} + 3) \cos \theta}{6}

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