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上の式には、左辺にも右辺にも ay がありますね。
これを集めて整理すればよいのです。
ay = -g・sinθ + [m・cos^2(θ)/(M + m)]ay
↓
ay の付いた項を左辺に集めて
↓
ay - [m・cos^2(θ)/(M + m)]ay = -g・sinθ
↓
左辺を ay でくくって、中を整理すれば
↓
{ [(M + m) - m・cos^2(θ)] / (M + m) }ay = -g・sinθ
↓
{ [M + m(1 - cos^2(θ))] / (M + m) }ay = -g・sinθ
↓
1 - cos^2(θ) = sin^2(θ) を使って
↓
{ [M + m・sin^2(θ)] / (M + m) }ay = -g・sinθ
↓
両辺を ay の係数で割って
↓
ay = -(M + m)g・sinθ / [M + m・sin^2(θ)]
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