Les fonctions sinus et cosinus sont définies sur R et admettent une répétition régulière à chaque tour complet du cercle trigonométrique.
∀x∈R,cos(x+2π)=cosxetsin(x+2π)=sinx
On dit que les fonctions sinus et cosinus sont périodiques de période 2π.
Point de départ · 2
On considère la fonction f(x)=cos(2x). Lorsque x augmente de π, de combien augmente l'argument 2x à l'intérieur du cosinus ?
Remarque
Quand x varie de 0 à π, l'argument 2x varie de 0 à 2π. Le cycle complet du cosinus est donc déjà accompli sur un intervalle de longueur π : la fonction se répète deux fois plus vite que le cosinus classique.
Définition · 3
Périodicité et interprétation géométrique
f(x+T)=f(x)
Une fonction f définie sur D est dite périodique s'il existe un réel strictement positif T tel que pour tout x∈D, (x+T)∈D et f(x+T)=f(x). Le plus petit réel T>0 vérifiant cette propriété est la période fondamentale de f.
T=∣ω∣2π
Pour tout réel non nul ω et tout réel φ, les fonctions x↦cos(ωx+φ) et x↦sin(ωx+φ) ont pour période fondamentale T=∣ω∣2π.
Remarque
Interprétation géométrique : la courbe représentative de f est invariante par les translations de vecteurs kTi où k∈Z.
Exemple travaillé · 4
Détermine la période fondamentale de la fonction f définie sur R par f(x)=sin(3x−4π), puis vérifie par le calcul que pour tout x∈R, f(x+T)=f(x).
1
On identifie la pulsation ω devant la variable x : ici ω=3.
2
T=∣ω∣2π=32π
3
On vérifie la propriété algébrique en remplaçant x par x+32π dans l'expression de f :
4
f(x+32π)=sin(3(x+32π)−4π)=sin(3x+2π−4π)
5
Puisque la fonction sinus est 2π-périodique, l'ajout de 2π dans l'argument ne modifie pas sa valeur : sin(3x+2π−4π)=sin(3x−4π)=f(x).
Exemple travaillé · 5
Soit g une fonction définie sur R, de période T=2. On sait que pour tout x∈[0;2[, g(x)=2x−1. Détermine la valeur exacte de g(2006) et de g(−7).
1
Par application répétée de la période, pour tout entier relatif k∈Z, on a g(x+k⋅2)=g(x). On cherche à ramener chaque nombre dans l'intervalle connu [0;2[.
2
Pour 2006, on effectue la division par la période 2 : 2006=0+1003×2 avec 0∈[0;2[.
3
g(2006)=g(0)=2(0)−1=−1
4
Pour −7, on cherche un multiple de 2 tel que −7−2k∈[0;2[. En prenant k=−4, on obtient −7=1+(−4)×2 avec 1∈[0;2[.
5
g(−7)=g(1)=2(1)−1=1
Piège classique · 6
Quelle est la période fondamentale de la fonction définie par f(x)=cos(31x+4π) ?
Attention
Calculer T=2π×31=32π en multipliant par la pulsation au lieu de diviser, ou inclure la phase 4π dans la période.
À la place : La pulsation est ω=31. On divise par cette pulsation : T=∣ω∣2π=312π=2π×3=6π. La phase 4π décale la courbe mais ne change pas sa période.
Vérification · 7
Quelle est la période fondamentale de la fonction h définie sur R par h(x)=sin(2πx−1) ?
Remarque
La pulsation vaut ω=2π. Par conséquent, T=∣ω∣2π=2π2π=2π×π2=4. Une fonction trigonométrique peut tout à fait admettre une période entière sans symbole π.
Point de départ · 8
On note C la courbe de la fonction x↦sin(2x) et C′ celle de f(x)=sin(2x−3π). Quel vecteur horizontal permet de faire glisser C sur C′ ?
Remarque
Le décalage −3π n'est pas appliqué directement à x, mais au bloc 2x. Pour connaître le déplacement réel sur l'axe des abscisses, il faut impérativement factoriser par la pulsation 2.
Définition · 9
Translation et déphasage
Pour déterminer le décalage horizontal réel d'une fonction sinusoïdale, on met en facteur la pulsation ω devant la variable x.
f(x)=sin(ωx+φ)=sin(ω(x+ωφ))
La courbe de f s'obtient à partir de celle de x↦sin(ωx) par la translation de vecteur horizontal :
u=−ωφi
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⟺∀x∈Df,(2a−x)∈Df et f(2a−x)=f(x)
I(a,b) est centre de symeˊtrie⟺∀x∈Df,(2a−x)∈Df et f(2a−x)+f(x)=2b
Remarque
Si une fonction f est périodique de période T et admet un axe de symétrie x=a, il suffit de l'étudier sur un intervalle de longueur 2T ayant a pour extrémité, par exemple [a;a+2T].
Exemple travaillé · 11
Soit f définie sur R par f(x)=cos(2x)−2sinx. Montre que la droite d'équation x=2π est un axe de symétrie de sa courbe représentative, puis réduis l'intervalle d'étude.
1
On teste la condition f(2a−x)=f(x) avec a=2π, ce qui donne 2a=π. On évalue donc f(π−x).
2
f(π−x)=cos(2(π−x))−2sin(π−x)=cos(2π−2x)−2sin(π−x)
3
Par périodicité et parité du cosinus, cos(2π−2x)=cos(−2x)=cos(2x). De plus, d'après les angles associés, sin(π−x)=sinx.
4
f(π−x)=cos(2x)−2sinx=f(x)
5
La droite d'équation x=2π est donc bien un axe de symétrie pour la courbe de f.
6
La période de f étant 2π, on peut choisir l'intervalle centré [−2π;23π]. Grâce à l'axe de symétrie x=2π, il suffit d'étudier f sur sa moitié gauche [−2π;2π].
Piège classique · 12
On considère la fonction g(x)=cos(3x+π) et C0 la courbe de x↦cos(3x). Par quel vecteur de translation déduit-on la courbe de g à partir de C0 ?
Attention
Lire directement +π dans la parenthèse et répondre que le vecteur est −πi.
À la place : Il faut factoriser par le coefficient 3 devant x : 3x+π=3(x+3π). La translation est donc de vecteur −3πi.
Exemple travaillé · 13
Soit f(x)=sin(2x). Explique comment construire la courbe Ch de la fonction h(x)=3−sin(2x−3π) à partir de la courbe Cf.
1
On factorise la pulsation dans l'argument : 2x−3π=2(x−6π).
2
On pose g(x)=sin(2(x−6π))=f(x−6π). La courbe Cg est l'image de Cf par la translation de vecteur 6πi.
3
On réécrit h sous la forme h(x)=−g(x)+3 pour décomposer les opérations restantes.
4
La fonction −g(x) correspond à une symétrie orthogonale par rapport à l'axe des abscisses.
5
L'ajout de la constante 3 correspond à une translation verticale de vecteur 3j.
Vérification · 14
Soit f une fonction définie sur R vérifiant pour tout réel x : f(π−x)+f(x)=0. Que peut-on affirmer sur sa courbe représentative ?
Remarque
La relation s'écrit f(2a−x)+f(x)=2b avec 2a=π (soit a=2π) et 2b=0 (soit b=0). Le point I(2π,0) est donc un centre de symétrie.
Point de départ · 15
On sait que (sinx)′=cosx. D'après la règle de dérivation des fonctions composées, que vaut la dérivée de f(x)=sin(2x) ?
Remarque
La dérivée de la fonction affine intérieure u(x)=2x vaut 2. En appliquant (f(u))′=u′×f′(u), ce facteur 2 se retrouve devant : f′(x)=2cos(2x).
Définition · 16
Dérivées des fonctions composées trigonométriques
Les fonctions sinus et cosinus sont dérivables sur R. Pour toute fonction affine x↦ωx+φ avec ω=0 :
(sin(ωx+φ))′=ωcos(ωx+φ)
(cos(ωx+φ))′=−ωsin(ωx+φ)
Pour toute puissance entière n≥1, la règle (un)′=nu′un−1 donne :
(sinnx)′=ncosxsinn−1xet(cosnx)′=−nsinxcosn−1x
Exemple travaillé · 17
Détermine la fonction dérivée de la fonction f définie sur R par f(x)=1+2sin(2x−4π).
1
On identifie l'argument intérieur de la fonction sinus : u(x)=2x−4π.
2
On dérive cette fonction affine : u′(x)=2.
3
La dérivée d'une constante étant nulle, on applique (sin(ax+b))′=acos(ax+b) :
4
f′(x)=2×2cos(2x−4π)=22cos(2x−4π)
Piège classique · 18
Quelle est la fonction dérivée de g(x)=cos3x sur R ?
Attention
Dériver cos3x en 3cos2x en traitant cosx comme une simple variable x.
À la place : Il faut appliquer la formule (un)′=nu′un−1 avec u(x)=cosx. Comme u′(x)=−sinx, on obtient g′(x)=3(−sinx)cos2x=−3sinxcos2x.
Exemple travaillé · 19
Soit f la fonction définie sur R par f(x)=sin2x+cosx. Calcule f′(x) et exprime le résultat sous forme d'un produit.
1
On dérive le terme sin2x en appliquant la formule (u2)′=2u′u avec u(x)=sinx :
2
(sin2x)′=2(sinx)′sinx=2cosxsinx
3
On dérive le terme cosx, ce qui donne −sinx :
4
f′(x)=2sinxcosx−sinx
5
On factorise par le terme commun sinx pour préparer l'étude de signe :
6
f′(x)=sinx(2cosx−1)
Vérification · 20
Pour tout réel x, quelle est la dérivée de la fonction h(x)=cos(4x+π) ?
Remarque
On extrait la dérivée de l'argument 4x+π, qui vaut 4. La dérivée de la fonction cosinus est −sin. Le produit donne h′(x)=−4sin(4x+π).
Point de départ · 21
Quand x tend vers 0, sinx tend vers 0 et x tend vers 0. On est face à une forme indéterminée 00. D'après toi, que vaut limx→0xsinx ?
Remarque
Bien que le numérateur et le dénominateur s'annulent tous les deux en 0, le rapport xsinx tend vers une valeur finie non nulle : sa limite vaut 1. 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 en zéro, on utilise les limites de référence suivantes :
x→0limxsinx=1etx→0limx21−cosx=21
Pour tout réel non nul a, on en déduit par composition avec x↦ax :
x→0limxsin(ax)=a
Remarque
Au premier ordre en x, le cosinus vérifie également : limx→0x1−cosx=0.
Exemple travaillé · 23
Calcule la limite suivante : limx→0sin2xsin2(2x).
1
L'évaluation directe en x=0 conduit à la forme indéterminée 00.
2
On fait apparaître les limites remarquables en divisant le numérateur et le dénominateur par x2 :
D'après les limites de référence, limx→0xsin(2x)=2 et limx→0xsinx=1.
5
Par quotient des limites de carrés, on obtient :
6
x→0limsin2xsin2(2x)=1222=4
Piège classique · 24
On étudie limx→01−cos(2x)sin(3x). Sachant que 1−cos(2x)=2sin2x, que vaut 1−cos(2x) lorsque x<0 ?
Attention
Écrire sin2x=sinx pour tout réel x, en oubliant que la racine carrée produit une valeur absolue.
À la place : Pour tout réel A, A2=∣A∣. Comme sinx<0 lorsque x→0−, on a sin2x=∣sinx∣=−sinx. Ainsi 1−cos(2x)=−2sinx. La limite à gauche vaut −23 et la limite à droite vaut 23 : la fonction n'admet donc pas de limite en 0.
Exemple travaillé · 25
Calcule la limite suivante : limx→0xsinx−cos2x−cosx+2.
1
En x=0, le numérateur vaut −1−1+2=0 et le dénominateur s'annule : on a une indétermination 00.
2
On pose X=cosx au numérateur. Le trinôme −X2−X+2 admet 1 pour racine évidente et se factorise sous la forme (1−X)(2+X).
3
Le numérateur devient donc (1−cosx)(2+cosx).
4
On divise le numérateur et le dénominateur par x2 pour isoler les blocs usuels :
5
xsinx(1−cosx)(2+cosx)=xsinxx21−cosx×(2+cosx)
6
D'après les limites remarquables, limx→0x21−cosx=21, limx→0(2+cosx)=3 et limx→0xsinx=1.
7
x→0limxsinx−cos2x−cosx+2=121×3=23
Vérification · 26
Calcule la limite suivante : limx→0tan2x1−cosx.
Remarque
On divise le numérateur et le dénominateur par x2 : tan2x1−cosx=(xtanx)2x21−cosx. Sachant que limx→0x21−cosx=21 et limx→0xtanx=1, le quotient tend vers 121/2=21.
Rappel · 27
Soit f une fonction dérivable en un réel x0. Le nombre dérivé de f en x0, noté f′(x0), est la limite du taux d'accroissement :
x→x0limx−x0f(x)−f(x0)=f′(x0)
Lorsque l'évaluation directe d'un quotient mène à la forme indéterminée 00 en x0, reconnaître cette structure permet de trouver la limite sans factorisation algébrique.
Point de départ · 28
On cherche la limite limx→3πx−3πcosx−21. En évaluant en x=3π, on obtient la forme indéterminée 00. Quelle méthode permet de déterminer cette limite le plus directement ?
Remarque
Au lieu d'utiliser de lourdes transformations trigonométriques, on remarque que 21=cos(3π). L'expression est exactement le taux d'accroissement de la fonction cosinus en 3π.
Définition · 29
Limites trigonométriques par le nombre dérivé
Soit f une fonction dérivable en x0. Si une limite en x0 se présente sous la forme indéterminée 00 avec f(x0)=L :
x→x0limx−x0f(x)−L=f′(x0)
Si le numérateur et le dénominateur sont deux fonctions u et v dérivables en x0 s'annulant en ce point, avec v′(x0)=0 :
Calcule la limite suivante à l'aide du nombre dérivé : limx→2π2x−πsin(2x).
1
L'évaluation directe donne π−πsin(π)=00, une forme indéterminée.
2
On factorise le dénominateur par 2 pour faire apparaître la différence x−2π :
3
2x−πsin(2x)=21×x−2πsin(2x)
4
On pose f(x)=sin(2x). Comme f(2π)=sin(π)=0, la fraction s'écrit sous la forme d'un taux d'accroissement :
5
x−2πsin(2x)=x−2πf(x)−f(2π)
6
La fonction f est dérivable sur R et f′(x)=2cos(2x), d'où f′(2π)=2cos(π)=−2.
7
On en déduit la limite recherchée en multipliant par le facteur 21 :
8
x→2πlim2x−πsin(2x)=21f′(2π)=21×(−2)=−1
Piège classique · 31
On cherche la limite limx→3πx−3πcosx−21. On pose f(x)=cosx. Que vaut cette limite ?
Attention
Dériver cosx en sinx et conclure que la limite est sin(3π)=23.
À la place : La dérivée de cosx est −sinx. La limite est donc f′(3π)=−sin(3π)=−23.
Exemple travaillé · 32
Calcule la limite suivante en effectuant un changement de variable : limx→π(x−π)21+cosx.
1
L'évaluation directe en x=π donne la forme indéterminée 00.
2
Le dénominateur étant un carré (x−π)2, le taux d'accroissement simple ne suffit pas. On pose le changement de variable h=x−π, d'où x=h+π. Quand x→π, on a h→0.
3
On transforme le numérateur à l'aide des angles associés :
4
cosx=cos(h+π)=−cosh
5
L'expression se réécrit comme un quotient en h au voisinage de 0 :
6
(x−π)21+cosx=h21−cosh
7
On applique la limite trigonométrique remarquable en 0 :
8
x→πlim(x−π)21+cosx=h→0limh21−cosh=21
Vérification · 33
En utilisant le nombre dérivé d'une fonction adaptée, calcule : limx→6πx−6πsinx−21.
Remarque
On reconnaît le taux d'accroissement de g(x)=sinx en x0=6π, puisque sin(6π)=21. Comme g′(x)=cosx, la limite vaut g′(6π)=cos(6π)=23.
Point de départ · 34
La fonction tangente est définie par le quotient tanx=cosxsinx. Sur l'intervalle [0;π], pour quelle valeur de x ce calcul est-il impossible ?
Remarque
Pour que le quotient existe, le dénominateur ne doit pas s'annuler. Or, sur [0;π], le cosinus s'annule en x=2π car cos(2π)=0. La valeur 2π est donc une valeur interdite.
Définition · 35
Définition, domaine et périodicité de la fonction tangente
La fonction tangente, notée tan, est la fonction qui à tout réel x associe le rapport du sinus par le cosinus :
tanx=cosxsinx
Elle est définie pour tous les réels où le cosinus ne s'annule pas :
Dtan=R∖{2π+kπ,k∈Z}
La fonction tangente est impaire : pour tout x∈Dtan, on a tan(−x)=−tanx.
tan(x+π)=tanx
Remarque
La fonction tangente est périodique de période fondamentale π (et non 2π). Pour toute fonction x↦tan(ωx+φ) avec ω=0, la période fondamentale est T=∣ω∣π.
Piège classique · 36
Quelle est la période fondamentale de la fonction f définie par f(x)=tan(2x) ?
Attention
Appliquer mécaniquement la formule ∣ω∣2π propre au sinus et au cosinus, ce qui conduirait à T=22π=π.
À la place : La période fondamentale de base de la fonction tangente est π. Avec une pulsation ω=2, la période est donc T=∣ω∣π=2π.
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=cos2x1
Puisque 1+tan2x>0, la fonction tangente est strictement croissante sur chaque intervalle ]−2π+kπ;2π+kπ[.
x→−2π+limtanx=−∞etx→2π−limtanx=+∞
Remarque
Les droites verticales d'équations x=2π+kπ (k∈Z) sont des asymptotes verticales à la courbe représentative de la fonction tangente.
Exemple travaillé · 38
On considère la fonction f définie par f(x)=tanx1. Détermine son ensemble de définition Df puis calcule sa fonction dérivée.
1
Pour que la fonction tanx soit définie, on doit exclure les réels de la forme 2π+kπ avec k∈Z.
2
Pour que l'inverse tanx1 existe, le dénominateur ne doit pas s'annuler, donc tanx=0⟺sinx=0⟺x=kπ avec k∈Z.
3
L'intersection de ces deux contraintes élimine tous les multiples entiers de 2π :
4
Df=R∖{k2π,k∈Z}
5
On applique la formule de dérivation d'un inverse (u1)′=−u2u′ avec u(x)=tanx :
Soit la fonction g définie sur ]−2π;2π[ par g(x)=x2tanx. Justifie sa dérivabilité et calcule sa fonction dérivée.
1
Les fonctions x↦x2 et x↦tanx sont dérivables sur l'intervalle ouvert ]−2π;2π[.
2
Par application de la règle de dérivation d'un produit (uv)′=u′v+uv′, la fonction g est dérivable sur cet intervalle.
3
g′(x)=(x2)′tanx+x2(tan)′(x)
4
g′(x)=2xtanx+x2(1+tan2x)
5
On factorise par x pour obtenir la forme finale :
6
g′(x)=x(2tanx+x+xtan2x)
Vérification · 40
On considère la fonction h(x)=tan(3x). Quelles sont sa période fondamentale T et sa fonction dérivée h′(x) sur son domaine de définition ?
Remarque
La période fondamentale de la tangente étant π, celle de tan(3x) vaut T=∣ω∣π=3π. Pour la dérivée, la composition affine impose d'extraire la pulsation 3 : h′(x)=3(1+tan2(3x)).