和または差の公式（積和公式と和積公式）

TL;DR

積を和または差に変形する公式（積和公式）

• \[\sin \alpha \cos \beta = \frac { 1 } { 2 } \{ \sin ( \alpha + \beta ) + \sin ( \alpha - \beta ) \}\]
• \[\cos \alpha \sin \beta = \frac { 1 } { 2 } \{ \sin ( \alpha + \beta ) - \sin ( \alpha - \beta ) \}\]
• \[\cos \alpha \cos \beta = \frac { 1 } { 2 } \{ \cos ( \alpha + \beta ) + \cos ( \alpha - \beta )\}\]
• \[\sin \alpha \sin \beta = - \frac { 1 } { 2 } \{ \cos ( \alpha + \beta ) - \cos ( \alpha - \beta ) \}\]

和または差を積に変形する公式（和積公式）

• \[\sin A + \sin B = 2\sin \frac{A+B}{2}\cos \frac{A-B}{2}\]
• \[\sin A - \sin B = 2\cos \frac{A+B}{2}\sin \frac{A-B}{2}\]
• \[\cos A + \cos B = 2\cos \frac{A+B}{2}\cos \frac{A-B}{2}\]
• \[\cos A - \cos B = -2\sin \frac{A+B}{2}\sin \frac{A-B}{2}\]

公式だけでなく、導出過程も一緒に覚えておくと良いでしょう。

前提知識

• 三角関数の加法定理

積を和または差に変形する公式（積和公式）

• \[\sin \alpha \cos \beta = \frac { 1 } { 2 } \{ \sin ( \alpha + \beta ) + \sin ( \alpha - \beta ) \}\]
• \[\cos \alpha \sin \beta = \frac { 1 } { 2 } \{ \sin ( \alpha + \beta ) - \sin ( \alpha - \beta ) \}\]
• \[\cos \alpha \cos \beta = \frac { 1 } { 2 } \{ \cos ( \alpha + \beta ) + \cos ( \alpha - \beta )\}\]
• \[\sin \alpha \sin \beta = - \frac { 1 } { 2 } \{ \cos ( \alpha + \beta ) - \cos ( \alpha - \beta ) \}\]

導出

三角関数の加法定理

\[\begin{align} \sin(\alpha+\beta) &= \sin \alpha \cos \beta + \cos \alpha \sin \beta \tag{1}\label{eqn:sin_add}\\ \sin(\alpha-\beta) &= \sin \alpha \cos \beta - \cos \alpha \sin \beta \tag{2}\label{eqn:sin_dif} \end{align}\]

を利用します。

($\ref{eqn:sin_add}$)+($\ref{eqn:sin_dif}$)すると

\[\sin(\alpha+\beta) + \sin(\alpha-\beta) = 2 \sin \alpha \cos \beta \tag{3}\label{sin_product_to_sum}\] \[\therefore \sin \alpha \cos \beta = \frac { 1 } { 2 } \{ \sin ( \alpha + \beta ) + \sin ( \alpha - \beta ) \}.\]

($\ref{eqn:sin_add}$)-($\ref{eqn:sin_dif}$)すると

\[\sin(\alpha+\beta) - \sin(\alpha-\beta) = 2 \cos \alpha \sin \beta \tag{4}\label{cos_product_to_dif}\] \[\therefore \cos \alpha \sin \beta = \frac { 1 } { 2 } \{ \sin ( \alpha + \beta ) - \sin ( \alpha - \beta ) \}.\]

同様の方法で

\[\begin{align} \cos(\alpha+\beta) &= \cos \alpha \cos \beta - \sin \alpha \sin \beta \tag{5}\label{eqn:cos_add} \\ \cos(\alpha-\beta ) &= \cos \alpha \cos \beta + \sin \alpha \sin \beta \tag{6}\label{eqn:cos_dif} \end{align}\]

から

($\ref{eqn:cos_add}$)+($\ref{eqn:cos_dif}$)すると

\[\cos(\alpha+\beta) + \cos(\alpha-\beta) = 2 \cos \alpha \cos \beta \tag{7}\label{cos_product_to_sum}\] \[\therefore \cos \alpha \cos \beta = \frac { 1 } { 2 } \{ \cos(\alpha+\beta) + \cos(\alpha-\beta) \}.\]

($\ref{eqn:cos_add}$)-($\ref{eqn:cos_dif}$)すると

\[\cos(\alpha+\beta) - \cos(\alpha-\beta) = -2 \sin \alpha \sin \beta \tag{8}\label{sin_product_to_dif}\] \[\therefore \sin \alpha \sin \beta = -\frac { 1 } { 2 } \{ \cos(\alpha+\beta) - \cos(\alpha-\beta) \}.\]

和または差を積に変形する公式（和積公式）

• \[\sin A + \sin B = 2\sin \frac{A+B}{2}\cos \frac{A-B}{2}\]
• \[\sin A - \sin B = 2\cos \frac{A+B}{2}\sin \frac{A-B}{2}\]
• \[\cos A + \cos B = 2\cos \frac{A+B}{2}\cos \frac{A-B}{2}\]
• \[\cos A - \cos B = -2\sin \frac{A+B}{2}\sin \frac{A-B}{2}\]

導出

積を和または差に変形する公式（積和公式）から和または差を積に変形する公式（和積公式）も導出できます。

\[\alpha + \beta = A, \quad \alpha - \beta = B\]

とおき、二つの式を$\alpha$、$\beta$について連立して解くと

\[\alpha = \frac{A+B}{2}, \quad \beta = \frac{A-B}{2}.\]

これを前の($\ref{sin_product_to_sum}$)、($\ref{cos_product_to_dif}$)、($\ref{cos_product_to_sum}$)、($\ref{sin_product_to_dif}$)にそれぞれ代入すると、次の公式が得られます。

\[\begin{align*} \sin A + \sin B &= 2\sin \frac{A+B}{2}\cos \frac{A-B}{2} \\ \sin A - \sin B &= 2\cos \frac{A+B}{2}\sin \frac{A-B}{2} \\ \cos A + \cos B &= 2\cos \frac{A+B}{2}\cos \frac{A-B}{2} \\ \cos A - \cos B &= -2\sin \frac{A+B}{2}\sin \frac{A-B}{2}. \end{align*}\]