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cos関数の合成(複素数を用いた導出)

2つのcos関数 の合成式を,複素数を用いて表すと

    ---- (1)

となる( オイラーの公式).

    

    ---- (2)

上式において

,   ,       ---- (3)

とおくと

    ---- (4)

となる.ここで,

    ---- (5)

    ---- (6)

である.したがって,

を得る.(導出完了)


(※)(1)の複素数を用いた表現において

    ---- (7)

として同様に進めると,

    ---- (8)

,   ,       ---- (9)

が得られる.


■ 複素平面での幾何学的な意味

図に示すように,複素数の和

は,複素平面上での2つのベクトルの和に対応する.右側の図中の角 は,

    ---- (10)

であり,余弦定理により


      ---- (11)

である.また,角 は次式を満たす.

    ---- (12)

図から分かるように, であり, なので

    ---- (13)

となる.したがって,

  ( 加法定理
      
         ( 2倍角の公式
           ---- (14)

が得られる.

また,式(2)の表現

    ---- (15)

)において,右辺の 内は,長径を ,短径を とした複素平面上の楕円軌道を表している.その楕円軌道上の,角 のときの位置ベクトルは 平面上で

と表され,その大きさが


  
  

であり, 軸とのなす角

を満たす(ただし, のとき とする).したがって,

と表される.さらに,式(15)の右辺の指数関数 は,複素平面上のベクトルを原点の周りに角 だけ回転させることに対応するので, 回転させると

となる.したがって,

という対応がある.

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最終更新日:2025年4月23日