До этого что-нибудь нужно писать?

И как получить

Верхняя система -- это просто стандартные формулы преобразования координат при повороте осей:
, где

-- это как раз угол поворота. Можете (в книжках так обычно и делают) просто подставить буквально эти формулы в уравнение, тогда требование сокращения слагаемых

даст непосредственно уравнение на угол

. Только это невыгодно: и громоздко, да и нужен-то нам не столько сам угол, сколько именно его косинус и синус. Поэтому лучше подставлять именно укороченный вариант, а поскольку неизвестных параметров окажется уже два -- трубуется ещё одно уравнение. И оно у нас есть -- вот как раз основное тригонометрическое тождество:

, т.е.

.