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Trigonométrie — cours

3ème année · section Sciences expérimentales · mathématiques, programme officiel tunisien.

Le cours

Point de départ · 1

Dans le plan muni d'un repère orthonormé (O,i,j)(O, \vec{i}, \vec{j}), un point MM est situé à une distance OM=2OM = 2 et la demi-droite [OM)[OM) forme un angle orienté de π3\frac{\pi}{3} avec l'axe (O,i)(O, \vec{i}). Peut-on fixer la position de ce point sans calculer ses coordonnées cartésiennes (x,y)(x, y) ?

Remarque

La distance à l'origine r=2r = 2 et l'angle orienté θ=π3\theta = \frac{\pi}{3} suffisent à déterminer MM de façon unique : c'est le principe des coordonnées polaires (r,θ)(r, \theta).

Définition · 2

Coordonnées polaires et formules de conversion

Le plan est muni d'un repère orthonormé direct (O,i,j)(O, \vec{i}, \vec{j}). Tout point MM distinct de OO est repéré par un couple unique (r,θ)(r, \theta) appelé coordonnées polaires de MM :

r=OM=x2+y2(r>0)r = OM = \sqrt{x^2 + y^2} \quad (r > 0)

θ(i,OM)(mod2π)(θ]π;π])\theta \equiv (\vec{i}, \vec{OM}) \pmod{2\pi} \quad (\theta \in ]-\pi ; \pi])

Les coordonnées cartésiennes (x,y)(x, y) et polaires (r,θ)(r, \theta) sont reliées par les relations :

x=rcosθety=rsinθx = r\cos\theta \quad \text{et} \quad y = r\sin\theta

Exemple travaillé · 3

Déterminer les coordonnées polaires (r,θ)(r, \theta) du point AA de coordonnées cartésiennes (3,1)(-\sqrt{3}, 1) dans le repère orthonormé direct (O,i,j)(O, \vec{i}, \vec{j}).

1

On calcule d'abord la distance radiale r=OAr = OA.

2
r=(3)2+12=3+1=4=2r = \sqrt{(-\sqrt{3})^2 + 1^2} = \sqrt{3 + 1} = \sqrt{4} = 2
3

On exprime le cosinus et le sinus de l'angle polaire θ\theta.

4
cosθ=xAr=32etsinθ=yAr=12\cos\theta = \frac{x_A}{r} = -\frac{\sqrt{3}}{2} \quad \text{et} \quad \sin\theta = \frac{y_A}{r} = \frac{1}{2}
5

L'angle remarquable ayant pour cosinus 32\frac{\sqrt{3}}{2} et sinus 12\frac{1}{2} est π6\frac{\pi}{6}. Comme cosθ<0\cos\theta < 0 et sinθ>0\sin\theta > 0, θ\theta est dans le deuxième quadrant.

6
θ=ππ6=5π6\theta = \pi - \frac{\pi}{6} = \frac{5\pi}{6}
7

Les coordonnées polaires de AA sont donc (2,5π6)\left(2, \frac{5\pi}{6}\right).

Exemple travaillé · 4

1. Déterminer les coordonnées cartésiennes du point B(4,π3)B\left(4, -\frac{\pi}{3}\right).
2. Préciser la nature de l'ensemble des points M(r,θ)M(r, \theta) vérifiant θ=π3\theta = -\frac{\pi}{3} avec r>0r > 0.

1

On calcule l'abscisse et l'ordonnée de BB à l'aide des formules x=rcosθx = r\cos\theta et y=rsinθy = r\sin\theta.

2
xB=4cos(π3)=4×12=2x_B = 4\cos\left(-\frac{\pi}{3}\right) = 4 \times \frac{1}{2} = 2
3
yB=4sin(π3)=4×(32)=23y_B = 4\sin\left(-\frac{\pi}{3}\right) = 4 \times \left(-\frac{\sqrt{3}}{2}\right) = -2\sqrt{3}
4

Les coordonnées cartésiennes de BB sont (2,23)(2, -2\sqrt{3}).

5

Pour la condition θ=π3\theta = -\frac{\pi}{3} avec r>0r > 0, l'angle est constant et le rayon parcourt ]0;+[]0 ; +\infty[. L'ensemble des points MM est la demi-droite d'origine OO privée de OO, dirigée par le vecteur unitaire d'angle polaire π3-\frac{\pi}{3}.

Piège classique · 5

Soit le point C(1,3)C(1, -\sqrt{3}). En calculant r=12+(3)2=2r = \sqrt{1^2 + (-\sqrt{3})^2} = 2 puis cosθ=12\cos\theta = \frac{1}{2}, quelle est la mesure principale de son angle polaire θ\theta ?

Attention

Conclure que θ=π3\theta = \frac{\pi}{3} en se basant uniquement sur cosθ=12\cos\theta = \frac{1}{2}, sans regarder le signe de l'ordonnée.

À la place : Il faut aussi évaluer le sinus : sinθ=32=32<0\sin\theta = \frac{-\sqrt{3}}{2} = -\frac{\sqrt{3}}{2} < 0. Avec un cosinus positif et un sinus négatif, le point est dans le 4ème quadrant : θ=π3\theta = -\frac{\pi}{3}.

Vérification · 6

Déterminer les coordonnées polaires (r,θ)(r, \theta) du point D(2,2)D(-2, -2) dans le repère (O,i,j)(O, \vec{i}, \vec{j}), avec r>0r > 0 et θ]π;π]\theta \in ]-\pi ; \pi].

Remarque

r=(2)2+(2)2=8=22r = \sqrt{(-2)^2 + (-2)^2} = \sqrt{8} = 2\sqrt{2}. On a cosθ=222=22\cos\theta = \frac{-2}{2\sqrt{2}} = -\frac{\sqrt{2}}{2} et sinθ=222=22\sin\theta = \frac{-2}{2\sqrt{2}} = -\frac{\sqrt{2}}{2}. Les deux composantes étant négatives, θ\theta appartient au 3ème quadrant : θ=π+π4=3π4\theta = -\pi + \frac{\pi}{4} = -\frac{3\pi}{4}.

Définition · 7

Cosinus, sinus d'un angle de vecteurs et calcul d'aire

Dans une base orthonormée directe (i,j)(\vec{i}, \vec{j}), pour deux vecteurs non nuls u(x,y)\vec{u}(x, y) et v(x,y)\vec{v}(x', y') :

cos(u,v)=uvuv=xx+yyx2+y2x2+y2\cos(\vec{u}, \vec{v}) = \frac{\vec{u} \cdot \vec{v}}{\|\vec{u}\| \|\vec{v}\|} = \frac{xx' + yy'}{\sqrt{x^2+y^2}\sqrt{x'^2+y'^2}}

sin(u,v)=det(u,v)uv=xyyxx2+y2x2+y2\sin(\vec{u}, \vec{v}) = \frac{\det(\vec{u}, \vec{v})}{\|\vec{u}\| \|\vec{v}\|} = \frac{xy' - yx'}{\sqrt{x^2+y^2}\sqrt{x'^2+y'^2}}

L'aire d'un triangle ABCABC se calcule directement à partir du déterminant :

AABC=12det(AB,AC)=12AB×AC×sin(AB,AC)\mathcal{A}_{ABC} = \frac{1}{2}|\det(\vec{AB}, \vec{AC})| = \frac{1}{2} AB \times AC \times |\sin(\vec{AB}, \vec{AC})|

Exemple travaillé · 8

Dans un repère orthonormé direct (O,i,j)(O, \vec{i}, \vec{j}), on donne u(31)\vec{u}\begin{pmatrix} \sqrt{3} \\ 1 \end{pmatrix} et v(13)\vec{v}\begin{pmatrix} -1 \\ \sqrt{3} \end{pmatrix}. Déterminer la mesure principale de l'angle orienté (u,v)(\vec{u}, \vec{v}).

1

On calcule les normes des deux vecteurs : u=(3)2+12=2\|\vec{u}\| = \sqrt{(\sqrt{3})^2 + 1^2} = 2 et v=(1)2+(3)2=2\|\vec{v}\| = \sqrt{(-1)^2 + (\sqrt{3})^2} = 2.

2

On calcule le cosinus à l'aide du produit scalaire :

3
cos(u,v)=uvuv=3(1)+1(3)2×2=04=0\cos(\vec{u}, \vec{v}) = \frac{\vec{u} \cdot \vec{v}}{\|\vec{u}\| \|\vec{v}\|} = \frac{\sqrt{3}(-1) + 1(\sqrt{3})}{2 \times 2} = \frac{0}{4} = 0
4

On calcule le sinus à l'aide du déterminant :

5
sin(u,v)=det(u,v)uv=3(3)1(1)2×2=3+14=1\sin(\vec{u}, \vec{v}) = \frac{\det(\vec{u}, \vec{v})}{\|\vec{u}\| \|\vec{v}\|} = \frac{\sqrt{3}(\sqrt{3}) - 1(-1)}{2 \times 2} = \frac{3 + 1}{4} = 1
6

Puisque cos(u,v)=0\cos(\vec{u}, \vec{v}) = 0 et sin(u,v)=1\sin(\vec{u}, \vec{v}) = 1, la mesure principale est (u,v)π2(mod2π)(\vec{u}, \vec{v}) \equiv \frac{\pi}{2} \pmod{2\pi}.

Exemple travaillé · 9

Dans le repère orthonormé direct (O,i,j)(O, \vec{i}, \vec{j}), déterminer les coordonnées du vecteur u\vec{u} sachant que u=4\|\vec{u}\| = 4 et (j,u)π3(mod2π)(\vec{j}, \vec{u}) \equiv \frac{\pi}{3} \pmod{2\pi}.

1

On pose u(xy)\vec{u}\begin{pmatrix} x \\ y \end{pmatrix}. Dans la base (i,j)(\vec{i}, \vec{j}), le vecteur unitaire vertical est j(01)\vec{j}\begin{pmatrix} 0 \\ 1 \end{pmatrix}.

2

On utilise le produit scalaire pour trouver l'ordonnée yy :

3
cos(j,u)=juju=0x+1y1×4=y4\cos(\vec{j}, \vec{u}) = \frac{\vec{j} \cdot \vec{u}}{\|\vec{j}\| \|\vec{u}\|} = \frac{0 \cdot x + 1 \cdot y}{1 \times 4} = \frac{y}{4}
4

Comme (j,u)π3(mod2π)(\vec{j}, \vec{u}) \equiv \frac{\pi}{3} \pmod{2\pi}, on a cos(π3)=12\cos\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{1}{2}, d'où y4=12\frac{y}{4} = \frac{1}{2}, soit y=2y = 2.

5

On utilise le déterminant pour trouver l'abscisse xx :

6
sin(j,u)=det(j,u)ju=0y1x1×4=x4\sin(\vec{j}, \vec{u}) = \frac{\det(\vec{j}, \vec{u})}{\|\vec{j}\| \|\vec{u}\|} = \frac{0 \cdot y - 1 \cdot x}{1 \times 4} = \frac{-x}{4}
7

Comme sin(π3)=32\sin\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{\sqrt{3}}{2}, on a x4=32\frac{-x}{4} = \frac{\sqrt{3}}{2}, soit x=23x = -2\sqrt{3}.

8

Les coordonnées du vecteur sont u(232)\vec{u}\begin{pmatrix} -2\sqrt{3} \\ 2 \end{pmatrix}.

Piège classique · 10

Dans le repère (O,i,j)(O, \vec{i}, \vec{j}), un vecteur w\vec{w} vérifie w=6\|\vec{w}\| = 6 et (j,w)π6(mod2π)(\vec{j}, \vec{w}) \equiv \frac{\pi}{6} \pmod{2\pi}. Quelle est son abscisse xx ?

Attention

Écrire x=6cos(π6)=33x = 6\cos\left(\frac{\pi}{6}\right) = 3\sqrt{3} en associant l'abscisse au cosinus par automatisme.

À la place : L'angle est repéré par rapport à j(0,1)\vec{j}(0, 1), donc sin(j,w)=det(j,w)w=x6\sin(\vec{j}, \vec{w}) = \frac{\det(\vec{j}, \vec{w})}{\|\vec{w}\|} = \frac{-x}{6}. Comme sin(π6)=12\sin\left(\frac{\pi}{6}\right) = \frac{1}{2}, on a x6=12    x=3\frac{-x}{6} = \frac{1}{2} \iff x = -3.

Vérification · 11

Dans le plan muni d'un repère orthonormé direct, on considère le triangle ABCABC tel que AB=5AB = 5, AC=4AC = 4 et (AB,AC)2π3(mod2π)(\vec{AB}, \vec{AC}) \equiv \frac{2\pi}{3} \pmod{2\pi}. Quelle est l'aire du triangle ABCABC ?

Remarque

L'aire est A=12det(AB,AC)=12AB×AC×sin(2π3)=12×5×4×32=53\mathcal{A} = \frac{1}{2} |\det(\vec{AB}, \vec{AC})| = \frac{1}{2} AB \times AC \times \left|\sin\left(\frac{2\pi}{3}\right)\right| = \frac{1}{2} \times 5 \times 4 \times \frac{\sqrt{3}}{2} = 5\sqrt{3}.

Point de départ · 12

Pour deux réels aa et bb, a-t-on l'égalité cos(a+b)=cosa+cosb\cos(a+b) = \cos a + \cos b ?

Remarque

Non, la fonction cosinus n'est pas linéaire. Par exemple, pour a=π2a = \frac{\pi}{2} et b=π2b = \frac{\pi}{2}, on a cos(π)=1\cos(\pi) = -1, alors que cos(π2)+cos(π2)=0+0=0\cos\left(\frac{\pi}{2}\right) + \cos\left(\frac{\pi}{2}\right) = 0 + 0 = 0. Il faut donc des formules spécifiques pour développer cos(a+b)\cos(a+b) et sin(a+b)\sin(a+b).

Définition · 13

Formules d'addition et de soustraction

Pour tous réels aa et bb, on a les identités fondamentales :

cos(a+b)=cosacosbsinasinb\cos(a+b) = \cos a \cos b - \sin a \sin b

cos(ab)=cosacosb+sinasinb\cos(a-b) = \cos a \cos b + \sin a \sin b

sin(a+b)=sinacosb+cosasinb\sin(a+b) = \sin a \cos b + \cos a \sin b

sin(ab)=sinacosbcosasinb\sin(a-b) = \sin a \cos b - \cos a \sin b

Pour tous réels aa et bb tels que tana\tan a, tanb\tan b et tan(a±b)\tan(a \pm b) existent :

tan(a+b)=tana+tanb1tanatanbettan(ab)=tanatanb1+tanatanb\tan(a+b) = \frac{\tan a + \tan b}{1 - \tan a \tan b} \quad \text{et} \quad \tan(a-b) = \frac{\tan a - \tan b}{1 + \tan a \tan b}

Exemple travaillé · 14

En écrivant π12=π3π4\frac{\pi}{12} = \frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{4}, calculer la valeur exacte de cos(π12)\cos\left(\frac{\pi}{12}\right).

1

On applique la formule de soustraction cos(ab)=cosacosb+sinasinb\cos(a-b) = \cos a \cos b + \sin a \sin b avec a=π3a = \frac{\pi}{3} et b=π4b = \frac{\pi}{4} :

2
cos(π12)=cos(π3π4)=cos(π3)cos(π4)+sin(π3)sin(π4)\cos\left(\frac{\pi}{12}\right) = \cos\left(\frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{4}\right) = \cos\left(\frac{\pi}{3}\right)\cos\left(\frac{\pi}{4}\right) + \sin\left(\frac{\pi}{3}\right)\sin\left(\frac{\pi}{4}\right)
3

On remplace par les valeurs remarquables :

4
cos(π12)=(12)(22)+(32)(22)=24+64\cos\left(\frac{\pi}{12}\right) = \left(\frac{1}{2}\right)\left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right) + \left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right)\left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right) = \frac{\sqrt{2}}{4} + \frac{\sqrt{6}}{4}
5
cos(π12)=6+24\cos\left(\frac{\pi}{12}\right) = \frac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4}

Exemple travaillé · 15

Montrer que pour tout xkπ2x \neq k\frac{\pi}{2} (kZk \in \mathbb{Z}) :
sin3xsinxcos3xcosx=2\frac{\sin 3x}{\sin x} - \frac{\cos 3x}{\cos x} = 2

1

On réduit au même dénominateur sans développer prématurément sin3x\sin 3x et cos3x\cos 3x :

2
sin3xsinxcos3xcosx=sin3xcosxcos3xsinxsinxcosx\frac{\sin 3x}{\sin x} - \frac{\cos 3x}{\cos x} = \frac{\sin 3x \cos x - \cos 3x \sin x}{\sin x \cos x}
3

On reconnaît au numérateur la formule sin(ab)=sinacosbcosasinb\sin(a-b) = \sin a \cos b - \cos a \sin b avec a=3xa = 3x et b=xb = x :

4
sin3xcosxcos3xsinx=sin(3xx)=sin2x\sin 3x \cos x - \cos 3x \sin x = \sin(3x - x) = \sin 2x
5

On utilise la duplication sin2x=2sinxcosx\sin 2x = 2\sin x \cos x pour simplifier la fraction :

6
sin2xsinxcosx=2sinxcosxsinxcosx=2\frac{\sin 2x}{\sin x \cos x} = \frac{2\sin x \cos x}{\sin x \cos x} = 2

Piège classique · 16

Quelle est l'expression correcte de cos(ab)\cos(a-b) ?

Attention

Écrire cos(ab)=cosacosbsinasinb\cos(a-b) = \cos a \cos b - \sin a \sin b en conservant le signe « - » par analogie avec le sinus.

À la place : Pour le cosinus, le signe de l'opération s'inverse : cos(ab)=cosacosb+sinasinb\cos(a-b) = \cos a \cos b + \sin a \sin b, alors que cos(a+b)=cosacosbsinasinb\cos(a+b) = \cos a \cos b - \sin a \sin b.

Vérification · 17

En utilisant 5π12=π6+π4\frac{5\pi}{12} = \frac{\pi}{6} + \frac{\pi}{4}, quelle est la valeur exacte de sin(5π12)\sin\left(\frac{5\pi}{12}\right) ?

Remarque

On applique sin(a+b)=sinacosb+cosasinb\sin(a+b) = \sin a\cos b + \cos a\sin b :
sin(5π12)=sin(π6)cos(π4)+cos(π6)sin(π4)=1222+3222=6+24\sin\left(\frac{5\pi}{12}\right) = \sin\left(\frac{\pi}{6}\right)\cos\left(\frac{\pi}{4}\right) + \cos\left(\frac{\pi}{6}\right)\sin\left(\frac{\pi}{4}\right) = \frac{1}{2}\frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2}\frac{\sqrt{2}}{2} = \frac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4}

Définition · 18

Formules de duplication et de linéarisation

Pour tout réel xx, en posant a=b=xa = b = x dans les formules d'addition, on obtient les formules de duplication :

sin(2x)=2sinxcosx\sin(2x) = 2\sin x \cos x

cos(2x)=cos2xsin2x=2cos2x1=12sin2x\cos(2x) = \cos^2 x - \sin^2 x = 2\cos^2 x - 1 = 1 - 2\sin^2 x

Pour tout réel xx tel que tanx\tan x et tan(2x)\tan(2x) existent :

tan(2x)=2tanx1tan2x\tan(2x) = \frac{2\tan x}{1 - \tan^2 x}

En isolant cos2x\cos^2 x et sin2x\sin^2 x dans l'expression de cos(2x)\cos(2x), on obtient les formules de linéarisation :

cos2x=1+cos(2x)2etsin2x=1cos(2x)2\cos^2 x = \frac{1 + \cos(2x)}{2} \quad \text{et} \quad \sin^2 x = \frac{1 - \cos(2x)}{2}

Exemple travaillé · 19

On donne cosa=2+32\cos a = \frac{\sqrt{2+\sqrt{3}}}{2} avec 0<a<π20 < a < \frac{\pi}{2}. Calculer cos(2a)\cos(2a) puis en déduire la valeur exacte de aa.

1

On applique la formule de duplication cos(2a)=2cos2a1\cos(2a) = 2\cos^2 a - 1 :

2
cos(2a)=2(2+32)21=2(2+34)1=2+321=32\cos(2a) = 2\left(\frac{\sqrt{2+\sqrt{3}}}{2}\right)^2 - 1 = 2\left(\frac{2+\sqrt{3}}{4}\right) - 1 = \frac{2+\sqrt{3}}{2} - 1 = \frac{\sqrt{3}}{2}
3

On résout l'équation cos(2a)=32=cos(π6)\cos(2a) = \frac{\sqrt{3}}{2} = \cos\left(\frac{\pi}{6}\right) :

4
2a=π6+2kπou2a=π6+2kπ(kZ)2a = \frac{\pi}{6} + 2k\pi \quad \text{ou} \quad 2a = -\frac{\pi}{6} + 2k\pi \quad (k \in \mathbb{Z})
5

On divise par 2 pour isoler aa : a=π12+kπa = \frac{\pi}{12} + k\pi ou a=π12+kπa = -\frac{\pi}{12} + k\pi.

6

Comme 0<a<π20 < a < \frac{\pi}{2}, la seule valeur admissible dans cet intervalle est a=π12a = \frac{\pi}{12}.

Exemple travaillé · 20

Exprimer l'expression A(x)=5cos2x3sin2xA(x) = 5\cos^2 x - 3\sin^2 x sous forme d'une fonction affine de cos(2x)\cos(2x).

1

On remplace cos2x\cos^2 x et sin2x\sin^2 x par leurs formules de linéarisation respectives :

2
A(x)=5(1+cos(2x)2)3(1cos(2x)2)A(x) = 5\left(\frac{1 + \cos(2x)}{2}\right) - 3\left(\frac{1 - \cos(2x)}{2}\right)
3

On sépare les termes constants et les termes contenant cos(2x)\cos(2x) :

4
A(x)=52+52cos(2x)32+32cos(2x)A(x) = \frac{5}{2} + \frac{5}{2}\cos(2x) - \frac{3}{2} + \frac{3}{2}\cos(2x)
5
A(x)=532+(5+32)cos(2x)=1+4cos(2x)A(x) = \frac{5-3}{2} + \left(\frac{5+3}{2}\right)\cos(2x) = 1 + 4\cos(2x)

Piège classique · 21

Parmi les égalités de linéarisation suivantes, laquelle est exacte ?

Attention

Confondre le signe dans les formules de linéarisation en écrivant sin2x=1+cos(2x)2\sin^2 x = \frac{1+\cos(2x)}{2} au lieu du signe moins.

À la place : C'est le cosinus carré qui porte le signe « + » et le sinus carré qui porte le signe « - » : cos2x=1+cos(2x)2\cos^2 x = \frac{1+\cos(2x)}{2} et sin2x=1cos(2x)2\sin^2 x = \frac{1-\cos(2x)}{2}.

Vérification · 22

Soit xx un réel tel que sinx=14\sin x = \frac{1}{4}. Quelle est la valeur de cos(2x)\cos(2x) ?

Remarque

On applique directement la formule de duplication cos(2x)=12sin2x\cos(2x) = 1 - 2\sin^2 x :
cos(2x)=12(14)2=12×116=118=78\cos(2x) = 1 - 2\left(\frac{1}{4}\right)^2 = 1 - 2 \times \frac{1}{16} = 1 - \frac{1}{8} = \frac{7}{8}

Point de départ · 23

Comment transformer une somme du type cosx+sinx\cos x + \sin x en une seule fonction trigonométrique ?

Remarque

En multipliant et divisant par 12+12=2\sqrt{1^2+1^2} = \sqrt{2}, on fait apparaître des valeurs remarquables : 2(12cosx+12sinx)=2(cosπ4cosx+sinπ4sinx)=2cos(xπ4)\sqrt{2}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\cos x + \frac{1}{\sqrt{2}}\sin x\right) = \sqrt{2}\left(\cos\frac{\pi}{4}\cos x + \sin\frac{\pi}{4}\sin x\right) = \sqrt{2}\cos\left(x - \frac{\pi}{4}\right).

Définition · 24

Transformation de la combinaison linéaire acosx+bsinxa\cos x + b\sin x

Soient aa et bb deux réels non tous deux nuls. Pour tout réel xx, la combinaison linéaire acosx+bsinxa\cos x + b\sin x s'écrit sous la forme d'un cosinus déphasé :

acosx+bsinx=rcos(xφ)a\cos x + b\sin x = r\cos(x - \varphi)

où l'amplitude rr et l'angle auxiliaire φ\varphi sont définis par :

r=a2+b2,cosφ=ar,sinφ=brr = \sqrt{a^2 + b^2}, \quad \cos\varphi = \frac{a}{r}, \quad \sin\varphi = \frac{b}{r}

Exemple travaillé · 25

Écrire l'expression f(x)=3cosxsinxf(x) = \sqrt{3}\cos x - \sin x sous la forme rcos(xφ)r\cos(x - \varphi) avec r>0r > 0 et φ]π;π]\varphi \in ]-\pi ; \pi].

1

On identifie a=3a = \sqrt{3} et b=1b = -1, puis on calcule l'amplitude r=a2+b2r = \sqrt{a^2+b^2} :

2
r=(3)2+(1)2=3+1=4=2r = \sqrt{(\sqrt{3})^2 + (-1)^2} = \sqrt{3+1} = \sqrt{4} = 2
3

On factorise par r=2r = 2 :

4
f(x)=2(32cosx12sinx)f(x) = 2\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\cos x - \frac{1}{2}\sin x\right)
5

On cherche l'angle auxiliaire φ\varphi tel que cosφ=32\cos\varphi = \frac{\sqrt{3}}{2} et sinφ=12\sin\varphi = -\frac{1}{2}, ce qui donne φ=π6\varphi = -\frac{\pi}{6}.

6

On applique la formule d'addition cosxcosφ+sinxsinφ=cos(xφ)\cos x\cos\varphi + \sin x\sin\varphi = \cos(x-\varphi) :

7
f(x)=2cos(x(π6))=2cos(x+π6)f(x) = 2\cos\left(x - \left(-\frac{\pi}{6}\right)\right) = 2\cos\left(x + \frac{\pi}{6}\right)

Exemple travaillé · 26

Résoudre dans R\mathbb{R} l'équation 3cosxsinx=2\sqrt{3}\cos x - \sin x = \sqrt{2}.

1

On transforme le membre de gauche sous forme d'amplitude-phase :

2
2cos(x+π6)=2    cos(x+π6)=222\cos\left(x + \frac{\pi}{6}\right) = \sqrt{2} \iff \cos\left(x + \frac{\pi}{6}\right) = \frac{\sqrt{2}}{2}
3

On reconnaît cos(π4)=22\cos\left(\frac{\pi}{4}\right) = \frac{\sqrt{2}}{2}, ce qui donne les deux familles de solutions :

4
x+π6=π4+2kπoux+π6=π4+2kπ(kZ)x + \frac{\pi}{6} = \frac{\pi}{4} + 2k\pi \quad \text{ou} \quad x + \frac{\pi}{6} = -\frac{\pi}{4} + 2k\pi \quad (k \in \mathbb{Z})
5

On isole xx en mettant les fractions au dénominateur commun 1212 :

6
x=3π122π12+2kπ=π12+2kπoux=3π122π12+2kπ=5π12+2kπx = \frac{3\pi}{12} - \frac{2\pi}{12} + 2k\pi = \frac{\pi}{12} + 2k\pi \quad \text{ou} \quad x = -\frac{3\pi}{12} - \frac{2\pi}{12} + 2k\pi = -\frac{5\pi}{12} + 2k\pi
7

L'ensemble des solutions est SR={π12+2kπ,5π12+2kπkZ}S_{\mathbb{R}} = \left\{\frac{\pi}{12} + 2k\pi, -\frac{5\pi}{12} + 2k\pi \mid k \in \mathbb{Z}\right\}.

Piège classique · 27

Dans la factorisation de cosx3sinx=2(12cosx32sinx)\cos x - \sqrt{3}\sin x = 2\left(\frac{1}{2}\cos x - \frac{\sqrt{3}}{2}\sin x\right), quelle est la forme réduite en cosinus déphasé ?

Attention

Écrire 2cos(xπ3)2\cos\left(x - \frac{\pi}{3}\right) en confondant le signe dans la formule d'addition du cosinus.

À la place : Avec cos(π3)=12\cos\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{1}{2} et sin(π3)=32\sin\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{\sqrt{3}}{2}, l'expression dans la parenthèse est cosxcosπ3sinxsinπ3=cos(x+π3)\cos x\cos\frac{\pi}{3} - \sin x\sin\frac{\pi}{3} = \cos\left(x + \frac{\pi}{3}\right).

Vérification · 28

Parmi les réels suivants, lequel est une solution de l'équation cosx+sinx=2\cos x + \sin x = \sqrt{2} ?

Remarque

On transforme : cosx+sinx=2cos(xπ4)\cos x + \sin x = \sqrt{2}\cos\left(x - \frac{\pi}{4}\right). L'équation s'écrit 2cos(xπ4)=2    cos(xπ4)=1\sqrt{2}\cos\left(x - \frac{\pi}{4}\right) = \sqrt{2} \iff \cos\left(x - \frac{\pi}{4}\right) = 1, ce qui donne xπ4=2kπ    x=π4+2kπx - \frac{\pi}{4} = 2k\pi \iff x = \frac{\pi}{4} + 2k\pi.

Point de départ · 29

Combien de solutions l'équation cos(2x)=0\cos(2x) = 0 admet-elle dans l'intervalle [0,2π[[0, 2\pi[ ?

Remarque

Lorsque x[0,2π[x \in [0, 2\pi[, l'argument 2x2x parcourt deux tours complets [0,4π[[0, 4\pi[. L'équation cos(2x)=0\cos(2x) = 0 s'annule en 2x{π2,3π2,5π2,7π2}2x \in \left\{\frac{\pi}{2}, \frac{3\pi}{2}, \frac{5\pi}{2}, \frac{7\pi}{2}\right\}, ce qui donne 4 solutions pour xx : π4,3π4,5π4,7π4\frac{\pi}{4}, \frac{3\pi}{4}, \frac{5\pi}{4}, \frac{7\pi}{4}.

Définition · 30

Résolution des équations trigonométriques fondamentales

Pour tout réel a[1;1]a \in [-1 ; 1], il existe un réel α\alpha tel que cosα=a\cos\alpha = a (ou sinα=a\sin\alpha = a). Les résolutions dans R\mathbb{R} s'écrivent avec kZk \in \mathbb{Z} :

cosX=cosα    X=α+2kπouX=α+2kπ\cos X = \cos\alpha \iff X = \alpha + 2k\pi \quad \text{ou} \quad X = -\alpha + 2k\pi

sinX=sinα    X=α+2kπouX=πα+2kπ\sin X = \sin\alpha \iff X = \alpha + 2k\pi \quad \text{ou} \quad X = \pi - \alpha + 2k\pi

tanX=tanα    X=α+kπ\tan X = \tan\alpha \iff X = \alpha + k\pi

Si a[1;1]a \notin [-1 ; 1], les équations cosX=a\cos X = a et sinX=a\sin X = a n'ont aucune solution réelle.

Exemple travaillé · 31

Résoudre dans l'intervalle [0,2π[[0, 2\pi[ l'équation 2cos(2x)3=02\cos(2x) - \sqrt{3} = 0.

1

On isole le cosinus pour se ramener à une valeur remarquable :

2
cos(2x)=32=cos(π6)\cos(2x) = \frac{\sqrt{3}}{2} = \cos\left(\frac{\pi}{6}\right)
3

On applique la règle de résolution générale dans R\mathbb{R} pour l'argument 2x2x :

4
2x=π6+2kπou2x=π6+2kπ(kZ)2x = \frac{\pi}{6} + 2k\pi \quad \text{ou} \quad 2x = -\frac{\pi}{6} + 2k\pi \quad (k \in \mathbb{Z})
5

On divise tous les termes (y compris la période 2kπ2k\pi) par 2 pour obtenir xx :

6
x=π12+kπoux=π12+kπ(kZ)x = \frac{\pi}{12} + k\pi \quad \text{ou} \quad x = -\frac{\pi}{12} + k\pi \quad (k \in \mathbb{Z})
7

On filtre les entiers kk pour obtenir les solutions appartenant à [0,2π[[0, 2\pi[ :
- Pour x=π12+kπx = \frac{\pi}{12} + k\pi : avec k=0    π12k=0 \implies \frac{\pi}{12}, avec k=1    13π12k=1 \implies \frac{13\pi}{12}.
- Pour x=π12+kπx = -\frac{\pi}{12} + k\pi : avec k=1    11π12k=1 \implies \frac{11\pi}{12}, avec k=2    23π12k=2 \implies \frac{23\pi}{12}.

8

L'ensemble des solutions est S[0,2π[={π12,11π12,13π12,23π12}S_{[0, 2\pi[} = \left\{\frac{\pi}{12}, \frac{11\pi}{12}, \frac{13\pi}{12}, \frac{23\pi}{12}\right\}.

Exemple travaillé · 32

Résoudre dans R\mathbb{R} l'équation 2cos2x+3cosx3=02\cos^2 x + \sqrt{3}\cos x - 3 = 0.

1

On effectue le changement de variable t=cosxt = \cos x avec la contrainte t[1;1]t \in [-1 ; 1].

2
2t2+3t3=02t^2 + \sqrt{3}t - 3 = 0
3

On calcule le discriminant : Δ=(3)24(2)(3)=3+24=27=(33)2\Delta = (\sqrt{3})^2 - 4(2)(-3) = 3 + 24 = 27 = (3\sqrt{3})^2.

4
t1=3+334=234=32ett2=3334=3t_1 = \frac{-\sqrt{3} + 3\sqrt{3}}{4} = \frac{2\sqrt{3}}{4} = \frac{\sqrt{3}}{2} \quad \text{et} \quad t_2 = \frac{-\sqrt{3} - 3\sqrt{3}}{4} = -\sqrt{3}
5

Comme 3<1-\sqrt{3} < -1, la valeur t2t_2 est impossible car cosx[1;1]\cos x \in [-1 ; 1]. On résout uniquement cosx=32=cos(π6)\cos x = \frac{\sqrt{3}}{2} = \cos\left(\frac{\pi}{6}\right).

6
SR={π6+2kπ,π6+2kπkZ}S_{\mathbb{R}} = \left\{\frac{\pi}{6} + 2k\pi, -\frac{\pi}{6} + 2k\pi \mid k \in \mathbb{Z}\right\}

Piège classique · 33

On résout l'équation 2sin2x7sinx+3=02\sin^2 x - 7\sin x + 3 = 0. Le trinôme en t=sinxt = \sin x donne pour racines t1=3t_1 = 3 et t2=12t_2 = \frac{1}{2}. Quelles sont les équations à résoudre pour trouver xx ?

Attention

Chercher à résoudre sinx=3\sin x = 3 en tentant des calculs d'angles impossibles.

À la place : Pour tout réel xx, on a 1sinx1-1 \le \sin x \le 1. L'équation sinx=3\sin x = 3 n'admet aucune solution réelle. On ne résout que sinx=12\sin x = \frac{1}{2}.

Vérification · 34

Combien de solutions l'équation sin(2x)=12\sin(2x) = \frac{1}{2} possède-t-elle dans l'intervalle [0,2π[[0, 2\pi[ ?

Remarque

Dans R\mathbb{R}, 2x=π6+2kπ    x=π12+kπ2x = \frac{\pi}{6} + 2k\pi \implies x = \frac{\pi}{12} + k\pi et 2x=5π6+2kπ    x=5π12+kπ2x = \frac{5\pi}{6} + 2k\pi \implies x = \frac{5\pi}{12} + k\pi. Sur [0,2π[[0, 2\pi[, on obtient 4 solutions : π12,5π12,13π12,17π12\frac{\pi}{12}, \frac{5\pi}{12}, \frac{13\pi}{12}, \frac{17\pi}{12}.

Point de départ · 35

Sur l'intervalle [0;2π[[0 ; 2\pi[, l'inéquation cosx12\cos x \ge \frac{1}{2} correspond aux points du cercle situés à droite de la droite x=12x = \frac{1}{2}. Peut-on écrire les solutions sous la forme d'un seul intervalle [5π3;π3]\left[\frac{5\pi}{3} ; \frac{\pi}{3}\right] ?

Remarque

Non. Les bornes d'un intervalle doivent respecter l'ordre croissant aba \le b. Comme 5π3>π3\frac{5\pi}{3} > \frac{\pi}{3}, l'arc traversant l'angle 00 se scinde en deux intervalles dans [0;2π[[0 ; 2\pi[ : [0;π3][5π3;2π[\left[0 ; \frac{\pi}{3}\right] \cup \left[\frac{5\pi}{3} ; 2\pi\right[.

Définition · 36

Résolution graphique d'inéquations trigonométriques

Pour résoudre une inéquation trigonométrique sur un intervalle donné, on détermine les points frontières sur le cercle trigonométrique :

cosxa    x correspond aˋ l’arc situeˊ aˋ droite de la droite X=a\cos x \ge a \iff x \text{ correspond à l'arc situé à droite de la droite } X = a

sinxa    x correspond aˋ l’arc situeˊ au-dessus de la droite Y=a\sin x \ge a \iff x \text{ correspond à l'arc situé au-dessus de la droite } Y = a

Sur l'intervalle [0;2π[[0 ; 2\pi[, si l'arc solution contient l'origine des angles (00), l'ensemble des solutions s'écrit obligatoirement sous la forme d'une réunion de deux intervalles disjoints : [0;α][β;2π[[0 ; \alpha] \cup [\beta ; 2\pi[.

Exemple travaillé · 37

Résoudre dans [0;2π[[0 ; 2\pi[ l'inéquation cosx12\cos x \ge \frac{1}{2}.

1

On résout l'équation frontière cosx=12\cos x = \frac{1}{2} dans [0;2π[[0 ; 2\pi[ :

2
x=π3oux=2ππ3=5π3x = \frac{\pi}{3} \quad \text{ou} \quad x = 2\pi - \frac{\pi}{3} = \frac{5\pi}{3}
3

La condition cosx12\cos x \ge \frac{1}{2} correspond aux points du cercle situés à droite de la droite verticale X=12X = \frac{1}{2}.

4

En parcourant l'intervalle [0;2π[[0 ; 2\pi[ à partir de 00, on traverse d'abord l'arc de 00 à π3\frac{\pi}{3}, puis l'arc de 5π3\frac{5\pi}{3} à 2π2\pi (exclu).

5
S[0;2π[=[0;π3][5π3;2π[S_{[0 ; 2\pi[} = \left[0 ; \frac{\pi}{3}\right] \cup \left[\frac{5\pi}{3} ; 2\pi\right[

Exemple travaillé · 38

Résoudre dans [0;2π][0 ; 2\pi] l'inéquation 2sin(2x)1>02\sin(2x) - 1 > 0.

1

On isole le sinus : sin(2x)>12\sin(2x) > \frac{1}{2}.

2

On pose t=2xt = 2x. Comme x[0;2π]x \in [0 ; 2\pi], l'inconnue auxiliaire tt parcourt deux tours complets : t[0;4π]t \in [0 ; 4\pi].

3

Sur le premier tour [0;2π][0 ; 2\pi], sint>12    t]π6;5π6[\sin t > \frac{1}{2} \iff t \in \left]\frac{\pi}{6} ; \frac{5\pi}{6}\right[.

4

Sur le second tour [2π;4π][2\pi ; 4\pi], on ajoute 2π2\pi aux bornes : t]2π+π6;2π+5π6[=]13π6;17π6[t \in \left]2\pi + \frac{\pi}{6} ; 2\pi + \frac{5\pi}{6}\right[ = \left]\frac{13\pi}{6} ; \frac{17\pi}{6}\right[.

5

On revient à x=t2x = \frac{t}{2} en divisant toutes les bornes par 22 :

6
S[0;2π]=]π12;5π12[]13π12;17π12[S_{[0 ; 2\pi]} = \left]\frac{\pi}{12} ; \frac{5\pi}{12}\right[ \cup \left]\frac{13\pi}{12} ; \frac{17\pi}{12}\right[

Piège classique · 39

On résout l'inéquation cosx22\cos x \ge \frac{\sqrt{2}}{2} dans l'intervalle [0;2π[[0 ; 2\pi[. Quelle est l'écriture correcte de l'ensemble des solutions ?

Attention

Écrire [π4;π4]\left[-\frac{\pi}{4} ; \frac{\pi}{4}\right] ou [7π4;π4]\left[\frac{7\pi}{4} ; \frac{\pi}{4}\right] sans tenir compte de la coupure en 00 imposée par [0;2π[[0 ; 2\pi[.

À la place : Dans [0;2π[[0 ; 2\pi[, les angles sont positifs et bornés par 00 et 2π2\pi. L'arc traversant l'angle nul se coupe en deux segments distincts : [0;π4][7π4;2π[\left[0 ; \frac{\pi}{4}\right] \cup \left[\frac{7\pi}{4} ; 2\pi\right[.

Vérification · 40

Quel est l'ensemble des solutions dans [0;2π[[0 ; 2\pi[ de l'inéquation sinx32\sin x \ge \frac{\sqrt{3}}{2} ?

Remarque

Les angles vérifiant sinx=32\sin x = \frac{\sqrt{3}}{2} sont π3\frac{\pi}{3} et 2π3\frac{2\pi}{3}. L'ordonnée est supérieure à 32\frac{\sqrt{3}}{2} sur l'arc supérieur continu entre ces deux valeurs : S=[π3;2π3]S = \left[\frac{\pi}{3} ; \frac{2\pi}{3}\right].

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