答えの式はよくわかりませんが、お勧めとしては(2)のやり方で解くことです。こっちの方がよっぽどわかりやすく簡単だと思いますので、一度はやってみてはいかがでしょうか。
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ごめんなさい。見間違いました。3つ目のやり方は回答のやり方となります。余弦定理の式の変形ですね。これでわかりますか?上の二通りのやり方は余弦定理が思いつかない時に使うといいので、一応目を通すといいですね。