sin18°、cos18°、tan18°【覚えておくと便利な三角比】

18∘18^{\circ} の三角比は,値そのもの(または導出方法)を覚えておくとよいです。

18∘18^{\circ} の三角比は sin⁡18∘=5−14cos⁡18∘=10+254tan⁡18∘=15+25\begin{aligned} \sin 18^{\circ} &= \dfrac{\sqrt{5}-1}{4}\\ \cos 18^{\circ} &= \dfrac{\sqrt{10+2\sqrt{5}}}{4}\\ \tan 18^{\circ} &= \dfrac{1}{\sqrt{5+2\sqrt{5}}} \end{aligned} である。

15度の三角比はこちらからどうぞ
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sin⁡18°\sin 18°

18∘18^{\circ} の三角比については,値そのものよりも,導き方を覚えるのがおすすめです。18∘18^{\circ} の倍数の三角比の値は簡単に求められると覚えましょう。

まず,sin⁡18∘\sin 18^{\circ} の値を3通りの方法で計算します。

2倍角と3倍角の公式を活用する方法

導出1. 三角関数の公式を用いる

18∘=θ18^{\circ}=\theta とおく。

sin⁡54∘=cos⁡36∘\sin54^{\circ}=\cos36^{\circ} より,sin⁡3θ=cos⁡2θ\sin3\theta=\cos2\theta

両辺を三倍角の公式,倍角の公式を用いて sin⁡θ\sin\theta に統一すると,

−4sin⁡3θ+3sin⁡θ=1−2sin⁡2θ -4\sin^3\theta+3\sin\theta=1-2\sin^2\theta

この三次方程式を解くと,sin⁡θ=1,−1±54\sin\theta=1,\dfrac{-1\pm \sqrt{5}}{4}

0<sin⁡θ<10 < \sin\theta < 1 より,sin⁡18∘=5−14\sin18^{\circ}=\dfrac{\sqrt{5}-1}{4}

図形的性質を用いる方法

導出2. 三角形の相似を利用する

18sin

図のように,頂角が 36∘36^{\circ} である二等辺三角形 ABC\mathrm{ABC} を考える。 AB=AC=x\mathrm{AB}=\mathrm{AC}=x,BC=1\mathrm{BC}=1 とする。

∠ABC\angle \mathrm{ABC} の二等分線と辺 AC\mathrm{AC} との交点を D\mathrm{D} とおくと,AD=BD\mathrm{AD}=\mathrm{BD} より,CD=x−1\mathrm{CD}=x-1

また,∠BCD=∠BDC=72∘\angle \mathrm{BCD}= \angle \mathrm{BDC} = 72^{\circ} となり,三角形 ABC\mathrm{ABC} と三角形 BCD\mathrm{BCD} が相似であることが分かる。

よって,AB:BC=BC:CD\mathrm{AB}:\mathrm{BC}=\mathrm{BC}:\mathrm{CD} なので

x:1=1:x−1x:1=1:x-1

x>0x>0 の解を求めて,x=1+52x=\dfrac{1+\sqrt{5}}{2}

よって,sin⁡18∘=12BCAB=11+5=5−14\sin18^{\circ}=\dfrac{\frac{1}{2} \mathrm{BC}}{\mathrm{AB}}=\dfrac{1}{1+\sqrt{5}}=\dfrac{\sqrt{5}-1}{4}

実は,上記の三角形 ABC\mathrm{ABC} は正五角形の3つの頂点となっています。xx は1辺の長さが1の正五角形の対角線の長さを表しており,有名な黄金比が登場します。相似ではなく トレミーの定理を使って求めることもできます。

代数的な方法

11 の5乗根の1つは cos⁡72∘+isin⁡72∘ \cos 72^{\circ} + i \sin 72^{\circ} となります。

これを計算することで cos⁡72∘=5−14\cos 72^{\circ}=\dfrac{\sqrt{5}-1}{4} がわかります。

詳しい計算は 1のn乗根の性質と複素数平面 の記事末にも書いてあります。

導出3. 複素数平面を使う

z5=1z^5=1 を解けばよい。移行して因数分解すると, (z−1)(z4+z3+z2+z+1)=0(z-1)(z^4+z^3+z^2+z+1)=0 第二因数について,相反方程式なので z2z^2 で割って変形すると, z2+1z2+z+1z+1=0z^2+\dfrac{1}{z^2}+z+\dfrac{1}{z}+1=0 z+1z=tz+\dfrac{1}{z}=t とおくと, t2−2+t+1=0t^2-2+t+1=0 つまり,t=−1±52t=\dfrac{-1\pm\sqrt{5}}{2}

一方,z+1z=tz+\dfrac{1}{z}=t を zz について解くと z2−tz+1=0z^2-tz+1=0 から z=t±t2−42z=\dfrac{t\pm\sqrt{t^2-4}}{2}

以上より,z=−1±52±6∓254−42z=\dfrac{\frac{-1\pm\sqrt{5}}{2}\pm\sqrt{\frac{6\mp2\sqrt{5}}{4}-4}}{2} z=−1±54±10±254iz=\dfrac{-1\pm\sqrt{5}}{4}\pm\dfrac{\sqrt{10\pm 2\sqrt{5}}}{4}i ただし,±\pm が3つあるが,1つめと3つめは同じ符号を選ぶ。4つの解を得られる。結局, sin⁡18∘=cos⁡72∘=−1+54\sin 18^{\circ}=\cos 72^{\circ}=\dfrac{-1+\sqrt{5}}{4} がわかる。

cos⁡18°\cos 18°

sin⁡\sin がわかれば cos⁡\cos もわかります。sin⁡\sin と同じような方法でも計算できますが, sin⁡218∘+cos⁡218∘=1 \sin^2 18^{\circ} + \cos^2 18^{\circ} = 1 から計算することもできます。計算結果は,

cos⁡18∘=10+254 \cos 18^{\circ} = \dfrac{\sqrt{10+2\sqrt{5}}}{4} と2重根号が出てきます。

tan⁡18°\tan 18°

これまでの結果を用いれば tan⁡18∘=sin⁡18∘cos⁡18∘=−1+54⋅410+25=−1+5(5+25)(6−25)=−1+55+25(5−1)=15+25\begin{aligned} \tan 18^{\circ} &= \dfrac{\sin 18^{\circ}}{\cos 18^{\circ}}\\ &= \dfrac{-1+\sqrt{5}}{4} \cdot \dfrac{4}{\sqrt{10+2\sqrt{5}}} \\ &= \dfrac{-1+\sqrt{5}}{\sqrt{(5+2\sqrt{5})(6-2\sqrt{5})}}\\ &= \dfrac{-1+\sqrt{5}}{\sqrt{5+2\sqrt{5}} (\sqrt{5}-1)}\\ &= \dfrac{1}{\sqrt{5+2\sqrt{5}}} \end{aligned} と分かります。

sin⁡18∘\sin 18^{\circ} の導出2と同様な方法を使うともっと簡単に計算できます。

導出

さきほどの導出2において,BC\mathrm{BC} の中点を H\mathrm{H} とすると tan⁡18∘=BHAH \tan 18^{\circ} = \dfrac{\mathrm{BH}}{\mathrm{AH}} である。

BH=12\mathrm{BH} = \dfrac{1}{2} で, AH=AB2−BH2=x2−14=6+254−14=5+254=5+252\begin{aligned} \mathrm{AH} &= \sqrt{\mathrm{AB}^2 - \mathrm{BH}^2}\\ &= \sqrt{x^2 - \dfrac{1}{4}}\\ &= \sqrt{\dfrac{6+2\sqrt{5}}{4} - \dfrac{1}{4}}\\ &= \sqrt{\dfrac{5+2\sqrt{5}}{4}}\\ &= \dfrac{\sqrt{5+2\sqrt{5}}}{2} \end{aligned} となるため tan⁡18∘=15+25 \tan 18^{\circ} = \dfrac{1}{\sqrt{5+2\sqrt{5}}} と計算される。

72∘72^{\circ} の三角比

18∘18^{\circ} の三角比より sin⁡72∘=10+254cos⁡72∘=5−14tan⁡72∘=5+25\begin{aligned} \sin 72^{\circ} &= \dfrac{\sqrt{10+2\sqrt{5}}}{4}\\ \cos 72^{\circ} &= \dfrac{\sqrt{5}-1}{4}\\ \tan 72^{\circ} &= \sqrt{5+2\sqrt{5}} \end{aligned} となります。

72∘72^{\circ} のほうが tan⁡\tan の値が簡単ですね。

最短で得点力を上げる!高校数学の問題集〈典型250問〉の問題189では,sin⁡18∘\sin 18^{\circ} を求める計算においてミスを減らすコツも紹介しています。