Dans le plan muni d'un repère orthonormé (O,i,j), un point M est situé à une distance OM=2 et la demi-droite [OM) forme un angle orienté de 3π avec l'axe (O,i). Peut-on fixer la position de ce point sans calculer ses coordonnées cartésiennes (x,y) ?
Remarque
La distance à l'origine r=2 et l'angle orienté θ=3π suffisent à déterminer M de façon unique : c'est le principe des coordonnées polaires (r,θ).
Définition · 2
Coordonnées polaires et formules de conversion
Le plan est muni d'un repère orthonormé direct (O,i,j). Tout point M distinct de O est repéré par un couple unique (r,θ) appelé coordonnées polaires de M :
r=OM=x2+y2(r>0)
θ≡(i,OM)(mod2π)(θ∈]−π;π])
Les coordonnées cartésiennes (x,y) et polaires (r,θ) sont reliées par les relations :
x=rcosθety=rsinθ
Exemple travaillé · 3
Déterminer les coordonnées polaires (r,θ) du point A de coordonnées cartésiennes (−3,1) dans le repère orthonormé direct (O,i,j).
1
On calcule d'abord la distance radiale r=OA.
2
r=(−3)2+12=3+1=4=2
3
On exprime le cosinus et le sinus de l'angle polaire θ.
4
cosθ=rxA=−23etsinθ=ryA=21
5
L'angle remarquable ayant pour cosinus 23 et sinus 21 est 6π. Comme cosθ<0 et sinθ>0, θ est dans le deuxième quadrant.
6
θ=π−6π=65π
7
Les coordonnées polaires de A sont donc (2,65π).
Exemple travaillé · 4
1. Déterminer les coordonnées cartésiennes du point B(4,−3π). 2. Préciser la nature de l'ensemble des points M(r,θ) vérifiant θ=−3π avec r>0.
1
On calcule l'abscisse et l'ordonnée de B à l'aide des formules x=rcosθ et y=rsinθ.
2
xB=4cos(−3π)=4×21=2
3
yB=4sin(−3π)=4×(−23)=−23
4
Les coordonnées cartésiennes de B sont (2,−23).
5
Pour la condition θ=−3π avec r>0, l'angle est constant et le rayon parcourt ]0;+∞[. L'ensemble des points M est la demi-droite d'origine O privée de O, dirigée par le vecteur unitaire d'angle polaire −3π.
Piège classique · 5
Soit le point C(1,−3). En calculant r=12+(−3)2=2 puis cosθ=21, quelle est la mesure principale de son angle polaire θ ?
Attention
Conclure que θ=3π en se basant uniquement sur cosθ=21, sans regarder le signe de l'ordonnée.
À la place : Il faut aussi évaluer le sinus : sinθ=2−3=−23<0. Avec un cosinus positif et un sinus négatif, le point est dans le 4ème quadrant : θ=−3π.
Vérification · 6
Déterminer les coordonnées polaires (r,θ) du point D(−2,−2) dans le repère (O,i,j), avec r>0 et θ∈]−π;π].
Remarque
r=(−2)2+(−2)2=8=22. On a cosθ=22−2=−22 et sinθ=22−2=−22. Les deux composantes étant négatives, θ appartient au 3ème quadrant : θ=−π+4π=−43π.
Définition · 7
Cosinus, sinus d'un angle de vecteurs et calcul d'aire
Dans une base orthonormée directe (i,j), pour deux vecteurs non nuls u(x,y) et v(x′,y′) :
cos(u,v)=∥u∥∥v∥u⋅v=x2+y2x′2+y′2xx′+yy′
sin(u,v)=∥u∥∥v∥det(u,v)=x2+y2x′2+y′2xy′−yx′
L'aire d'un triangle ABC se calcule directement à partir du déterminant :
AABC=21∣det(AB,AC)∣=21AB×AC×∣sin(AB,AC)∣
Exemple travaillé · 8
Dans un repère orthonormé direct (O,i,j), on donne u(31) et v(−13). Déterminer la mesure principale de l'angle orienté (u,v).
1
On calcule les normes des deux vecteurs : ∥u∥=(3)2+12=2 et ∥v∥=(−1)2+(3)2=2.
2
On calcule le cosinus à l'aide du produit scalaire :
3
cos(u,v)=∥u∥∥v∥u⋅v=2×23(−1)+1(3)=40=0
4
On calcule le sinus à l'aide du déterminant :
5
sin(u,v)=∥u∥∥v∥det(u,v)=2×23(3)−1(−1)=43+1=1
6
Puisque cos(u,v)=0 et sin(u,v)=1, la mesure principale est (u,v)≡2π(mod2π).
Exemple travaillé · 9
Dans le repère orthonormé direct (O,i,j), déterminer les coordonnées du vecteur u sachant que ∥u∥=4 et (j,u)≡3π(mod2π).
1
On pose u(xy). Dans la base (i,j), le vecteur unitaire vertical est j(01).
2
On utilise le produit scalaire pour trouver l'ordonnée y :
3
cos(j,u)=∥j∥∥u∥j⋅u=1×40⋅x+1⋅y=4y
4
Comme (j,u)≡3π(mod2π), on a cos(3π)=21, d'où 4y=21, soit y=2.
5
On utilise le déterminant pour trouver l'abscisse x :
6
sin(j,u)=∥j∥∥u∥det(j,u)=1×40⋅y−1⋅x=4−x
7
Comme sin(3π)=23, on a 4−x=23, soit x=−23.
8
Les coordonnées du vecteur sont u(−232).
Piège classique · 10
Dans le repère (O,i,j), un vecteur w vérifie ∥w∥=6 et (j,w)≡6π(mod2π). Quelle est son abscisse x ?
Attention
Écrire x=6cos(6π)=33 en associant l'abscisse au cosinus par automatisme.
À la place : L'angle est repéré par rapport à j(0,1), donc sin(j,w)=∥w∥det(j,w)=6−x. Comme sin(6π)=21, on a 6−x=21⟺x=−3.
Vérification · 11
Dans le plan muni d'un repère orthonormé direct, on considère le triangle ABC tel que AB=5, AC=4 et (AB,AC)≡32π(mod2π). Quelle est l'aire du triangle ABC ?
Remarque
L'aire est A=21∣det(AB,AC)∣=21AB×AC×sin(32π)=21×5×4×23=53.
Point de départ · 12
Pour deux réels a et b, a-t-on l'égalité cos(a+b)=cosa+cosb ?
Remarque
Non, la fonction cosinus n'est pas linéaire. Par exemple, pour a=2π et b=2π, on a cos(π)=−1, alors que cos(2π)+cos(2π)=0+0=0. Il faut donc des formules spécifiques pour développer cos(a+b) et sin(a+b).
Définition · 13
Formules d'addition et de soustraction
Pour tous réels a et b, on a les identités fondamentales :
cos(a+b)=cosacosb−sinasinb
cos(a−b)=cosacosb+sinasinb
sin(a+b)=sinacosb+cosasinb
sin(a−b)=sinacosb−cosasinb
Pour tous réels a et b tels que tana, tanb et tan(a±b) existent :
L'ensemble des solutions est SR={12π+2kπ,−125π+2kπ∣k∈Z}.
Piège classique · 27
Dans la factorisation de cosx−3sinx=2(21cosx−23sinx), quelle est la forme réduite en cosinus déphasé ?
Attention
Écrire 2cos(x−3π) en confondant le signe dans la formule d'addition du cosinus.
À la place : Avec cos(3π)=21 et sin(3π)=23, l'expression dans la parenthèse est cosxcos3π−sinxsin3π=cos(x+3π).
Vérification · 28
Parmi les réels suivants, lequel est une solution de l'équation cosx+sinx=2 ?
Remarque
On transforme : cosx+sinx=2cos(x−4π). L'équation s'écrit 2cos(x−4π)=2⟺cos(x−4π)=1, ce qui donne x−4π=2kπ⟺x=4π+2kπ.
Point de départ · 29
Combien de solutions l'équation cos(2x)=0 admet-elle dans l'intervalle [0,2π[ ?
Remarque
Lorsque x∈[0,2π[, l'argument 2x parcourt deux tours complets [0,4π[. L'équation cos(2x)=0 s'annule en 2x∈{2π,23π,25π,27π}, ce qui donne 4 solutions pour x : 4π,43π,45π,47π.
Définition · 30
Résolution des équations trigonométriques fondamentales
Pour tout réel a∈[−1;1], il existe un réel α tel que cosα=a (ou sinα=a). Les résolutions dans R s'écrivent avec k∈Z :
cosX=cosα⟺X=α+2kπouX=−α+2kπ
sinX=sinα⟺X=α+2kπouX=π−α+2kπ
tanX=tanα⟺X=α+kπ
Si a∈/[−1;1], les équations cosX=a et sinX=a n'ont aucune solution réelle.
Exemple travaillé · 31
Résoudre dans l'intervalle [0,2π[ l'équation 2cos(2x)−3=0.
1
On isole le cosinus pour se ramener à une valeur remarquable :
2
cos(2x)=23=cos(6π)
3
On applique la règle de résolution générale dans R pour l'argument 2x :
4
2x=6π+2kπou2x=−6π+2kπ(k∈Z)
5
On divise tous les termes (y compris la période 2kπ) par 2 pour obtenir x :
6
x=12π+kπoux=−12π+kπ(k∈Z)
7
On filtre les entiers k pour obtenir les solutions appartenant à [0,2π[ : - Pour x=12π+kπ : avec k=0⟹12π, avec k=1⟹1213π. - Pour x=−12π+kπ : avec k=1⟹1211π, avec k=2⟹1223π.
8
L'ensemble des solutions est S[0,2π[={12π,1211π,1213π,1223π}.
Exemple travaillé · 32
Résoudre dans R l'équation 2cos2x+3cosx−3=0.
1
On effectue le changement de variable t=cosx avec la contrainte t∈[−1;1].
2
2t2+3t−3=0
3
On calcule le discriminant : Δ=(3)2−4(2)(−3)=3+24=27=(33)2.
4
t1=4−3+33=423=23ett2=4−3−33=−3
5
Comme −3<−1, la valeur t2 est impossible car cosx∈[−1;1]. On résout uniquement cosx=23=cos(6π).
6
SR={6π+2kπ,−6π+2kπ∣k∈Z}
Piège classique · 33
On résout l'équation 2sin2x−7sinx+3=0. Le trinôme en t=sinx donne pour racines t1=3 et t2=21. Quelles sont les équations à résoudre pour trouver x ?
Attention
Chercher à résoudre sinx=3 en tentant des calculs d'angles impossibles.
À la place : Pour tout réel x, on a −1≤sinx≤1. L'équation sinx=3 n'admet aucune solution réelle. On ne résout que sinx=21.
Vérification · 34
Combien de solutions l'équation sin(2x)=21 possède-t-elle dans l'intervalle [0,2π[ ?
Remarque
Dans R, 2x=6π+2kπ⟹x=12π+kπ et 2x=65π+2kπ⟹x=125π+kπ. Sur [0,2π[, on obtient 4 solutions : 12π,125π,1213π,1217π.
Point de départ · 35
Sur l'intervalle [0;2π[, l'inéquation cosx≥21 correspond aux points du cercle situés à droite de la droite x=21. Peut-on écrire les solutions sous la forme d'un seul intervalle [35π;3π] ?
Remarque
Non. Les bornes d'un intervalle doivent respecter l'ordre croissant a≤b. Comme 35π>3π, l'arc traversant l'angle 0 se scinde en deux intervalles dans [0;2π[ : [0;3π]∪[35π;2π[.
Pour résoudre une inéquation trigonométrique sur un intervalle donné, on détermine les points frontières sur le cercle trigonométrique :
cosx≥a⟺x correspond aˋ l’arc situeˊaˋ droite de la droite X=a
sinx≥a⟺x correspond aˋ l’arc situeˊ au-dessus de la droite Y=a
Sur l'intervalle [0;2π[, si l'arc solution contient l'origine des angles (0), l'ensemble des solutions s'écrit obligatoirement sous la forme d'une réunion de deux intervalles disjoints : [0;α]∪[β;2π[.
Exemple travaillé · 37
Résoudre dans [0;2π[ l'inéquation cosx≥21.
1
On résout l'équation frontière cosx=21 dans [0;2π[ :
2
x=3πoux=2π−3π=35π
3
La condition cosx≥21 correspond aux points du cercle situés à droite de la droite verticale X=21.
4
En parcourant l'intervalle [0;2π[ à partir de 0, on traverse d'abord l'arc de 0 à 3π, puis l'arc de 35π à 2π (exclu).
5
S[0;2π[=[0;3π]∪[35π;2π[
Exemple travaillé · 38
Résoudre dans [0;2π] l'inéquation 2sin(2x)−1>0.
1
On isole le sinus : sin(2x)>21.
2
On pose t=2x. Comme x∈[0;2π], l'inconnue auxiliaire t parcourt deux tours complets : t∈[0;4π].
3
Sur le premier tour [0;2π], sint>21⟺t∈]6π;65π[.
4
Sur le second tour [2π;4π], on ajoute 2π aux bornes : t∈]2π+6π;2π+65π[=]613π;617π[.
5
On revient à x=2t en divisant toutes les bornes par 2 :
6
S[0;2π]=]12π;125π[∪]1213π;1217π[
Piège classique · 39
On résout l'inéquation cosx≥22 dans l'intervalle [0;2π[. Quelle est l'écriture correcte de l'ensemble des solutions ?
Attention
Écrire [−4π;4π] ou [47π;4π] sans tenir compte de la coupure en 0 imposée par [0;2π[.
À la place : Dans [0;2π[, les angles sont positifs et bornés par 0 et 2π. L'arc traversant l'angle nul se coupe en deux segments distincts : [0;4π]∪[47π;2π[.
Vérification · 40
Quel est l'ensemble des solutions dans [0;2π[ de l'inéquation sinx≥23 ?
Remarque
Les angles vérifiant sinx=23 sont 3π et 32π. L'ordonnée est supérieure à 23 sur l'arc supérieur continu entre ces deux valeurs : S=[3π;32π].