10は3の倍数ではないので、これまでに求めた角度における三角比を加法定理を利用して求めることはできません。
なので、3倍角を利用して求めてみます。
ド・モアブルの定理
\cos nθ+i\sin nθ=(\cosθ+i\sinθ)^n
より
\begin{align*}\cos 3θ+i\sin
3θ&=(\cosθ+i\sinθ)^3\\[0.5em]&=\cos^3θ+3i\cos^2θ\sinθ-3\cosθ\sin^2θ-i\sin^3θ\\[0.5em]&=(\cos^3θ-3\cosθ\sin^2θ)+i(3\cos^2θ\sinθ-\sin^3θ)\\[0.5em]&=\{\cos^3θ-3\cosθ(1-\cos^2θ)\}\\
&\qquad+i\{3(1-\sin^2θ)\sinθ-\sin^3θ\}\\[0.5em]&=(4\cos^4θ-3\cosθ)+i(3\sinθ-4\sin^3θ)\end{align*}
となるので、
\begin{cases}\cos3θ=4\cos^3θ-3\cosθ\\[0.5em]\sin3θ=3\sinθ-4\sin^3θ\end{cases}
が3倍角の公式となります。
\sin10°
正弦の3倍角の公式に\theta=10°を代入すると
\begin{align*}\sin30°&=3\sin10°-4\sin^3
10°\\[0.5em]\frac{1}{2}&=3\sin10°-4\sin^3 10°\end{align*}
となります。
ここで\sin10°=xとおくと
しかしこの3次方程式は因数分解で解くことができず、3次方程式の解の公式を利用しようにも実数となるはずの解が実数にできない(還元不可能)ため、解の1つは\sin10°であるという状態から進めなくなってしまいます。
\begin{align*}\frac{1}{2}&=3x-4x^3\\[0.5em]4x^3-3x+\frac{1}{2}&=0\\[0.5em]8x^3-6x+1&=0\tag{a}\end{align*}
となり、前述よりこの3次方程式の解の1つがx=\sin10°であるため、これを解けば\sin10°がどういった式で表されるのかがわかるはずです。しかしこの3次方程式は因数分解で解くことができず、3次方程式の解の公式を利用しようにも実数となるはずの解が実数にできない(還元不可能)ため、解の1つは\sin10°であるという状態から進めなくなってしまいます。
そこで、ニュートン法をもちいて近似解を求めてみます。
(\text{a})よりf(x)=8x^3-6x+1とすると、これの導関数はf'(x)=24x^2-6となり、これらを
(\text{a})よりf(x)=8x^3-6x+1とすると、これの導関数はf'(x)=24x^2-6となり、これらを
x_{n+1}=x_n-\frac{f(x_n)}{f'(x_n)}
にもちいて近似解を求めます。
最初の入力値x_0を決定するために(\text{a})のもつ解について考えます。
(\text{a})は3倍角の公式の3倍角の正弦が\dfrac{1}{2}となるときの式がもとになっています。であれば、\sin10°以外で3倍角の正弦が\dfrac{1}{2}となるような正弦もまた解にもつはずです。
そこで、左辺の3θ=30°を3θ=30°+360°×nの一般角に置き換えるとθは
x=\sin10°,\sin130°,\sin250°
の3つとなることがわかります。
\begin{align*}n=0のとき\\ θ&=30°\\[1em]n=1のとき\\
θ&=\frac{30°+360°}{3}=130°\\[1em]n=2のとき\\
θ&=\frac{30°+720°}{3}=250°\end{align*}
となることから、(\text{a})の解は0°\leqqθ<360°の範囲においてx=\sin10°,\sin130°,\sin250°
の3つとなることがわかります。
それぞれの解の特徴として\sin10°は\sin0°=0に近く、\sin130°は\sin90°=1に近く、\sin250°は\sin270°=-1に近い値を持つことから値x_0をx_0=0に設定すれば\sin10°の近似値に収束することがわかります。
\cos10°
同様に\cos10°についても調べてみます。
省略しますが3次方程式は8x^2-6x-\sqrt{3}=0なので
f(x)=8x^3-6x-\sqrt{3},f'(x)=24x^2-6
となります。\cos10°は1に近い値を持つので入力するxの値はx_0=1です。
また、
\cos10°=\sqrt{1-\sin^2 10°}
で求めても同様の値を得ることができます。
\tan10°
\tanθの3倍角の公式は
\tan3θ=\frac{\tan^3θ-3\tanθ}{3\tan^2θ-1}
なので、θ=10°を代入し、\tan10°=xとおくと
\frac{1}{\sqrt{3}}=\frac{x^3-3x}{3x^2-1}
となります。
したがって、使用する関数は
f(x)=\frac{x^3-3x}{3x^2-1}-\frac{1}{\sqrt{3}},f'(x)=\frac{3x^4+6x^2+3}{9x^4-6x^2+1}
で、\tan10°は0に近い値を持つので入力するxの値はx_0=0です。
また、先ほど求めた\sin10°,\cos10°の近似値をもちいて
\tan10°=\frac{\sin10°}{\cos10°}
を計算することでも同様の値を得ることができます。
外部リンク:ニュートン法 - Wikipedia
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