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2022年5月3日

sin10°、cos10°、tan10°はどんな数?

 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
cosnθ+isinnθ=(cosθ+isinθ)n
より
cos3θ+isin3θ=(cosθ+isinθ)3=cos3θ+3icos2θsinθ3cosθsin2θisin3θ=(cos3θ3cosθsin2θ)+i(3cos2θsinθsin3θ)={cos3θ3cosθ(1cos2θ)}+i{3(1sin2θ)sinθsin3θ}=(4cos4θ3cosθ)+i(3sinθ4sin3θ)
となるので、
{cos3θ=4cos3θ3cosθsin3θ=3sinθ4sin3θ
が3倍角の公式となります。

sin10°

 正弦の3倍角の公式にθ=10°を代入すると
sin30°=3sin10°4sin310°12=3sin10°4sin310°
となります。
ここでsin10°=xとおくと
12=3x4x34x33x+12=0(a)8x36x+1=0
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。
(a)よりf(x)=8x36x+1とすると、これの導関数はf(x)=24x26となり、これらを
xn+1=xnf(xn)f(xn)
にもちいて近似解を求めます。

最初の入力値x0を決定するために(a)のもつ解について考えます。

(a)は3倍角の公式の3倍角の正弦が12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12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°3θ=30°+360°×nの一般角に置き換えるとθ
n=0θ=30°n=1θ=30°+360°3=130°n=2θ=30°+720°3=250°
となることから、(a)の解は0°θ<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。
10°、130°、250°の正弦に近い値
それぞれの解の特徴としてsin10°sin0°=0に近く、sin130°sin90°=1に近く、sin250°sin270°=1に近い値を持つことから値x0x0=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。
ニュートン法によるsin10°の近似値
上記をもとにGoogleスプレッドシートで近似解を求めた結果は上のようになります。
収束した値は反復4回目以降のxn+1=0.1736481777でこれが(a)の近似解であり、sin10°の近似値です。

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8x26x3=0なので
f(x)=8x36x3,f(x)=24x26
となります。cos10°1に近い値を持つので入力するxの値はx0=1です。
ニュートン法によるcos10°の近似値
すると結果は上のようになります。
近似解はx=0.984807753でこれがcos10°の近似値となります。
また、
cos10°=1sin210°
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=tan3θ3tanθ3tan2θ1
なので、θ=10°を代入し、tan10°=xとおくと
13=x33x3x21
となります。
したがって、使用する関数は
f(x)=x33x3x2113,f(x)=3x4+6x2+39x46x2+1
で、tan10°0に近い値を持つので入力するxの値はx0=0です。
ニュートン法によるtan10°の近似値
すると結果は上のようになります。
近似解x=0.1763269807tan10°の近似値となります。
また、先ほど求めたsin10°,cos10°の近似値をもちいて
tan10°=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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