Trigonometry · real student question

三角形 ABC で (cos B + cos A cos C)/(sin B cos C) = a√3/b が成り立ち、a = 3、c = 2√3 である。sin A を求めよ。

Question

ABC\triangle ABC において、辺 a,b,ca,b,c はそれぞれ角 A,B,CA,B,C に対応し、次を満たす。

cosB+cosAcosCsinBcosC=a3b,a=3,c=23.\frac{\cos B+\cos A\cos C}{\sin B\cos C}=\frac{a\sqrt3}{b},\qquad a=3,\quad c=2\sqrt3.

sinA\sin A を求めよ。

Step-by-step solution

  1. 三角形の内角の和を使って cosB\cos B を置き換える。 どの三角形でも A+B+C=πA+B+C=\pi なので B=π(A+C)B=\pi-(A+C) であり、

    cosB=cos ⁣(π(A+C))=cos(A+C)=(cosAcosCsinAsinC).\cos B=\cos\!\left(\pi-(A+C)\right)=-\cos(A+C)=-\left(\cos A\cos C-\sin A\sin C\right).

    3つの角が混ざった三角形の恒等式では、この置き換えが定石の第一手である。

  2. 分子を整理して潰す。 cosAcosC\cos A\cos C を足すと、2つの cosAcosC\cos A\cos C が打ち消し合う:

    cosB+cosAcosC=cosAcosC+sinAsinC+cosAcosC=sinAsinC.\cos B+\cos A\cos C=-\cos A\cos C+\sin A\sin C+\cos A\cos C=\sin A\sin C.

    したがって左辺は次のようになる。

    sinAsinCsinBcosC=sinAsinBtanC.\frac{\sin A\sin C}{\sin B\cos C}=\frac{\sin A}{\sin B}\cdot\tan C.

  3. 正弦定理を使って右辺と対応させる。 asinA=bsinB\dfrac{a}{\sin A}=\dfrac{b}{\sin B} より sinAsinB=ab\dfrac{\sin A}{\sin B}=\dfrac{a}{b} なので、条件は

    abtanC=a3b.\frac{a}{b}\tan C=\frac{a\sqrt3}{b}.

    と書ける。辺の長さは正なので因子 ab\dfrac{a}{b} は約分でき、

    tanC=3  C=π3=60,\tan C=\sqrt3\ \Longrightarrow\ C=\frac{\pi}{3}=60^{\circ},

    となる。これが 0<C<π0<C<\pi かつ cosC0\cos C\ne 0 を満たす唯一の解である。与えられた恒等式が決めるのは CC だけで、辺の値はここまで一度も使っていないことに注目したい。

  4. 既知の組 (c,C)(c,C) に正弦定理を使う。

    asinA=csinC  sinA=asinCc=33223=3343=34.\frac{a}{\sin A}=\frac{c}{\sin C}\ \Longrightarrow\ \sin A=\frac{a\sin C}{c}=\frac{3\cdot\frac{\sqrt3}{2}}{2\sqrt3}=\frac{3\sqrt3}{4\sqrt3}=\frac{3}{4}.

  5. 三角形が実際に存在し、一意に決まることを確かめる。 a=3<c=233.464a=3<c=2\sqrt3\approx 3.464 なので角 AAC=60C=60^{\circ} より小さく、A=arcsin3448.59A=\arcsin\tfrac34\approx 48.59^{\circ} となる。鈍角側の 131.41131.41^{\circ} はあり得ない(CC の分が残らなくなる)。すると B71.41B\approx 71.41^{\circ}b=csinBsinC3.7913=3+212b=\dfrac{c\sin B}{\sin C}\approx 3.7913=\dfrac{3+\sqrt{21}}{2} となり、これらをもとの式に戻すと両辺とも 1.370551.37055 になる。

Answer

sinA=34\sin A=\frac{3}{4}

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