三角関数

三角関数の不等式(因数分解を利用)

次の不等式を解け。

$0≦\theta<2\pi$とする。

$$\sqrt{2}\sin2\theta-2\sin\theta-\sqrt{2}\cos\theta+1>0$$

方針

どこから手を付けたらいいのでしょうか…

これはどんな不等式でも言えることですが、まず目指すべき変形はなんですか?

例えば不等式 $x^2-x<0$ を解けと言われたら、まずはどんな変形をしますか?

それはもちろん因数分解ですよ!
そうですよね。この問題も例外ではありません。まずは因数分解を目指してから、無理であれば三角関数の合成なり和積公式なりを試すわけです。
なるほど…

2倍角の公式の利用と因数分解

まず2倍角の公式を使って、与式を

$2\sqrt{2}\sin\theta\cos\theta-2\sin\theta-\sqrt{2}\cos\theta+1>0$

と変形しました。これを因数分解はできますか?

えっと、まず $2\sin\theta$ でくくって…

$2\sin\theta(\sqrt{2}\cos\theta-1)-\sqrt{2}\cos\theta+1>0$

共通因数がありますね!

$\sqrt{2}\cos\theta-1$ が共通因数です!

$2\sin\theta(\sqrt{2}\cos\theta-1)-(\sqrt{2}\cos\theta-1)>0$

$(2\sin\theta-1)(\sqrt{2}\cos\theta-1)>0$

できました!

OKです。「1文字について整理する」因数分解をしたんですね。(この場合  $\sin\theta$ に注目)

慣れている人なら、因数分解の形を大まかに予想して、係数を順に埋め充ててもOKです。整数の単元で不定方程式を解くときに似たような変形をしたことを思い出すといいでしょう。

不等式の表す領域を考える

$(2\sin\theta-1)(\sqrt{2}\cos\theta-1)>0$

因数分解はできましたね。しかし、この後はどうしたらいいんでしょうか?

不等式の表す領域」のことは覚えていますか?

今解いている問題はいったん置いておいて、例えばですが…

$(x-1)(2y-1)>0$

の表す領域はどのようになりますか? 

かけて正だから、「正×正」か「負×負」なので、

$\begin{cases}x-1>0\\2y-1>0\end{cases}$

または

$\begin{cases}x-1<0\\2y-1<0\end{cases}$

つまり…

$\begin{cases}x>1\\y>\dfrac{1}{2}\end{cases}$

または

$\begin{cases}x<1\\y<\dfrac{1}{2}\end{cases}$

ということで、こんな領域です!
OK、その感じで、元の問題に戻りましょう。

$(2\sin\theta-1)(\sqrt{2}\cos\theta-1)>0$

この不等式が表す領域を図示するイメージで解いたらいいということですね!

$2\sin\theta-1=0$ ($\sin x=\dfrac{1}{2}$ の横線)と

$\sqrt{2}\cos\theta-1=0$($\cos x=\dfrac{1}{\sqrt{2}}$の縦線)

を境界線とする領域をかけばよいのです。

$\begin{cases}2\sin\theta-1>0\\\sqrt{2}\cos\theta-1>0\end{cases}$

または

$\begin{cases}2\sin\theta-1<0\\\sqrt{2}\cos\theta-1<0\end{cases}$

つまり…

$\begin{cases}\sin\theta>\dfrac{1}{2}\\\cos\theta>\dfrac{1}{\sqrt{2}}\end{cases}$

または

$\begin{cases}\sin\theta<\dfrac{1}{2}\\\cos\theta<\dfrac{1}{\sqrt{2}}\end{cases}$

ということは、図の右上左下

求める $\theta$ の範囲は

$\dfrac{\pi}{6}<\theta<\dfrac{\pi}{4} , \dfrac{5}{6}\pi<\theta<\dfrac{7}{4}\pi$ …(解答終わり)

こうです!
ABOUT ME
e-yobi
北海道大学工学研究科 修士課程修了。 専門は複雑系における物理現象。 大学卒業後は商社でネットワークエンジニアとして働いていました。 4年で退職し、教員免許を取得。 公立高校・私立高校の教員を経て、現在は関西で予備校講師をしています。