方針
各角は と の間にあるので、いずれの余弦も0ではない。したがって、与式を正接の加法定理の分子として扱える。分母が0の場合を避けて議論するより、 を で表すと、条件から直接0になる。最後は の範囲が より大きく より小さいことを使い、 の整数倍のうち可能なものだけを残す。
解答
はすべて0でない。そこで を加法定理で展開する。まずである。右辺から をくくるととなる。
与えられた条件より、波括弧内は0である。したがって である。よって を満たす整数 が存在する。
一方、各角の範囲から である。したがって、この範囲に入る の整数倍は だけである。
また、これらはいずれも実際に起こる。例えばはいずれも条件を満たし、和は順に である。よって求める値は である。
別解
解法2
方針
まず を確認し、2角の正接加法定理へ帰着する。和の範囲と実現例まで確認する。
解答
、、 とおく。もし なら、条件式から となる。しかし と を同時に満たす実数 はない。よって である。
与式 よりしたがってであり、各角が と の間にあるので、和は と の間にある。よって候補はこれらはそれぞれで実現する。したがって求める値は
総評
加法定理の分子を見抜く三角関数の標準問題である。目安時間は8分程度。答案では、正接の加法定理をそのまま書くと分母が0の場合を見落としやすいため、 の展開から処理すると堅い。最後に角度範囲を使って候補を に絞り、実際にそれらが可能であることまで触れると「すべて求めよ」に対する答案として完成する。