삼각함수 덧셈정리
수학이야기 2012. 10. 5. 14:46삼각함수 덧셈정리를 증명해보자.
그림에서 두 점은 P(cosα,sinα), Q(cosβ,sinβ)이다.
코사인 제 2법칙에 따라
¯PQ2=¯OP2+¯OQ2−2¯OP⋅¯OQ⋅cos(∠POQ)
(cosα−cosβ)2+(sinα−sinβ)2=1+1−2cos(α−β)
cos2α−2cosαcosβ+cos2β+sin2α−2sinαsinβ+sin2β=1+1−2⋅cos(α−β)
2−2(cosαcosβ+sinαsinβ)=2−2cos(α−β)
∴cos(α−β)=cosαcosβ+sinαsinβ
이 식은 항등식이다.
β 자리에 −β를 대입하면
cos(α+β)=cosαcosβ−sinαsinβ를 얻는다.
α 자리에 π2−α를 대입하면
cos(π2−α−β)=cos(π2−α)cosβ+sin(π2−α)sinβ
sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ
마찬가지로 β 자리에 −β를 대입하면
sin(α−β)=sinαcosβ−cosαsinβ
벡터 내적을 배웠다면 아래와 같이 기억하자.
→OP⋅→OQ=|→OP||→OQ|cos(α−β)
(cosα,sinα)⋅(cosβ,sinβ)=cos(α−β)
∴cos(α−β)=cosαcosβ+sinαsinβ
다시 정리하면
cos(α−β)=cosαcosβ+sinαsinβcos(α+β)=cosαcosβ−sinαsinβsin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβsin(α−β)=sinαcosβ−cosαsinβ
덧셈정리에서 α=β로 놓으면 배각 2α 공식을 얻을 수 있고 이를 변형하여 반각 α2 공식을 얻을 수 있다.
sin2α=2sinαcosαcos2α=cos2α−sin2α=2cos2α−1=1−2sin2αtan2α=2tanα1−tan2α
sin2α2=1−cosα2cos2α2=1+cosα2tan2α2=1−cosα1+cosα
위에 있는 덧셈정리에서 (1)과 (2)를 더하면
cos(α+β)+cos(α−β)=2cosαcosβ이다. 이 식을 바꿔서 아래와 같은 공식을 얻을 수 있다.
sinαcosβ=12{sin(α+β)+sin(α−β)}cosαsinβ=12{sin(α+β)−sin(α−β)}cosαcosβ=12{cos(α+β)+cos(α−β)}sinαsinβ=−12{cos(α+β)−cos(α−β)}
sinA+sinB=2sinA+B2cosA−B2sinA−sinB=2cosA+B2sinA−B2cosA+cosB=2cosA+B2cosA−B2cosA−cosB=−2sinA+B2sinA−B2
덧셈정리를 써서 두 파동이 중첩되었을 때 만들어지는 새로운 파동을 나타내는 식을 구할 수 있다. 이것을 수학 시간에는 삼각함수의 합성이라 부른다.
asinθ+bcosθ(a≠0,b≠0)을 rsin(θ+α)와 같은 꼴로 고쳐보자. (단, r>0,0≤α<2π)
그림과 같이 좌표평면 위에 점 P(a,b)를 잡고, 동경 OP가 x축 양의 방향과 이루는 각의 크기를 α라고 하면 ¯OP=√a2+b2이다.
따라서
sinα=b√a2+b2,cosα=a√a2+b2이다.
∴asinθ+bcosθ=√a2+b2(a√a2+b2sinθ+b√a2+b2cosθ)=√a2+b2(cosαsinθ+sinαcosθ)=√a2+b2sin(θ+α)
한편 α의 여각을 β라고 하면 코사인으로 바꿀 수 있다.
β=π2−α라고 하면
sinβ=a√a2+b2,cosβ=b√a2+b2이다.
∴asinθ+bcosθ=√a2+b2(a√a2+b2sinθ+b√a2+b2cosθ)=√a2+b2(sinβsinθ+cosβcosθ)=√a2+b2cos(θ−β)
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