Area of geometry, about angles and lengths
三角法 ( 古代ギリシャ語の τρίγωνον ( trígōnon ) 「 三角形 」 と μέτρον ( métron ) 「 尺度 」 に由来) [1]は、三角形の 角度 と辺の長さの関係を扱う 数学 の一分野です 。特に、 三角関数は 直角三角形 の角度 とその辺の長さの 比を 関連付けます。この分野は、 紀元前3世紀の ヘレニズム世界で 幾何学を 天文学の研究 に応用する形で生まれました 。 [2] ギリシャ人は 弦の計算に重点を置き、インドの数学者は 正弦 などの三角比( 三角関数 とも呼ばれる)の値の表を作成した最初の人物です 。 [3]
歴史を通じて、三角法は測地学 、 測量 、 天体力学 、 航海術 などの分野で応用されてきました 。 [4]
三角法は多くの 恒等式 で知られています。これらの
三角関数の恒等式 [5]は、式を簡略化したり、より有用な形式の式を見つけたり、 方程式を解い たりするために、三角関数の 式 を書き直す際によく用いられます 。 [6]
歴史
ヒッパルコスは 最初の 三角関数表を編纂したとされ、「三角法の 父 」と呼ばれています 。 [7]
シュメールの 天文学者は、円を360度に分割して角度の測定を研究しました。 [8] 彼ら、そして後の バビロニア人は、 相似 三角形の辺の比を研究し 、それらの比のいくつかの性質を発見しましたが、それを三角形の辺と角度を求める体系的な方法へと発展させることはありませんでした。 古代ヌビア人も 同様の方法を用いていました。 [9]
紀元前3世紀には、 ユークリッド や アルキメデス などの ヘレニズム時代の数学者が 弦 の性質 や 円周角 を研究し、現代の三角法の公式に相当する定理を証明したが、彼らはそれらを代数的ではなく幾何学的に提示した。紀元前140年、 ヒッパルコス (小アジアの ニカイア出身)は、現代の 正弦値表 に類似した最初の弦表を与え、三角法と 球面三角法 の問題を解くのにそれを使用した 。 紀元後2世紀には、ギリシャ・エジプトの天文学者 プトレマイオス(エジプトのアレクサンドリア出身)が、彼の 著『アルマゲスト』 第1巻第11章で詳細な三角法表( プトレマイオスの弦表 )を作成した 。 [11] プトレマイオスは 弦の 長さを使って三角関数を定義しましたが、これは今日私たちが使っている 正弦の 慣例とは若干違います。 (私たちがsin(θ)と呼ぶ値は、プトレマイオスの表で関心のある角度の2倍(2θ)の弦の長さを調べ、その値を2で割ることで見つけることができます。)より詳細な表が作成されるまでには何世紀もかかり、プトレマイオスの論文は中世 ビザンチン 、 イスラム 、そして後に西ヨーロッパ世界で、その後1200年間、天文学における三角関数の計算に使われ続けました。
正弦の現代的な定義は、 スーリヤ・シッダーンタ で初めて証明され、その特性は、5世紀(西暦)に インドの数学者 で天文学者の アリヤバタ によってさらに文書化されました。 中世イスラムの数学者 によって翻訳され、拡張されました 。西暦830年、ペルシャの数学者 ハバス・アル・ハスブ・アル・マルワズィーは、 最初のコタンジェント表を作成しました。 [14] [15]西暦10世紀までには、ペルシャの数学者 アブー・アル・ワファ・アル・ブズジャーニー の著作の中で、6つの 三角関数 すべてが 使用されました。 アブー・アル・ワファは、0.25°刻みで小数点以下8桁の精度の正弦表と、正確な正接値の表を持っていました。 彼はまた、 球面三角法においても重要な革新を行った 。 [17] [18] [19] ペルシャ の 博学者 ナスィルッディーン・アルトゥースィー は、三角法をそれ自体で独立した数学的分野として創始したと言われている。 [20] [21] [22] 彼は三角法を天文学から独立した数学的分野として扱った最初の人物であり、球面三角法を現在の形に発展させた。 [15] 彼は球面三角法における直角三角形の6つの異なるケースを列挙し、著書 『扇形図形について』 で、平面三角形と球面三角形に対する正弦定理を述べ、球面三角形に対する 接線定理 を発見し、これら両法則の証明を示した。 [23] 三角関数と三角法の知識は、 プトレマイオスのギリシア語のアルマ ゲストの ラテン語訳 や、 アル・バッターニ や ナスィルッディーン・アルトゥーシ などの ペルシャとアラブの天文学者 の著作を通じて 西ヨーロッパ に伝わりました。 北欧の数学者による三角法に関する最も古い著作の一つは、 15世紀のドイツの数学者 レギオモンタヌスの 『三角法について』 です。レギオモンタヌスは、数年間同居していた ビザンチンのギリシア学者、 バシリオス・ベッサリオン 枢機卿 から 執筆を奨励され、『 アルマゲスト』のコピーを贈られました。 [25] 同じ頃、クレタ島 のゲオルギオス・ディ・トレビゾンドによって、ギリシア語からラテン語への アルマゲスト の翻訳も完成しました 。 [26] 16 世紀の北ヨーロッパでは三角法はまだほとんど知られていなかったため、 ニコラウス・コペルニクスは 『天球回転論』 の 2 章を その基本概念の説明に費やしました。
航海 の需要 と広大な地理的領域の正確な地図への需要の高まりに押されて、三角法は数学の主要な分野に成長しました。 [27] バルトロメウス・ピティスクスが 初めてこの言葉を使用し、 1595年に著書『三角 測量論』を出版しました。 [28] ジェンマ・フリシウスは、 今日でも測量で使用されている 三角測量 の方法を初めて説明しました。 複素数を 三角法に完全に取り入れたのは レオンハルト・オイラー です。17世紀のスコットランドの数学者 ジェームズ・グレゴリーと18世紀の コリン・マクローリン の著作は、 三角級数 の発展に影響を与えました 。 [29] 同じく18世紀には、 ブルック・テイラーが 一般 テイラー級数 を定義しました。 [30]
三角比
この直角三角形では、 sin A = a / h 、 cos A = b / h 、 tan A = a / b です。
三角比は直角三角形の辺の比です。これらの比は直角三角形の1つの鋭角のみに依存します。なぜなら、同じ鋭角を持つ2つの直角三角形は 相似 だからです。 [31]
したがって、これらの比は、この角度の 関数 、いわゆる 三角関数 を定義します。具体的には、これらは既知の角度 A の関数として以下のように定義されます。ここで、 a 、 b 、 h はそれぞれ添付の図の辺の長さを表します。
以下の定義において、 斜辺とは 直角三角形において90度の角の反対側の辺、すなわち三角形の最長辺であり、角 A に隣接する2辺のうちの1辺を指します。 隣接辺とは、角 A に隣接するもう1つの辺を指します 。 対辺とは、角 A の反対側の辺を指します。 「垂直」 と 「底辺」 という用語は 、それぞれ対辺と隣接辺を表すために使用されることがあります。以下の「記憶法」を参照してください。
正弦 (sin と表記)は、角度の反対側の辺と斜辺の比として定義されます。
sin
A
=
opposite
hypotenuse
=
a
h
.
{\displaystyle \sin A={\frac {\textrm {opposite}}{\textrm {hypotenuse}}}={\frac {a}{h}}.}
コサイン (cos と表記)は、隣接辺(角度と直角を結んでいる三角形の辺)と斜辺の比として定義されます。
cos
A
=
adjacent
hypotenuse
=
b
h
.
{\displaystyle \cos A={\frac {\textrm {adjacent}}{\textrm {hypotenuse}}}={\frac {b}{h}}.}
接線 (tan と表記)は、反対側の辺と隣接する辺の比率として定義されます。
tan
A
=
opposite
adjacent
=
a
b
=
a
/
h
b
/
h
=
sin
A
cos
A
.
{\displaystyle \tan A={\frac {\textrm {opposite}}{\textrm {adjacent}}}={\frac {a}{b}}={\frac {a/h}{b/h}}={\frac {\sin A}{\cos A}}.}
これらの比率の 逆数 は、それぞれ コセカント (csc)、 セカント (sec)、 コタンジェント (cot) と呼ばれます。
csc
A
=
1
sin
A
=
hypotenuse
opposite
=
h
a
,
{\displaystyle \csc A={\frac {1}{\sin A}}={\frac {\textrm {hypotenuse}}{\textrm {opposite}}}={\frac {h}{a}},}
sec
A
=
1
cos
A
=
hypotenuse
adjacent
=
h
b
,
{\displaystyle \sec A={\frac {1}{\cos A}}={\frac {\textrm {hypotenuse}}{\textrm {adjacent}}}={\frac {h}{b}},}
cot
A
=
1
tan
A
=
adjacent
opposite
=
cos
A
sin
A
=
b
a
.
{\displaystyle \cot A={\frac {1}{\tan A}}={\frac {\textrm {adjacent}}{\textrm {opposite}}}={\frac {\cos A}{\sin A}}={\frac {b}{a}}.}
コサイン、コタンジェント、コセカントは、それぞれ「co-」と略される補角のサイン、タンジェント、セカントであるため、このように呼ばれています。 [32]
これらの関数を使えば、正弦定理 と 余弦定理 を使って任意の三角形に関するほぼすべての質問に答えることができます 。 [33] これらの法則は、2辺とその内角、または2つの角度と1辺、あるいは3辺がわかれば、あらゆる三角形の残りの角度と辺を計算するために使用できます。
記憶術
記憶術 の一般的な用途は 、三角法における事実や関係性を覚えることです。例えば、直角三角形の 正弦 比、 余弦比 、 正接 比は、それらとそれぞれの辺を文字列で表すことで覚えることができます。例えば、SOH-CAH-TOAという記憶術があります。 [34]
正弦 波 = 対辺 ÷ 斜辺
余弦 = 隣接 角 ÷ 斜辺
接線 = 反対 方向 ÷ 隣接 方向
文字を覚える一つの方法は、音声的に音読することです(例: SOH -kə- TOH -ə 、 クラカタウ に似ています)。 [35] もう1つの方法は、文字を 展開して文を作ることです。例えば、「 S ome Old H ippie C aught A nother H ippie T rippin' O n A cid」のように。 [36]
単位円と一般的な三角関数の値
図1a – 単位円を用いて定義された角度θの正弦と余弦
回転方向に応じたキー角度の符号と量の表示
三角比は単位円 を使って表すこともできます。単位円 とは、平面上の原点を中心とする半径1の円です。 [37] この設定では、 標準位置 に置かれた 角度 Aの 終端辺は 、点(x,y)で単位円と交差します。ここで、 およびです 。 [37] この表現により、次の表のような一般的な三角関数の値を計算できます。 [38]
x
=
cos
A
{\displaystyle x=\cos A}
y
=
sin
A
{\displaystyle y=\sin A}
実数または複素変数の三角関数
単位円 を用いることで 、三角比の定義をすべての正負の引数に拡張することができる [39] ( 三角関数を 参照)。
三角関数のグラフ
次の表は、6つの主要な三角関数のグラフの性質をまとめたものである。 [40] [41]
逆三角関数
6つの主要な三角関数は周期関数であるため、単射 (つまり1対1)ではなく 、したがって逆関数ではありません。しかし、三角関数の定義域 を制限する ことで、逆関数にすることができます。 [42] : 48ff
逆三角関数の名前とその定義域および値域は次の表に示す: [42] : 48ff [43] : 521ff
べき級数表現
実変数の関数として考えると、三角比は マクローリン級数 で表すことができます。例えば、正弦と余弦は次のように表されます [44]。
sin
x
=
x
−
x
3
3
!
+
x
5
5
!
−
x
7
7
!
+
⋯
=
∑
n
=
0
∞
(
−
1
)
n
x
2
n
+
1
(
2
n
+
1
)
!
cos
x
=
1
−
x
2
2
!
+
x
4
4
!
−
x
6
6
!
+
⋯
=
∑
n
=
0
∞
(
−
1
)
n
x
2
n
(
2
n
)
!
{\displaystyle {\begin{aligned}\sin x&=x-{\frac {x^{3}}{3!}}+{\frac {x^{5}}{5!}}-{\frac {x^{7}}{7!}}+\cdots &&=\sum _{n=0}^{\infty }(-1)^{n}{\frac {x^{2n+1}}{(2n+1)!}}\\\cos x&=1-{\frac {x^{2}}{2!}}+{\frac {x^{4}}{4!}}-{\frac {x^{6}}{6!}}+\cdots &&=\sum _{n=0}^{\infty }(-1)^{n}{\frac {x^{2n}}{(2n)!}}\end{aligned}}}
これらの定義により、三角関数は 複素数 に対して定義することができます。 [45] 実変数または複素変数の関数として拡張すると、複素指数関数に対して
次の 式が成り立ちます。
e
x
+
i
y
=
e
x
(
cos
y
+
i
sin
y
)
.
{\displaystyle e^{x+iy}=e^{x}(\cos y+i\sin y).}
この複雑な指数関数は三角関数で表され、特に有用である。 [46] [47]
三角関数の計算
三角関数は数学表 の最も初期の用途の一つであった 。 [48] このような表は数学の教科書に組み込まれ、生徒は値を調べ、記載された値の間を 補間して より高い精度を得る方法を教えられた。 [49] 計算尺に は三角関数用の特別な目盛りが付いていた。 [50]
科学電卓には、 主要な三角関数(sin、cos、tan、場合によっては cis とその逆関数)を計算するためのボタンがあります。 [51]ほとんどの電卓では、角度の測定方法( 度 、ラジアン、場合によっては グラジアン )を選択できます。 ほとんどのコンピュータ プログラミング言語は、 三角関数を含む関数ライブラリを提供しています。 [52] ほとんどのパーソナルコンピュータに使用されているマイクロプロセッサチップに組み込まれている浮動 小数点ユニット ハードウェアには、三角関数を計算するための命令が組み込まれています。 [53]
その他の三角関数
前述の6つの比に加えて、歴史的には重要であったものの、今日ではほとんど使われていない三角関数がいくつかあります。これには 弦 ( crd( θ ) = 2 sin( θ / 2 ) )、 ヴァーサイン ( versin( θ ) = 1 − cos( θ ) = 2 sin 2 ( θ / 2 ) ) (これは最も初期の表 に登場した)、 カバーサイン ( coversin( θ ) = 1 − sin( θ ) = versin( π / 2 − θ ) )、半 正弦 ( haversin( θ ) = 1 / 2 versin( θ ) = sin 2 ( θ / 2 ) )、 エクス セカント ( exsec( θ ) = sec( θ ) − 1 )、および エクスコセカント ( excsc( θ ) = exsec( π / 2 − θ ) = csc( θ ) − 1 )。 これらの関数間の関係の詳細については、
三角関数の恒等式の一覧を参照してください。
アプリケーション
天文学
何世紀にもわたり、球面三角法は太陽、月、恒星の位置を特定したり、 [56 ]日食を予測したり、惑星の軌道を記述したりするために使用されてきました。 [57]
現代では、 三角測量の技術は 天文学 において 近くの星までの距離を測定するために使われており [58] 、 衛星航法システム にも使われている [19] 。
ナビゲーション
六分儀は 、太陽や星の水平線に対する角度を測定するために使用されます。三角法と 海洋クロノメーター を用いることで、これらの測定値から船舶の位置を特定することができます。
歴史的に、三角法は航行中の船の緯度と経度の位置を特定したり、航路を決定したり、距離を計算したりするために使用されてきました。 [59]
三角法は、GPS や 自律走行車 用の 人工知能 などの手段を通じて、今でもナビゲーションに使用されています 。 [60]
測量
土地 測量 では、三角法は物体の長さ、面積、相対角度の計算に使用されます。 [61]
より大きなスケールでは、三角法は 地理学 においてランドマーク間の距離を測定するのに使われます。 [62]
周期関数
関数 (赤)は、振幅が異なり、周波数が調和的に関連する6つの正弦関数の和です。これらの和はフーリエ級数と呼ばれます。 振幅 と 周波数 の関係を示すフーリエ変換(青)は、 6つの周波数( 奇数次高調波 )とそれらの振幅( 奇数倍 )を明らかにします。
s
(
x
)
{\displaystyle s(x)}
S
(
f
)
{\displaystyle S(f)}
正弦関数と余弦関数は、 音波 や 光波 を記述する 周期関数 [63] の理論の基礎となる 。 フーリエは 、 あらゆる 連続 周期関数は 三角関数の
無限和 として記述できることを発見した。
非周期関数であっても、 フーリエ変換 によって正弦と余弦の 積分 として表すことができます。これは 量子力学 [64] や 通信 [ 65] などの分野に応用されています。
光学と音響
三角法は多くの物理科学 で役立っており 、 [66] 音響学 、 [67] 光学 [67 ]など が含まれる 。これらの分野では、 音波 や 光波 を記述したり、境界や透過に関する問題を解いたりするのに三角法が用いられる 。 [68]
その他のアプリケーション
三角法や三角関数を使用する他の分野には、 音楽理論 、 [69] 測地学 、 音声合成 、 [70] 建築 、 [71] 電子工学 、 [69] 生物学 、 [72] 医用画像 ( CTスキャン と 超音波 )、 [73] 化学 、 [74] 数論 (および 暗号学 )、 [75] 地震学 、 [67] 気象学 、 [76] 海洋学 、 [77] 画像圧縮 、 [78] 音声学 、 [79] 経済学 、 [80] 電気工学 、 機械工学 、 土木工学 、 [69] コンピュータグラフィック ス、 [81] 地図作成 、 [69] 結晶学 [82] ゲーム開発 などがあります 。 [81]
アイデンティティ
辺が a 、 b 、 c で、対角がそれぞれ A 、 B 、 Cの三角形
三角法は多くの恒等式、つまりあらゆる可能な入力に対して真となる方程式を持つことで知られています。 [83]
角度のみを含む恒等式は 三角恒等式 として知られています。 三角形の恒等式 [84] として知られる他の方程式は、 与えられた三角形の辺と角度の両方を関連付けます。
三角形の恒等式
次の等式において、 A 、 B 、 C は三角形の角度であり、 a 、 b 、 c はそれぞれの角度の反対側にある三角形の辺の長さです (図に示すように)。
正弦の法則
任意の三角形に対する正弦定理 ( 「正弦定理」とも呼ばれる)は次のように述べられている: [85]
a
sin
A
=
b
sin
B
=
c
sin
C
=
2
R
=
a
b
c
2
Δ
,
{\displaystyle {\frac {a}{\sin A}}={\frac {b}{\sin B}}={\frac {c}{\sin C}}=2R={\frac {abc}{2\Delta }},}
ここで 、 は三角形の面積、 R は三角形の
外接円 の半径です。
Δ
{\displaystyle \Delta }
R
=
a
b
c
(
a
+
b
+
c
)
(
a
−
b
+
c
)
(
a
+
b
−
c
)
(
b
+
c
−
a
)
.
{\displaystyle R={\frac {abc}{\sqrt {(a+b+c)(a-b+c)(a+b-c)(b+c-a)}}}.}
余弦定理
余弦定理( コサインの 公式、または「cosの法則」として知られる)は、ピタゴラスの定理を任意の三角形に拡張したものである。 [85]
c
2
=
a
2
+
b
2
−
2
a
b
cos
C
,
{\displaystyle c^{2}=a^{2}+b^{2}-2ab\cos C,}
または同等:
cos
C
=
a
2
+
b
2
−
c
2
2
a
b
.
{\displaystyle \cos C={\frac {a^{2}+b^{2}-c^{2}}{2ab}}.}
接線の法則
フランソワ・ヴィエト によって開発された 接線法則 は 、三角形の辺の数を求める際に余弦法則の代わりとなるもので、三角関数の表を使う際の計算を簡素化します。 [86] これは次のように表されます。
a
−
b
a
+
b
=
tan
[
1
2
(
A
−
B
)
]
tan
[
1
2
(
A
+
B
)
]
{\displaystyle {\frac {a-b}{a+b}}={\frac {\tan \left[{\tfrac {1}{2}}(A-B)\right]}{\tan \left[{\tfrac {1}{2}}(A+B)\right]}}}
エリア
2辺 a と b 、そして2辺間の角度 C が与えられたとき、 三角形の面積は 2辺の長さの積の半分と2辺間の角度の正弦で与えられる。 [85]
Area
=
Δ
=
1
2
a
b
sin
C
{\displaystyle {\mbox{Area}}=\Delta ={\frac {1}{2}}ab\sin C}
三角関数の恒等式
ピタゴラスの等式
以下の三角関数の 恒等式は ピタゴラスの定理 と関連しており 、任意の値に対して成り立つ。 [87]
sin
2
A
+
cos
2
A
=
1
{\displaystyle \sin ^{2}A+\cos ^{2}A=1\ }
tan
2
A
+
1
=
sec
2
A
{\displaystyle \tan ^{2}A+1=\sec ^{2}A\ }
cot
2
A
+
1
=
csc
2
A
{\displaystyle \cot ^{2}A+1=\csc ^{2}A\ }
2 番目と 3 番目の方程式は、それぞれ最初の方程式を と で割ることによって得られ ます 。
cos
2
A
{\displaystyle \cos ^{2}{A}}
sin
2
A
{\displaystyle \sin ^{2}{A}}
オイラーの公式 は 、 と述べており、 e と 虚数単位 i に関して、正弦、余弦、正接について 次の 解析的 恒等式を導きます。
e
i
x
=
cos
x
+
i
sin
x
{\displaystyle e^{ix}=\cos x+i\sin x}
sin
x
=
e
i
x
−
e
−
i
x
2
i
,
cos
x
=
e
i
x
+
e
−
i
x
2
,
tan
x
=
i
(
e
−
i
x
−
e
i
x
)
e
i
x
+
e
−
i
x
.
{\displaystyle \sin x={\frac {e^{ix}-e^{-ix}}{2i}},\qquad \cos x={\frac {e^{ix}+e^{-ix}}{2}},\qquad \tan x={\frac {i(e^{-ix}-e^{ix})}{e^{ix}+e^{-ix}}}.}
その他の三角関数の等式
他にもよく使われる三角関数の恒等式には、半角の恒等式、角の和と差の恒等式、積和の恒等式などがあります。 [31]
参照
参考文献
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参考文献
さらに読む
外部リンク
カーンアカデミー:三角法、無料オンラインマイクロ講義
アルフレッド・モンロー・ケニヨンとルイス・インゴールド著『三角法』(マクミラン社、1914年)。画像と全文を掲載。
ベンジャミン・バネカーの三角法パズル(収束点)
クラーク大学 の デイビッド・ジョイス によるデイブの三角法短期講座
三角法、マイケル・コラル著、初等三角法をカバー、GNUフリードキュメンテーションライセンスに基づいて配布