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炉けーのブログ
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【高校物理】三角関数練習問題2:公式など【高校数学】【三角関数】【練習問題】

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こちらは、これまで解説してきた三角関数の練習問題となります。
なるべく、物理で用いるような内容にしましたので、解いてみてください。

三角関数に関する記事は、こちらも参考にしてください。

三角関数の定義と関係式

三角関数のグラフ

三角関数の公式

練習問題1(定義とグラフ)

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目次

1-1.三角方程式/問題

\(\mathbf{[問題1-1]}\)
\(0\le\theta\le2\pi\)の範囲で、\(3\sin(2\theta+\frac{\pi}{2})=0\)となる\(\theta\)を求めよ。

1-2.三角方程式/解答

\(\mathbf{[問題1-1]の解答}\)
問題の式を変形(両辺3で割る)して、

\(\displaystyle{\begin{eqnarray}&&3\sin(2\theta+\frac{\pi}{2})=0\\\Leftrightarrow&&\sin(2\theta+\frac{\pi}{2})=0\end{eqnarray}}\)

ここで、\(\displaystyle{2\theta+\frac{\pi}{2}=t}\)とおくと、

\(\sin{t}=0\)


このときの\(t\)の範囲は、\(\theta\)の範囲\(0\le\theta\le2\pi\)から

\(\displaystyle{\begin{eqnarray}0\le\theta\le2\pi&\Leftrightarrow&0\le2\theta\le4\pi\\\\&\Leftrightarrow&\frac{\pi}{2}\le2\theta+\frac{\pi}{2}\le\frac{9}{2}\pi\\\\&\Leftrightarrow&\frac{\pi}{2}\le{t}\le\frac{9}{2}\pi\end{eqnarray}}\)

この\(t\)の範囲で\(\sin{t}=0\)となる\(t\)の値は、

\(\displaystyle{t=\pi, 2\pi, 3\pi, 4\pi}\)

となります。
(例えば、\(t=\pi\)のとき\({\sin}t=\sin\pi=0\)となる)



よって、\(t=\pi\)のとき

\(\displaystyle{\begin{eqnarray}t=\pi&\Leftrightarrow&2\theta+\frac{\pi}{2}=\pi\\\\&\Leftrightarrow&\theta=\frac{\pi}{4}\end{eqnarray}}\)



同様にして、

\(\displaystyle{t=2\pi\Leftrightarrow\theta=\frac{3}{4}\pi}\)



\(\displaystyle{t=3\pi\Leftrightarrow\theta=\frac{5}{4}\pi}\)



\(\displaystyle{t=4\pi\Leftrightarrow\theta=\frac{7}{4}\pi}\)



以上から、解答は

\(\displaystyle{\underline{\theta=\frac{\pi}{4}, \frac{3}{4}\pi, \frac{5}{4}\pi, \frac{7}{4}\pi}}\)

となります。

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2-1.和→積の公式/問題

\(\mathbf{[問題2-1]}\)
\(y_{A}=K\sin(\theta-\alpha)\), \(y_{B}=-K\sin(\theta+\alpha)\)とする。
\(y_{A}+y_{B}\)を積の形で表せ。

2-2.和→積の公式/解答

\(\mathbf{[問題2-1]の解答}\)
和から積への変換公式を用います。(自分で導ける方が良い)
\(y_{A}\)も\(y_{B}\)も\(\sin\)の式なので、\(\sin\)の加法定理は、

\(\sin(\alpha+\beta)=\sin\alpha\cos\beta+\cos\alpha\sin\beta \cdots①\)

\(\sin(\alpha-\beta)=\sin\alpha\cos\beta-\cos\alpha\sin\beta \cdots②\)


\(y_{B}\)の右辺の係数がマイナスなので、\((①-②)\)から

\(\sin(\alpha+\beta)-\sin(\alpha-\beta)=2\cos\alpha\sin\beta\ \cdots③\)

ここで、\(\alpha+\beta=A, \alpha-\beta=B\)とするとこれらを足し引きして


\(\displaystyle{\alpha=\frac{A+B}{2}}\)

\(\displaystyle{\beta=\frac{A-B}{2}}\)


これを\(③\)に代入して、

\(\displaystyle{{\sin}A-{\sin}B=2\cos\frac{A+B}{2}\sin\frac{A-B}{2}} \cdots④\)


これが、和(差)→積への変換公式となります。



\(y_{A}\)と\(y_B\)の右辺の形をみて、\(A\)と\(B\)を決めます。


\(A=\theta-\alpha\), \(B=\theta+\alpha\)とすると、


\(\displaystyle{\begin{eqnarray}\frac{A+B}{2}&=&\frac{(\theta-\alpha)+(\theta+\alpha)}{2}\\\\&=&\frac{2\theta}{2}\\\\&=&\theta\end{eqnarray}}\)




\(\displaystyle{\begin{eqnarray}\frac{A-B}{2}&=&\frac{(\theta-\alpha)-(\theta+\alpha)}{2}\\\\&=&-\frac{2\alpha}{2}\\\\&=&-\alpha\end{eqnarray}}\)


これを\(④\)に代入すると、


\(\displaystyle{\begin{eqnarray}&&{\sin}A-{\sin}B=2\cos\frac{A+B}{2}\sin\frac{A-B}{2}\\\\\Leftrightarrow&&\sin(\theta-\alpha)-\sin(\theta+\alpha)=2\cos\theta\sin(-\alpha)\end{eqnarray}}\)


以上から、


\(\displaystyle{\begin{eqnarray}y_{A}+y_{B}&=&K\sin(\theta-\alpha)-K\sin(\theta+\alpha)\\\\&=&K\{\sin(\theta-\alpha)-\sin(\theta+\alpha)\}\\\\&=&2K\cos\theta\sin(-\alpha)\end{eqnarray}}\)


よって、解答は

\(\underline{2K\cos\theta\sin(-\alpha)}\)

となります。

※\(\sin(-\theta)=-\sin\theta\)を用いると、\(\sin(-\alpha)=-\sin\alpha\)なので、


\(\displaystyle{\begin{eqnarray}2K\cos\theta\sin(-\alpha)&=&2K\cos\theta(-\sin\alpha)\\\\&=&-2K\cos\theta\sin\alpha\end{eqnarray}}\)


とも書けます。

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3-1.θの条件/問題

\(\mathbf{[問題3-1]}\)
\(\mathbf{[問題2-1]}\) の解答を用いて、どのような\(\alpha\)の値でも\(y_{A}+y_{B}=0\)となる\(\theta\)の値を求めよ。

3-2.θの条件/解答

\(\mathbf{[問題3-1]の解答}\)
条件から、

\(y_{A}+y_{B}=2K\textcolor{red}{\cos\theta}\textcolor{blue}{\sin(-\alpha)}\)

上の式から、

\(\textcolor{red}{\cos\theta}\)は\(\textcolor{red}{\thetaの項}\)

\(\textcolor{blue}{\sin(-\alpha)}\)は\(\textcolor{blue}{\alphaの項}\)

となります。


\(\alpha\)がどのような値をとってもというのは、\(\textcolor{blue}{\alphaの項}\)である\(\textcolor{blue}{\sin(-\alpha)}\)がどのような値をとってもということになります。
\(\alpha\)がいろいろな値をとっていくと、 \(\textcolor{blue}{\alphaの項}\) である \(\textcolor{blue}{\sin(-\alpha)}\)も様々な値をとっていきますが、\(\textcolor{red}{\thetaの項}\)である\(\textcolor{red}{\cos\theta}\)が\(0\)であれば、\(y_{A}+y_{B}\)は、


\(\displaystyle{\begin{eqnarray}y_{A}+y_{B}&=&2K\textcolor{red}{\cos\theta}\textcolor{blue}{\sin(-\alpha)}\\&=&2K×\textcolor{red}{0}×\textcolor{blue}{\sin(-\alpha)}\\&=&0\end{eqnarray}}\)


というように\(\textcolor{blue}{\alpha}\)の値、すなわち\(\textcolor{blue}{\sin(-\alpha)}\)の値に関係なく\(0\)となります。


よって、問題文の条件を満たすには

\(\textcolor{red}{\cos\theta}=0\)

であればよいです。



\(\textcolor{red}{\cos\theta}=0\)となるのは、

\(\displaystyle{\theta=\frac{\pi}{2}, \frac{3}{2}\pi, \frac{5}{2}\pi, \cdots =\frac{\pi}{2}+n\pi} (nは整数)\)


以上から、\(\alpha\)がどのような値でも\(y_{A}+y_{B}=0\)となる\(\theta\)の値は


\(\displaystyle{\underline{\theta=\frac{\pi}{2}+n\pi (nは整数)}}\)


となります。

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