三角比のcos(tan)がマイナスになる理由が分からない
初めまして、情報科学研究科の修士です。
簡単に言うと、三角比だけで定義すると汎用性がないから、座標を用いて拡張したためです。
三角比というのはもともと直角三角形の「辺の比」として定義されました。例えば、cosθなら「隣辺/斜辺」、sinθなら「対辺/斜辺」というように、辺の長さの比をもとに求めるものです。
しかし、これだけでは第一象限(右上)しか表現することができず、汎用性がありません。そこで、三角比を90°以上にも拡張するためには、単位円という考え方を取り入れる必要があります。直角三角形は90°を超えると作れなくなってしまうので、これまでの「辺の比」だけでは説明ができません。そこで、半径1の円(単位円)を使い、x座標とy座標をもとに sin, cos, tan を定義する方法が導入されました。
単位円では、ある角θに対応する円周上の点の座標 (x, y) を使って三角比を考えます。具体的には、cosθ を「その点の x座標」、sinθ を「y座標」とし、tanθ は「sinθ / cosθ」、つまり「y座標 / x座標」と定義されます。すると、θが90°を超えた場合でも、単位円上の点の座標から sin, cos, tan を求めることができるようになるのです。
この考え方を用いると、θが90°を超えたとき、点 (x, y) は単位円の第2象限に入ります。このとき、x座標は負の値をとるため、cosθ(=x)は負になります。そして、tanθは「y/x」なので、xが負になることで tanθ も負になるわけです。一方、sinθは y座標に対応するため、第2象限(左上)では正の値を保ちます。こうして、三角比の値がマイナスになる理由が説明できます。
つまり、もともと三角比は直角三角形の「辺の比」として考えられていましたが、それを90°以上にも拡張するために、単位円という座標の概念を使うようになったのです。単位円を使うことで、θの範囲を 0°~360°、さらには負の角やラジアンにも広げることができ、三角比の概念がより汎用的になりました。
したがって、「三角比は辺の比ではないのか?」という疑問に対しては、「もともとは辺の比として定義されたが、現在は単位円を使って拡張され、x座標・y座標をもとに考えるものになった」と理解するのがよいでしょう。これなら、cosθやtanθが負になる理由も納得できるはずです。
頑張ってください、健闘を祈っています。