Lumio

Fonctions trigonométriques — cours

3ème année · section Mathématiques · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Rappel · 1

Les fonctions sinus et cosinus sont définies sur R\mathbb{R} et admettent une répétition régulière à chaque tour complet du cercle trigonométrique.

xR,cos(x+2π)=cosxetsin(x+2π)=sinx\forall x \in \mathbb{R},\quad \cos(x+2\pi) = \cos x \quad \text{et} \quad \sin(x+2\pi) = \sin x

On dit que les fonctions sinus et cosinus sont périodiques de période 2π2\pi.

Point de départ · 2

On considère la fonction f(x)=cos(2x)f(x) = \cos(2x). Lorsque xx augmente de π\pi, de combien augmente l'argument 2x2x à l'intérieur du cosinus ?

Remarque

Quand xx varie de 00 à π\pi, l'argument 2x2x varie de 00 à 2π2\pi. Le cycle complet du cosinus est donc déjà accompli sur un intervalle de longueur π\pi : la fonction se répète deux fois plus vite que le cosinus classique.

Définition · 3

Périodicité et interprétation géométrique

f(x+T)=f(x)f(x+T) = f(x)

Une fonction ff définie sur DD est dite périodique s'il existe un réel strictement positif TT tel que pour tout xDx \in D, (x+T)D(x+T) \in D et f(x+T)=f(x)f(x+T) = f(x). Le plus petit réel T>0T > 0 vérifiant cette propriété est la période fondamentale de ff.

T=2πωT = \frac{2\pi}{|\omega|}

Pour tout réel non nul ω\omega et tout réel φ\varphi, les fonctions xcos(ωx+φ)x \mapsto \cos(\omega x + \varphi) et xsin(ωx+φ)x \mapsto \sin(\omega x + \varphi) ont pour période fondamentale T=2πωT = \frac{2\pi}{|\omega|}.

Remarque

Interprétation géométrique : la courbe représentative de ff est invariante par les translations de vecteurs kTik T \vec{i}kZk \in \mathbb{Z}.

Exemple travaillé · 4

Détermine la période fondamentale de la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=sin(3xπ4)f(x) = \sin\left(3x - \frac{\pi}{4}\right), puis vérifie par le calcul que pour tout xRx \in \mathbb{R}, f(x+T)=f(x)f(x+T) = f(x).

1

On identifie la pulsation ω\omega devant la variable xx : ici ω=3\omega = 3.

2
T=2πω=2π3T = \frac{2\pi}{|\omega|} = \frac{2\pi}{3}
3

On vérifie la propriété algébrique en remplaçant xx par x+2π3x + \frac{2\pi}{3} dans l'expression de ff :

4
f(x+2π3)=sin(3(x+2π3)π4)=sin(3x+2ππ4)f\left(x + \frac{2\pi}{3}\right) = \sin\left(3\left(x + \frac{2\pi}{3}\right) - \frac{\pi}{4}\right) = \sin\left(3x + 2\pi - \frac{\pi}{4}\right)
5

Puisque la fonction sinus est 2π2\pi-périodique, l'ajout de 2π2\pi dans l'argument ne modifie pas sa valeur : sin(3x+2ππ4)=sin(3xπ4)=f(x)\sin\left(3x + 2\pi - \frac{\pi}{4}\right) = \sin\left(3x - \frac{\pi}{4}\right) = f(x).

Exemple travaillé · 5

Soit gg une fonction définie sur R\mathbb{R}, de période T=2T = 2. On sait que pour tout x[0;2[x \in [0 ; 2[, g(x)=2x1g(x) = 2x - 1. Détermine la valeur exacte de g(2006)g(2006) et de g(7)g(-7).

1

Par application répétée de la période, pour tout entier relatif kZk \in \mathbb{Z}, on a g(x+k2)=g(x)g(x + k \cdot 2) = g(x). On cherche à ramener chaque nombre dans l'intervalle connu [0;2[[0 ; 2[.

2

Pour 20062006, on effectue la division par la période 22 : 2006=0+1003×22006 = 0 + 1003 \times 2 avec 0[0;2[0 \in [0 ; 2[.

3
g(2006)=g(0)=2(0)1=1g(2006) = g(0) = 2(0) - 1 = -1
4

Pour 7-7, on cherche un multiple de 22 tel que 72k[0;2[-7 - 2k \in [0 ; 2[. En prenant k=4k = -4, on obtient 7=1+(4)×2-7 = 1 + (-4) \times 2 avec 1[0;2[1 \in [0 ; 2[.

5
g(7)=g(1)=2(1)1=1g(-7) = g(1) = 2(1) - 1 = 1

Piège classique · 6

Quelle est la période fondamentale de la fonction définie par f(x)=cos(13x+π4)f(x) = \cos\left(\frac{1}{3}x + \frac{\pi}{4}\right) ?

Attention

Calculer T=2π×13=2π3T = 2\pi \times \frac{1}{3} = \frac{2\pi}{3} en multipliant par la pulsation au lieu de diviser, ou inclure la phase π4\frac{\pi}{4} dans la période.

À la place : La pulsation est ω=13\omega = \frac{1}{3}. On divise par cette pulsation : T=2πω=2π13=2π×3=6πT = \frac{2\pi}{|\omega|} = \frac{2\pi}{\frac{1}{3}} = 2\pi \times 3 = 6\pi. La phase π4\frac{\pi}{4} décale la courbe mais ne change pas sa période.

Vérification · 7

Quelle est la période fondamentale de la fonction hh définie sur R\mathbb{R} par h(x)=sin(π2x1)h(x) = \sin\left(\frac{\pi}{2}x - 1\right) ?

Remarque

La pulsation vaut ω=π2\omega = \frac{\pi}{2}. Par conséquent, T=2πω=2ππ2=2π×2π=4T = \frac{2\pi}{|\omega|} = \frac{2\pi}{\frac{\pi}{2}} = 2\pi \times \frac{2}{\pi} = 4. Une fonction trigonométrique peut tout à fait admettre une période entière sans symbole π\pi.

Point de départ · 8

On note CC la courbe de la fonction xsin(2x)x \mapsto \sin(2x) et CC' celle de f(x)=sin(2xπ3)f(x) = \sin\left(2x - \frac{\pi}{3}\right). Quel vecteur horizontal permet de faire glisser CC sur CC' ?

Remarque

Le décalage π3-\frac{\pi}{3} n'est pas appliqué directement à xx, mais au bloc 2x2x. Pour connaître le déplacement réel sur l'axe des abscisses, il faut impérativement factoriser par la pulsation 22.

Définition · 9

Translation et déphasage

Pour déterminer le décalage horizontal réel d'une fonction sinusoïdale, on met en facteur la pulsation ω\omega devant la variable xx.

f(x)=sin(ωx+φ)=sin(ω(x+φω))f(x) = \sin(\omega x + \varphi) = \sin\left(\omega\left(x + \frac{\varphi}{\omega}\right)\right)

La courbe de ff s'obtient à partir de celle de xsin(ωx)x \mapsto \sin(\omega x) par la translation de vecteur horizontal :

u=φωi\vec{u} = -\frac{\varphi}{\omega}\vec{i}

Définition · 10

Axes et centres de symétrie

L'identification d'une symétrie permet de diviser par deux la longueur de l'intervalle d'étude.

x=a est axe de symeˊtrie    xDf,  (2ax)Df et f(2ax)=f(x)x = a \text{ est axe de symétrie} \iff \forall x \in D_f,\; (2a-x) \in D_f \text{ et } f(2a-x) = f(x)

I(a,b) est centre de symeˊtrie    xDf,  (2ax)Df et f(2ax)+f(x)=2bI(a,b) \text{ est centre de symétrie} \iff \forall x \in D_f,\; (2a-x) \in D_f \text{ et } f(2a-x) + f(x) = 2b

Remarque

Si une fonction ff est périodique de période TT et admet un axe de symétrie x=ax = a, il suffit de l'étudier sur un intervalle de longueur T2\frac{T}{2} ayant aa pour extrémité, par exemple [a;a+T2]\left[a ; a + \frac{T}{2}\right].

Exemple travaillé · 11

Soit ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=cos(2x)2sinxf(x) = \cos(2x) - 2\sin x. Montre que la droite d'équation x=π2x = \frac{\pi}{2} est un axe de symétrie de sa courbe représentative, puis réduis l'intervalle d'étude.

1

On teste la condition f(2ax)=f(x)f(2a-x) = f(x) avec a=π2a = \frac{\pi}{2}, ce qui donne 2a=π2a = \pi. On évalue donc f(πx)f(\pi - x).

2
f(πx)=cos(2(πx))2sin(πx)=cos(2π2x)2sin(πx)f(\pi - x) = \cos(2(\pi - x)) - 2\sin(\pi - x) = \cos(2\pi - 2x) - 2\sin(\pi - x)
3

Par périodicité et parité du cosinus, cos(2π2x)=cos(2x)=cos(2x)\cos(2\pi - 2x) = \cos(-2x) = \cos(2x). De plus, d'après les angles associés, sin(πx)=sinx\sin(\pi - x) = \sin x.

4
f(πx)=cos(2x)2sinx=f(x)f(\pi - x) = \cos(2x) - 2\sin x = f(x)
5

La droite d'équation x=π2x = \frac{\pi}{2} est donc bien un axe de symétrie pour la courbe de ff.

6

La période de ff étant 2π2\pi, on peut choisir l'intervalle centré [π2;3π2]\left[-\frac{\pi}{2} ; \frac{3\pi}{2}\right]. Grâce à l'axe de symétrie x=π2x = \frac{\pi}{2}, il suffit d'étudier ff sur sa moitié gauche [π2;π2]\left[-\frac{\pi}{2} ; \frac{\pi}{2}\right].

Piège classique · 12

On considère la fonction g(x)=cos(3x+π)g(x) = \cos(3x + \pi) et C0C_0 la courbe de xcos(3x)x \mapsto \cos(3x). Par quel vecteur de translation déduit-on la courbe de gg à partir de C0C_0 ?

Attention

Lire directement +π+\pi dans la parenthèse et répondre que le vecteur est πi-\pi\vec{i}.

À la place : Il faut factoriser par le coefficient 33 devant xx : 3x+π=3(x+π3)3x + \pi = 3\left(x + \frac{\pi}{3}\right). La translation est donc de vecteur π3i-\frac{\pi}{3}\vec{i}.

Exemple travaillé · 13

Soit f(x)=sin(2x)f(x) = \sin(2x). Explique comment construire la courbe Ch\mathcal{C}_h de la fonction h(x)=3sin(2xπ3)h(x) = 3 - \sin\left(2x - \frac{\pi}{3}\right) à partir de la courbe Cf\mathcal{C}_f.

1

On factorise la pulsation dans l'argument : 2xπ3=2(xπ6)2x - \frac{\pi}{3} = 2\left(x - \frac{\pi}{6}\right).

2

On pose g(x)=sin(2(xπ6))=f(xπ6)g(x) = \sin\left(2\left(x - \frac{\pi}{6}\right)\right) = f\left(x - \frac{\pi}{6}\right). La courbe Cg\mathcal{C}_g est l'image de Cf\mathcal{C}_f par la translation de vecteur π6i\frac{\pi}{6}\vec{i}.

3

On réécrit hh sous la forme h(x)=g(x)+3h(x) = -g(x) + 3 pour décomposer les opérations restantes.

4

La fonction g(x)-g(x) correspond à une symétrie orthogonale par rapport à l'axe des abscisses.

5

L'ajout de la constante 33 correspond à une translation verticale de vecteur 3j3\vec{j}.

Vérification · 14

Soit ff une fonction définie sur R\mathbb{R} vérifiant pour tout réel xx : f(πx)+f(x)=0f(\pi - x) + f(x) = 0. Que peut-on affirmer sur sa courbe représentative ?

Remarque

La relation s'écrit f(2ax)+f(x)=2bf(2a-x) + f(x) = 2b avec 2a=π2a = \pi (soit a=π2a = \frac{\pi}{2}) et 2b=02b = 0 (soit b=0b = 0). Le point I(π2,0)I\left(\frac{\pi}{2}, 0\right) est donc un centre de symétrie.

Point de départ · 15

On sait que (sinx)=cosx(\sin x)' = \cos x. D'après la règle de dérivation des fonctions composées, que vaut la dérivée de f(x)=sin(2x)f(x) = \sin(2x) ?

Remarque

La dérivée de la fonction affine intérieure u(x)=2xu(x) = 2x vaut 22. En appliquant (f(u))=u×f(u)(f(u))' = u' \times f'(u), ce facteur 22 se retrouve devant : f(x)=2cos(2x)f'(x) = 2\cos(2x).

Définition · 16

Dérivées des fonctions composées trigonométriques

Les fonctions sinus et cosinus sont dérivables sur R\mathbb{R}. Pour toute fonction affine xωx+φx \mapsto \omega x + \varphi avec ω0\omega \neq 0 :

(sin(ωx+φ))=ωcos(ωx+φ)(\sin(\omega x + \varphi))' = \omega \cos(\omega x + \varphi)

(cos(ωx+φ))=ωsin(ωx+φ)(\cos(\omega x + \varphi))' = -\omega \sin(\omega x + \varphi)

Pour toute puissance entière n1n \ge 1, la règle (un)=nuun1(u^n)' = n u' u^{n-1} donne :

(sinnx)=ncosxsinn1xet(cosnx)=nsinxcosn1x(\sin^n x)' = n \cos x \sin^{n-1} x \quad \text{et} \quad (\cos^n x)' = -n \sin x \cos^{n-1} x

Exemple travaillé · 17

Détermine la fonction dérivée de la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=1+2sin(2xπ4)f(x) = 1 + \sqrt{2}\sin\left(2x - \frac{\pi}{4}\right).

1

On identifie l'argument intérieur de la fonction sinus : u(x)=2xπ4u(x) = 2x - \frac{\pi}{4}.

2

On dérive cette fonction affine : u(x)=2u'(x) = 2.

3

La dérivée d'une constante étant nulle, on applique (sin(ax+b))=acos(ax+b)(\sin(ax+b))' = a\cos(ax+b) :

4
f(x)=2×2cos(2xπ4)=22cos(2xπ4)f'(x) = \sqrt{2} \times 2\cos\left(2x - \frac{\pi}{4}\right) = 2\sqrt{2}\cos\left(2x - \frac{\pi}{4}\right)

Piège classique · 18

Quelle est la fonction dérivée de g(x)=cos3xg(x) = \cos^3 x sur R\mathbb{R} ?

Attention

Dériver cos3x\cos^3 x en 3cos2x3\cos^2 x en traitant cosx\cos x comme une simple variable xx.

À la place : Il faut appliquer la formule (un)=nuun1(u^n)' = n u' u^{n-1} avec u(x)=cosxu(x) = \cos x. Comme u(x)=sinxu'(x) = -\sin x, on obtient g(x)=3(sinx)cos2x=3sinxcos2xg'(x) = 3(-\sin x)\cos^2 x = -3\sin x\cos^2 x.

Exemple travaillé · 19

Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=sin2x+cosxf(x) = \sin^2 x + \cos x. Calcule f(x)f'(x) et exprime le résultat sous forme d'un produit.

1

On dérive le terme sin2x\sin^2 x en appliquant la formule (u2)=2uu(u^2)' = 2u'u avec u(x)=sinxu(x) = \sin x :

2
(sin2x)=2(sinx)sinx=2cosxsinx(\sin^2 x)' = 2(\sin x)' \sin x = 2\cos x \sin x
3

On dérive le terme cosx\cos x, ce qui donne sinx-\sin x :

4
f(x)=2sinxcosxsinxf'(x) = 2\sin x \cos x - \sin x
5

On factorise par le terme commun sinx\sin x pour préparer l'étude de signe :

6
f(x)=sinx(2cosx1)f'(x) = \sin x(2\cos x - 1)

Vérification · 20

Pour tout réel xx, quelle est la dérivée de la fonction h(x)=cos(4x+π)h(x) = \cos(4x + \pi) ?

Remarque

On extrait la dérivée de l'argument 4x+π4x+\pi, qui vaut 44. La dérivée de la fonction cosinus est sin-\sin. Le produit donne h(x)=4sin(4x+π)h'(x) = -4\sin(4x+\pi).

Point de départ · 21

Quand xx tend vers 00, sinx\sin x tend vers 00 et xx tend vers 00. On est face à une forme indéterminée 00\frac{0}{0}. D'après toi, que vaut limx0sinxx\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} ?

Remarque

Bien que le numérateur et le dénominateur s'annulent tous les deux en 00, le rapport sinxx\frac{\sin x}{x} tend vers une valeur finie non nulle : sa limite vaut 11. C'est la limite de référence fondamentale de la trigonométrie.

Définition · 22

Limites trigonométriques remarquables en 0

Pour lever les indéterminations de la forme 00\frac{0}{0} en zéro, on utilise les limites de référence suivantes :

limx0sinxx=1etlimx01cosxx2=12\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1 \quad \text{et} \quad \lim_{x \to 0} \frac{1-\cos x}{x^2} = \frac{1}{2}

Pour tout réel non nul aa, on en déduit par composition avec xaxx \mapsto ax :

limx0sin(ax)x=a\lim_{x \to 0} \frac{\sin(ax)}{x} = a

Remarque

Au premier ordre en xx, le cosinus vérifie également : limx01cosxx=0\lim_{x \to 0} \frac{1-\cos x}{x} = 0.

Exemple travaillé · 23

Calcule la limite suivante : limx0sin2(2x)sin2x\lim_{x \to 0} \frac{\sin^2(2x)}{\sin^2 x}.

1

L'évaluation directe en x=0x = 0 conduit à la forme indéterminée 00\frac{0}{0}.

2

On fait apparaître les limites remarquables en divisant le numérateur et le dénominateur par x2x^2 :

3
sin2(2x)sin2x=sin2(2x)x2sin2xx2=(sin(2x)x)2(sinxx)2\frac{\sin^2(2x)}{\sin^2 x} = \frac{\frac{\sin^2(2x)}{x^2}}{\frac{\sin^2 x}{x^2}} = \frac{\left(\frac{\sin(2x)}{x}\right)^2}{\left(\frac{\sin x}{x}\right)^2}
4

D'après les limites de référence, limx0sin(2x)x=2\lim_{x \to 0} \frac{\sin(2x)}{x} = 2 et limx0sinxx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1.

5

Par quotient des limites de carrés, on obtient :

6
limx0sin2(2x)sin2x=2212=4\lim_{x \to 0} \frac{\sin^2(2x)}{\sin^2 x} = \frac{2^2}{1^2} = 4

Piège classique · 24

On étudie limx0sin(3x)1cos(2x)\lim_{x \to 0} \frac{\sin(3x)}{\sqrt{1-\cos(2x)}}. Sachant que 1cos(2x)=2sin2x1-\cos(2x) = 2\sin^2 x, que vaut 1cos(2x)\sqrt{1-\cos(2x)} lorsque x<0x < 0 ?

Attention

Écrire sin2x=sinx\sqrt{\sin^2 x} = \sin x pour tout réel xx, en oubliant que la racine carrée produit une valeur absolue.

À la place : Pour tout réel AA, A2=A\sqrt{A^2} = |A|. Comme sinx<0\sin x < 0 lorsque x0x \to 0^-, on a sin2x=sinx=sinx\sqrt{\sin^2 x} = |\sin x| = -\sin x. Ainsi 1cos(2x)=2sinx\sqrt{1-\cos(2x)} = -\sqrt{2}\sin x. La limite à gauche vaut 32-\frac{3}{\sqrt{2}} et la limite à droite vaut 32\frac{3}{\sqrt{2}} : la fonction n'admet donc pas de limite en 0.

Exemple travaillé · 25

Calcule la limite suivante : limx0cos2xcosx+2xsinx\lim_{x \to 0} \frac{-\cos^2 x - \cos x + 2}{x\sin x}.

1

En x=0x = 0, le numérateur vaut 11+2=0-1 - 1 + 2 = 0 et le dénominateur s'annule : on a une indétermination 00\frac{0}{0}.

2

On pose X=cosxX = \cos x au numérateur. Le trinôme X2X+2-X^2 - X + 2 admet 11 pour racine évidente et se factorise sous la forme (1X)(2+X)(1-X)(2+X).

3

Le numérateur devient donc (1cosx)(2+cosx)(1-\cos x)(2+\cos x).

4

On divise le numérateur et le dénominateur par x2x^2 pour isoler les blocs usuels :

5
(1cosx)(2+cosx)xsinx=1cosxx2×(2+cosx)sinxx\frac{(1-\cos x)(2+\cos x)}{x\sin x} = \frac{\frac{1-\cos x}{x^2} \times (2+\cos x)}{\frac{\sin x}{x}}
6

D'après les limites remarquables, limx01cosxx2=12\lim_{x \to 0} \frac{1-\cos x}{x^2} = \frac{1}{2}, limx0(2+cosx)=3\lim_{x \to 0} (2+\cos x) = 3 et limx0sinxx=1\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1.

7
limx0cos2xcosx+2xsinx=12×31=32\lim_{x \to 0} \frac{-\cos^2 x - \cos x + 2}{x\sin x} = \frac{\frac{1}{2} \times 3}{1} = \frac{3}{2}

Vérification · 26

Calcule la limite suivante : limx01cosxtan2x\lim_{x \to 0} \frac{1 - \cos x}{\tan^2 x}.

Remarque

On divise le numérateur et le dénominateur par x2x^2 : 1cosxtan2x=1cosxx2(tanxx)2\frac{1-\cos x}{\tan^2 x} = \frac{\frac{1-\cos x}{x^2}}{\left(\frac{\tan x}{x}\right)^2}. Sachant que limx01cosxx2=12\lim_{x \to 0} \frac{1-\cos x}{x^2} = \frac{1}{2} et limx0tanxx=1\lim_{x \to 0} \frac{\tan x}{x} = 1, le quotient tend vers 1/212=12\frac{1/2}{1^2} = \frac{1}{2}.

Rappel · 27

Soit ff une fonction dérivable en un réel x0x_0. Le nombre dérivé de ff en x0x_0, noté f(x0)f'(x_0), est la limite du taux d'accroissement :

limxx0f(x)f(x0)xx0=f(x0)\lim_{x \to x_0} \frac{f(x) - f(x_0)}{x - x_0} = f'(x_0)

Lorsque l'évaluation directe d'un quotient mène à la forme indéterminée 00\frac{0}{0} en x0x_0, reconnaître cette structure permet de trouver la limite sans factorisation algébrique.

Point de départ · 28

On cherche la limite limxπ3cosx12xπ3\lim_{x \to \frac{\pi}{3}} \frac{\cos x - \frac{1}{2}}{x - \frac{\pi}{3}}. En évaluant en x=π3x = \frac{\pi}{3}, on obtient la forme indéterminée 00\frac{0}{0}. Quelle méthode permet de déterminer cette limite le plus directement ?

Remarque

Au lieu d'utiliser de lourdes transformations trigonométriques, on remarque que 12=cos(π3)\frac{1}{2} = \cos\left(\frac{\pi}{3}\right). L'expression est exactement le taux d'accroissement de la fonction cosinus en π3\frac{\pi}{3}.

Définition · 29

Limites trigonométriques par le nombre dérivé

Soit ff une fonction dérivable en x0x_0. Si une limite en x0x_0 se présente sous la forme indéterminée 00\frac{0}{0} avec f(x0)=Lf(x_0) = L :

limxx0f(x)Lxx0=f(x0)\lim_{x \to x_0} \frac{f(x) - L}{x - x_0} = f'(x_0)

Si le numérateur et le dénominateur sont deux fonctions uu et vv dérivables en x0x_0 s'annulant en ce point, avec v(x0)0v'(x_0) \neq 0 :

limxx0u(x)v(x)=limxx0u(x)u(x0)xx0v(x)v(x0)xx0=u(x0)v(x0)\lim_{x \to x_0} \frac{u(x)}{v(x)} = \lim_{x \to x_0} \frac{\frac{u(x)-u(x_0)}{x-x_0}}{\frac{v(x)-v(x_0)}{x-x_0}} = \frac{u'(x_0)}{v'(x_0)}

Exemple travaillé · 30

Calcule la limite suivante à l'aide du nombre dérivé : limxπ2sin(2x)2xπ\lim_{x \to \frac{\pi}{2}} \frac{\sin(2x)}{2x - \pi}.

1

L'évaluation directe donne sin(π)ππ=00\frac{\sin(\pi)}{\pi - \pi} = \frac{0}{0}, une forme indéterminée.

2

On factorise le dénominateur par 22 pour faire apparaître la différence xπ2x - \frac{\pi}{2} :

3
sin(2x)2xπ=12×sin(2x)xπ2\frac{\sin(2x)}{2x - \pi} = \frac{1}{2} \times \frac{\sin(2x)}{x - \frac{\pi}{2}}
4

On pose f(x)=sin(2x)f(x) = \sin(2x). Comme f(π2)=sin(π)=0f\left(\frac{\pi}{2}\right) = \sin(\pi) = 0, la fraction s'écrit sous la forme d'un taux d'accroissement :

5
sin(2x)xπ2=f(x)f(π2)xπ2\frac{\sin(2x)}{x - \frac{\pi}{2}} = \frac{f(x) - f\left(\frac{\pi}{2}\right)}{x - \frac{\pi}{2}}
6

La fonction ff est dérivable sur R\mathbb{R} et f(x)=2cos(2x)f'(x) = 2\cos(2x), d'où f(π2)=2cos(π)=2f'\left(\frac{\pi}{2}\right) = 2\cos(\pi) = -2.

7

On en déduit la limite recherchée en multipliant par le facteur 12\frac{1}{2} :

8
limxπ2sin(2x)2xπ=12f(π2)=12×(2)=1\lim_{x \to \frac{\pi}{2}} \frac{\sin(2x)}{2x - \pi} = \frac{1}{2} f'\left(\frac{\pi}{2}\right) = \frac{1}{2} \times (-2) = -1

Piège classique · 31

On cherche la limite limxπ3cosx12xπ3\lim_{x \to \frac{\pi}{3}} \frac{\cos x - \frac{1}{2}}{x - \frac{\pi}{3}}. On pose f(x)=cosxf(x) = \cos x. Que vaut cette limite ?

Attention

Dériver cosx\cos x en sinx\sin x et conclure que la limite est sin(π3)=32\sin\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{\sqrt{3}}{2}.

À la place : La dérivée de cosx\cos x est sinx-\sin x. La limite est donc f(π3)=sin(π3)=32f'\left(\frac{\pi}{3}\right) = -\sin\left(\frac{\pi}{3}\right) = -\frac{\sqrt{3}}{2}.

Exemple travaillé · 32

Calcule la limite suivante en effectuant un changement de variable : limxπ1+cosx(xπ)2\lim_{x \to \pi} \frac{1 + \cos x}{(x - \pi)^2}.

1

L'évaluation directe en x=πx = \pi donne la forme indéterminée 00\frac{0}{0}.

2

Le dénominateur étant un carré (xπ)2(x-\pi)^2, le taux d'accroissement simple ne suffit pas. On pose le changement de variable h=xπh = x - \pi, d'où x=h+πx = h + \pi. Quand xπx \to \pi, on a h0h \to 0.

3

On transforme le numérateur à l'aide des angles associés :

4
cosx=cos(h+π)=cosh\cos x = \cos(h + \pi) = -\cos h
5

L'expression se réécrit comme un quotient en hh au voisinage de 00 :

6
1+cosx(xπ)2=1coshh2\frac{1 + \cos x}{(x - \pi)^2} = \frac{1 - \cos h}{h^2}
7

On applique la limite trigonométrique remarquable en 00 :

8
limxπ1+cosx(xπ)2=limh01coshh2=12\lim_{x \to \pi} \frac{1 + \cos x}{(x - \pi)^2} = \lim_{h \to 0} \frac{1 - \cos h}{h^2} = \frac{1}{2}

Vérification · 33

En utilisant le nombre dérivé d'une fonction adaptée, calcule : limxπ6sinx12xπ6\lim_{x \to \frac{\pi}{6}} \frac{\sin x - \frac{1}{2}}{x - \frac{\pi}{6}}.

Remarque

On reconnaît le taux d'accroissement de g(x)=sinxg(x) = \sin x en x0=π6x_0 = \frac{\pi}{6}, puisque sin(π6)=12\sin\left(\frac{\pi}{6}\right) = \frac{1}{2}. Comme g(x)=cosxg'(x) = \cos x, la limite vaut g(π6)=cos(π6)=32g'\left(\frac{\pi}{6}\right) = \cos\left(\frac{\pi}{6}\right) = \frac{\sqrt{3}}{2}.

Point de départ · 34

La fonction tangente est définie par le quotient tanx=sinxcosx\tan x = \frac{\sin x}{\cos x}. Sur l'intervalle [0;π][0 ; \pi], pour quelle valeur de xx ce calcul est-il impossible ?

Remarque

Pour que le quotient existe, le dénominateur ne doit pas s'annuler. Or, sur [0;π][0 ; \pi], le cosinus s'annule en x=π2x = \frac{\pi}{2} car cos(π2)=0\cos\left(\frac{\pi}{2}\right) = 0. La valeur π2\frac{\pi}{2} est donc une valeur interdite.

Définition · 35

Définition, domaine et périodicité de la fonction tangente

La fonction tangente, notée tan\tan, est la fonction qui à tout réel xx associe le rapport du sinus par le cosinus :

tanx=sinxcosx\tan x = \frac{\sin x}{\cos x}

Elle est définie pour tous les réels où le cosinus ne s'annule pas :

Dtan=R{π2+kπ,  kZ}D_{\tan} = \mathbb{R} \setminus \left\{ \frac{\pi}{2} + k\pi, \; k \in \mathbb{Z} \right\}

La fonction tangente est impaire : pour tout xDtanx \in D_{\tan}, on a tan(x)=tanx\tan(-x) = -\tan x.

tan(x+π)=tanx\tan(x+\pi) = \tan x

Remarque

La fonction tangente est périodique de période fondamentale π\pi (et non 2π2\pi). Pour toute fonction xtan(ωx+φ)x \mapsto \tan(\omega x + \varphi) avec ω0\omega \neq 0, la période fondamentale est T=πωT = \frac{\pi}{|\omega|}.

Piège classique · 36

Quelle est la période fondamentale de la fonction ff définie par f(x)=tan(2x)f(x) = \tan(2x) ?

Attention

Appliquer mécaniquement la formule 2πω\frac{2\pi}{|\omega|} propre au sinus et au cosinus, ce qui conduirait à T=2π2=πT = \frac{2\pi}{2} = \pi.

À la place : La période fondamentale de base de la fonction tangente est π\pi. Avec une pulsation ω=2\omega = 2, la période est donc T=πω=π2T = \frac{\pi}{|\omega|} = \frac{\pi}{2}.

Définition · 37

Dérivation, variations et asymptotes de la fonction tangente

La fonction tangente est dérivable sur chaque intervalle contenu dans son domaine de définition. Par la règle du quotient, sa dérivée s'écrit sous deux formes équivalentes :

(tan)(x)=1+tan2x=1cos2x(\tan)'(x) = 1 + \tan^2 x = \frac{1}{\cos^2 x}

Puisque 1+tan2x>01 + \tan^2 x > 0, la fonction tangente est strictement croissante sur chaque intervalle ]π2+kπ  ;  π2+kπ[]-\frac{\pi}{2} + k\pi \;;\; \frac{\pi}{2} + k\pi[.

limxπ2+tanx=etlimxπ2tanx=+\lim_{x \to -\frac{\pi}{2}^+} \tan x = -\infty \quad \text{et} \quad \lim_{x \to \frac{\pi}{2}^-} \tan x = +\infty

Remarque

Les droites verticales d'équations x=π2+kπx = \frac{\pi}{2} + k\pi (kZk \in \mathbb{Z}) sont des asymptotes verticales à la courbe représentative de la fonction tangente.

Exemple travaillé · 38

On considère la fonction ff définie par f(x)=1tanxf(x) = \frac{1}{\tan x}. Détermine son ensemble de définition DfD_f puis calcule sa fonction dérivée.

1

Pour que la fonction tanx\tan x soit définie, on doit exclure les réels de la forme π2+kπ\frac{\pi}{2} + k\pi avec kZk \in \mathbb{Z}.

2

Pour que l'inverse 1tanx\frac{1}{\tan x} existe, le dénominateur ne doit pas s'annuler, donc tanx0    sinx0    xkπ\tan x \neq 0 \iff \sin x \neq 0 \iff x \neq k\pi avec kZk \in \mathbb{Z}.

3

L'intersection de ces deux contraintes élimine tous les multiples entiers de π2\frac{\pi}{2} :

4
Df=R{kπ2,  kZ}D_f = \mathbb{R} \setminus \left\{ k\frac{\pi}{2}, \; k \in \mathbb{Z} \right\}
5

On applique la formule de dérivation d'un inverse (1u)=uu2\left(\frac{1}{u}\right)' = -\frac{u'}{u^2} avec u(x)=tanxu(x) = \tan x :

6
f(x)=1+tan2xtan2x=1cos2xsin2xcos2x=1sin2xf'(x) = -\frac{1 + \tan^2 x}{\tan^2 x} = -\frac{\frac{1}{\cos^2 x}}{\frac{\sin^2 x}{\cos^2 x}} = -\frac{1}{\sin^2 x}

Exemple travaillé · 39

Soit la fonction gg définie sur ]π2  ;  π2[\left]-\frac{\pi}{2} \;;\; \frac{\pi}{2}\right[ par g(x)=x2tanxg(x) = x^2 \tan x. Justifie sa dérivabilité et calcule sa fonction dérivée.

1

Les fonctions xx2x \mapsto x^2 et xtanxx \mapsto \tan x sont dérivables sur l'intervalle ouvert ]π2  ;  π2[\left]-\frac{\pi}{2} \;;\; \frac{\pi}{2}\right[.

2

Par application de la règle de dérivation d'un produit (uv)=uv+uv(uv)' = u'v + uv', la fonction gg est dérivable sur cet intervalle.

3
g(x)=(x2)tanx+x2(tan)(x)g'(x) = (x^2)' \tan x + x^2 (\tan)'(x)
4
g(x)=2xtanx+x2(1+tan2x)g'(x) = 2x \tan x + x^2(1 + \tan^2 x)
5

On factorise par xx pour obtenir la forme finale :

6
g(x)=x(2tanx+x+xtan2x)g'(x) = x\left(2\tan x + x + x\tan^2 x\right)

Vérification · 40

On considère la fonction h(x)=tan(3x)h(x) = \tan(3x). Quelles sont sa période fondamentale TT et sa fonction dérivée h(x)h'(x) sur son domaine de définition ?

Remarque

La période fondamentale de la tangente étant π\pi, celle de tan(3x)\tan(3x) vaut T=πω=π3T = \frac{\pi}{|\omega|} = \frac{\pi}{3}. Pour la dérivée, la composition affine impose d'extraire la pulsation 33 : h(x)=3(1+tan2(3x))h'(x) = 3(1+\tan^2(3x)).

Chapitres liés

Continuer sur Lumio

Ce chapitre compte 0 exercices dans Lumio, servis un par un selon ce que tu réussis et ce que tu rates, avec la correction détaillée à chaque étape.

Créer mon compte gratuitement