【高校数学】sin cos tanの変換公式とは?様々な角度の三角比の求め方を解説!

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※早く知りたい方は、「4. まとめ」まで飛ぶことをおすすめします!

三角比の求め方とは?

ここでは、三角形の図を使って示してみましょう!

上図のように、半径1の円の中に直角三角形OABを作ります!

直角三角形OABの、直角以外の一つの角をθと置きます!

すると、三角比の公式は以下のようになります!

\begin{eqnarray} \sin θ=AB/OB \end{eqnarray}
\begin{eqnarray} \cos θ=OA/OB \end{eqnarray}
\begin{eqnarray} \tan θ=AB/OA \end{eqnarray}

三角形の角辺を表すと、

  • AB→高さ
  • OB→斜辺
  • OA→底辺

これらを踏まえると、3つの公式は以下のように表せる!

sinの値の公式

\begin{eqnarray} \sin θ= {\color{red}{高さ}}/{\color{red}{斜辺}} \end{eqnarray}

斜辺を1とすると、\begin{eqnarray} \sin θ={\color{red}{y座標}} \end{eqnarray}

cosの値の公式

\begin{eqnarray} \cos θ= {\color{red}{底辺}}/{\color{red}{斜辺}} \end{eqnarray}

斜辺を1とすると、\begin{eqnarray} \cos θ={\color{red}{x座標}} \end{eqnarray}

tanの値の公式

\begin{eqnarray} \tan θ= {\color{red}{高さ}}/{\color{red}{底辺}} \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \tan θ=直線OBの{\color{red}{傾き}} \end{eqnarray}

主要な角度における三角比の値とは?

公式が分かったところで、いくつか具体的な角度を入れて求めてみましょう!

問題①

\(\displaystyle θ=30^\circ\)の時、\(\displaystyle \sin θ, \cos θ, \tan θ\)の値を求めよ

まず、\(\displaystyle OB=1\)から、\(\displaystyle OA\)と\(\displaystyle AB\)の値を求めます!

\(\displaystyle AB:OB:OA={\color{red}{1:2:\sqrt{3}}}\)

よって、

\(\displaystyle AB:1(OBの実際の長さ)=1:2\)より、\(\displaystyle AB=\frac{1}{2}\)・・・①

\(\displaystyle 1(OBの実際の長さ):OA=2:\sqrt{3}\)より、\(\displaystyle OA=\frac{\sqrt{3}}{2}\)・・・②

①、②より、各々の三角比を求めると、以下のようになります!

解答①

\begin{eqnarray} \sin 30^\circ=AB/OB=\frac{1}{2}\div1={\color{red}{\frac{1}{2}}} \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \cos 30^\circ=OA/OB=\frac{\sqrt{3}}{2}\div1={\color{red}{\frac{\sqrt{3}}{2}}} \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \tan 30^\circ=AB/OA=\frac{1}{2}\div\frac{\sqrt{3}}{2}={\color{red}{\frac{1}{\sqrt{3}}}} \end{eqnarray}

もう1問やってみましょう!

問題②

\(\displaystyle θ=45^\circ\)の時、\(\displaystyle \sin θ, \cos θ, \tan θ\)の値を求めよ

同じく、\(\displaystyle OB=1\)から、\(\displaystyle OA\)と\(\displaystyle AB\)の値を求めます!

\(\displaystyle AB:OB:OA={\color{red}{1:\sqrt{2}:1}}\)

よって、

\(\displaystyle AB:1(OBの実際の長さ)=1:\sqrt{2}\)より、\(\displaystyle AB=\frac{1}{\sqrt{2}}\)・・・①

\(\displaystyle 1(OBの実際の長さ):OA=\sqrt{2}:1\)より、\(\displaystyle OA=\frac{1}{\sqrt{2}}\)・・・②

①、②より、各々の三角比を求めると、以下のようになります!

解答②

\begin{eqnarray} \sin 45^\circ=AB/OB=\frac{1}{\sqrt{2}}\div1={\color{red}{\frac{1}{\sqrt{2}}}} \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \cos 45^\circ=OA/OB=\frac{1}{\sqrt{2}}\div1={\color{red}{\frac{1}{\sqrt{2}}}} \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \tan 45^\circ=AB/OA=\frac{1}{\sqrt{2}}\div\frac{1}{\sqrt{2}}={\color{red}{1}} \end{eqnarray}

主要な角度による三角比の値を一気に一覧にすると、以下です!

  30° 45° 60° 90° 120° 135° 150° 180°
sinθ \(\displaystyle0\) \(\displaystyle\frac{1}{2}\) \(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}\) \(\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\) \(\displaystyle1\) \(\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\) \(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}\) \(\displaystyle\frac{1}{2}\) \(\displaystyle0\)
cosθ \(\displaystyle1\) \(\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\) \(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}\) \(\displaystyle\frac{1}{2}\) \(\displaystyle0\) \(\displaystyle-\frac{1}{2}\) \(\displaystyle-\frac{1}{\sqrt{2}}\) \(\displaystyle-\frac{\sqrt{3}}{2}\) \(\displaystyle-1\)
tanθ \(\displaystyle0\) \(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{3}}\) \(\displaystyle1\) \(\displaystyle\sqrt{3}\) なし \(\displaystyle-\sqrt{3}\) \(\displaystyle-1\) \(\displaystyle-\frac{1}{\sqrt{3}}\) \(\displaystyle0\)

角度が増減!?三角比の「変換公式」の覚え方とは?

具体的な公式としては、以下です!

三角比の変換(90°-θ)公式

\begin{eqnarray} \sin (90^\circ-θ)=\cos θ \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \cos (90^\circ-θ)=\sin θ \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \tan (90^\circ-θ)=\frac{1}{\tan θ} \end{eqnarray}

三角比の変換(90°+θ)公式

\begin{eqnarray} \sin (90^\circ+θ)=\cos θ \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \cos (90^\circ+θ)=-\sin θ \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \tan (90^\circ+θ)=-\frac{1}{\tan θ} \end{eqnarray}

三角比の変換(180°-θ)公式

\begin{eqnarray} \sin (180^\circ-θ)=\sin θ \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \cos (180^\circ-θ)=-\cos θ \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \tan (180^\circ-θ)=-\tan θ \end{eqnarray}

三角比の変換(180°+θ)公式

\begin{eqnarray} \sin (180^\circ+θ)=-\sin θ \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \cos (180^\circ+θ)=-\cos θ \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \tan (180^\circ+θ)=\tan θ \end{eqnarray}

三角比の変換(-θ)公式

\begin{eqnarray} \sin (-θ)=-\sin θ \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \cos (-θ)=\cos θ \end{eqnarray}

\begin{eqnarray} \tan (-θ)=-\tan θ \end{eqnarray}

公式の証明

ここでは、加法定理を使います!

例えば、以下のようになります!

導出方法①

\begin{eqnarray} {\color{red}{\sin (90^\circ-θ)}} &=& \sin 90^\circ\cos θ-\cos 90^\circ\sin θ \\ &=& 1・ \cos θ-0・\sin θ \\ &=& {\color{red}{\cos θ}}\end{eqnarray}

公式

暗記をする際は、

\(\displaystyle 90^\circ, 180^\circ, 360^\circ\)のそれぞれの公式に注目すると、以下のことが分かります!

  • \(\displaystyle 180^\circ, 360^\circ\)は、変換後の関数の形が同じ 例:\(\displaystyle {\color{red}{\sin}} (180^\circ-θ)={\color{red}{\sin}} θ \)
  • \(\displaystyle 90^\circ\)は、\(\displaystyle \sin⇔\cos\)、\(\displaystyle \tan⇒\frac{1}{\tan}\)と変換される

三角比の「」のパターンを覚える!

また、変換後の「符号」にも注目です!

符号に注目する際、以下の2つを意識してみてください!

  • \(\displaystyle θ\)に具体的な数値を代入
  • 三角形の図を書く

例えば、\(\displaystyle θ=60^\circ\)を例に考えてみましょう!

\(\displaystyle\sin θ, \cos θ, \tan θ\)
  • \(\displaystyle \cos θ\)→\(\displaystyle B\)の\(\displaystyle x\)座標→\(\displaystyle \frac{1}{2}\)
  • \(\displaystyle \sin θ\)→\(\displaystyle B\)の\(\displaystyle y\)座標→\(\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{2}\)
  • \(\displaystyle \tan θ\)→\(\displaystyle OB\)の傾き→\(\displaystyle \frac{\sqrt{3}}{2}\div\frac{1}{2}=\sqrt{3}\)

\(\displaystyle 0^\circ<θ<90^\circ\)、すなわち、\(\displaystyle x\)と\(\displaystyle y\)座標が正のとき、
\(\displaystyle \cos θ{\color{red}{>0}}, \sin θ{\color{red}{>0}}, \tanθ{\color{red}{>0}}\)

\(\displaystyle\sin (90^\circ+θ), \cos (90^\circ+θ), \tan (90^\circ+θ)\)
  • \(\displaystyle \cos θ\)→\(\displaystyle B\)の\(\displaystyle x\)座標→\(\displaystyle -\frac{\sqrt{3}}{2}\)
  • \(\displaystyle \sin θ\)→\(\displaystyle B\)の\(\displaystyle y\)座標→\(\displaystyle \frac{1}{2}\)
  • \(\displaystyle \tan θ\)→\(\displaystyle OB\)の傾き→\(\displaystyle \frac{1}{2}\div-\frac{\sqrt{3}}{2}=-\frac{1}{\sqrt{3}}\)

\(\displaystyle 90^\circ<θ<180^\circ\)、すなわち、\(\displaystyle x\)座標が負、\(\displaystyle y\)座標が正のとき、
\(\displaystyle \cos θ{\color{blue}{<0}}, \sin θ{\color{red}{>0}}, \tanθ{\color{blue}{<0}}\)

\(\displaystyle\sin (180^\circ+θ), \cos (180^\circ+θ), \tan (180^\circ+θ)\)
  • \(\displaystyle \cos θ\)→\(\displaystyle B\)の\(\displaystyle x\)座標→\(\displaystyle -\frac{1}{2}\)
  • \(\displaystyle \sin θ\)→\(\displaystyle B\)の\(\displaystyle y\)座標→\(\displaystyle -\frac{\sqrt{3}}{2}\)
  • \(\displaystyle \tan θ\)→\(\displaystyle OB\)の傾き→\(\displaystyle -\frac{\sqrt{3}}{2}\div-\frac{1}{2}=\sqrt{3}\)

\(\displaystyle 180^\circ<θ<270^\circ\)、すなわち、\(\displaystyle x\)座標が負、\(\displaystyle y\)座標が負のとき、
\(\displaystyle \cos θ{\color{blue}{<0}}, \sin θ{\color{blue}{<0}}, \tanθ{\color{red}{>0}}\)

\(\displaystyle θ\)の角度と三角比の「」、「符号」の関係を表にすると、次のようになります!

θ(鋭角)

\(\displaystyle(90^\circ+θ)\)
\(\displaystyle(90^\circ-θ)\)

\(\displaystyle(180^\circ+θ)\)
\(\displaystyle(180^\circ-θ)\)
\(\displaystyle(270^\circ+θ)\)
\(\displaystyle(270^\circ-θ)\)
\(\displaystyle -θ\)
\(\displaystyle \cos θ\)

\(\displaystyle \sin\)

\(\displaystyle \cos\)

\(\displaystyle \sin\)

\(\displaystyle \cos\)
\(\displaystyle \sin θ\) \(\displaystyle \cos\) \(\displaystyle \sin\) \(\displaystyle \cos\) \(\displaystyle \sin\)
\(\displaystyle \tan θ\) \(\displaystyle \frac{1}{\tan}\) \(\displaystyle \tan\) \(\displaystyle \frac{1}{\tan}\) \(\displaystyle \tan\)
角度 \(\displaystyle 0^\circ-90^\circ\) \(\displaystyle 90^\circ-180^\circ\) \(\displaystyle 180^\circ-270^\circ\) \(\displaystyle 270^\circ-360^\circ\)
座標 \(\displaystyle x{\color{red}{>0}}\)
\(\displaystyle y{\color{red}{>0}}\)
\(\displaystyle x{\color{blue}{<0}}\)
\(\displaystyle y{\color{red}{>0}}\)
\(\displaystyle x{\color{blue}{<0}}\)
\(\displaystyle y{\color{blue}{<0}}\)
\(\displaystyle x{\color{red}{>0}}\)
\(\displaystyle y{\color{blue}{<0}}\)
\(\displaystyle \cos θ\)

\(\displaystyle \sin θ\)
\(\displaystyle \tan θ\)

まとめ

\(\displaystyle\sin θ, \cos θ, \tan θ\)の値の公式

\begin{eqnarray} \sin θ=AB/OB \end{eqnarray}
\begin{eqnarray} \cos θ=OA/OB \end{eqnarray}
\begin{eqnarray} \tan θ=AB/OA \end{eqnarray}

\(\displaystyle\sin θ, \cos θ, \tan θ\)の表
  30° 45° 60° 90° 120° 135° 150° 180°
sinθ \(\displaystyle0\) \(\displaystyle\frac{1}{2}\) \(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}\) \(\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\) \(\displaystyle1\) \(\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\) \(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}\) \(\displaystyle\frac{1}{2}\) \(\displaystyle0\)
cosθ \(\displaystyle1\) \(\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\) \(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}}\) \(\displaystyle\frac{1}{2}\) \(\displaystyle0\) \(\displaystyle-\frac{1}{2}\) \(\displaystyle-\frac{1}{\sqrt{2}}\) \(\displaystyle-\frac{\sqrt{3}}{2}\) \(\displaystyle-1\)
tanθ \(\displaystyle0\) \(\displaystyle\frac{1}{\sqrt{3}}\) \(\displaystyle1\) \(\displaystyle\sqrt{3}\) なし \(\displaystyle-\sqrt{3}\) \(\displaystyle-1\) \(\displaystyle-\frac{1}{\sqrt{3}}\) \(\displaystyle0\)
\(\displaystyle\sin θ, \cos θ, \tan θ\)の変換公式
  • 証明する方へ

加法定理による証明〉

\begin{eqnarray} {\color{red}{\sin (90^\circ-θ)}} &=& \sin 90^\circ\cos θ-\cos 90^\circ\sin θ \\ &=& 1・ \cos θ-0・\sin θ \\ &=& {\color{red}{\cos θ}}\end{eqnarray}

  • 暗記する方へ

関数の形の暗記〉

θ(鋭角)

\(\displaystyle(90^\circ+θ)\)
\(\displaystyle(90^\circ-θ)\)

\(\displaystyle(180^\circ+θ)\)
\(\displaystyle(180^\circ-θ)\)
\(\displaystyle(270^\circ+θ)\)
\(\displaystyle(270^\circ-θ)\)
\(\displaystyle -θ\)
\(\displaystyle \cos θ\)

\(\displaystyle \sin\)

\(\displaystyle \cos\)

\(\displaystyle \sin\)

\(\displaystyle \cos\)
\(\displaystyle \sin θ\) \(\displaystyle \cos\) \(\displaystyle \sin\) \(\displaystyle \cos\) \(\displaystyle \sin\)
\(\displaystyle \tan θ\) \(\displaystyle \frac{1}{\tan}\) \(\displaystyle \tan\) \(\displaystyle \frac{1}{\tan}\) \(\displaystyle \tan\)

符号の暗記〉

\(\displaystyle \sin θ⇒{\color{red}{y座標}}\)

\(\displaystyle \cos θ⇒{\color{red}{x座標}}\)

\(\displaystyle \tan θ⇒{\color{red}{傾き}}\)