Sur le cercle trigonométrique de centre O et de rayon 1, le cosinus d'un réel x est l'abscisse du point image M tel que (i,OM)≡x[2π].
Deux points du cercle ayant la même abscisse sont soit confondus, soit symétriques par rapport à l'axe des abscisses. Ainsi, cos(−x)=cos(x) et pour tout réel x, −1≤cosx≤1.
Point de départ · 2
Combien de points distincts sur le cercle trigonométrique ont pour abscisse 21 sur l'intervalle ]−π;π] ?
Remarque
La droite verticale d'abscisse x=21 coupe le cercle en exactement deux points d'angles 3π et −3π, car cos(3π)=cos(−3π)=21.
Définition · 3
Théorème — Équations fondamentales en cosinus
Soit a∈[−1;1] et α∈R tel que cosα=a.
cosx=a⟺x=α+2kπoux=−α+2kπ(k∈Z)
De manière générale, l'égalité de deux cosinus se traduit par :
cos(u)=cos(v)⟺u=v+2kπouu=−v+2kπ(k∈Z)
Si a∈/[−1;1], l’eˊquation cosx=a n’a aucune solution dans R.
Exemple travaillé · 4
Résoudre dans R l'équation : cosx=−23.
1
On cherche un angle remarquable de référence : on sait que cos(6π)=23.
2
On utilise la propriété des angles supplémentaires cos(π−θ)=−cosθ pour absorber le signe négatif :
−23=cos(π−6π)=cos(65π)
3
L'équation s'écrit cosx=cos(65π). On applique le théorème :
x=65π+2kπoux=−65π+2kπ(k∈Z)
4
L'ensemble des solutions dans R est :
SR={65π+2kπ,−65π+2kπ;k∈Z}
Exemple travaillé · 5
Résoudre dans R l'équation : 2cos(2x−4π)+1=0.
1
On isole le cosinus :
cos(2x−4π)=−21
2
Comme cos(3π)=21, on a −21=cos(π−3π)=cos(32π).
3
On applique l'égalité de deux cosinus avec les deux branches :
On divise tous les termes par 2, y compris la période 2kπ :
x=2411π+kπoux=−245π+kπ(k∈Z)
Piège classique · 6
On résout dans R l'équation cos(2x)=0. Quelle est l'expression correcte des solutions ?
Attention
Écrire 2x=2π+kπ⟹x=4π+2kπ en oubliant de diviser la période par 2.
À la place : La division par le coefficient 2 s'applique à tous les termes : 2x=2π+kπ⟺x=4π+2kπ (k∈Z).
Vérification · 7
Résoudre dans R l'équation cos(3x)=cos(x). Quelle famille de solutions correspond à la branche 3x=−x+2kπ ?
Remarque
3x=−x+2kπ⟺4x=2kπ⟺x=42kπ=2kπ avec k∈Z.
Point de départ · 8
Quels sont les deux angles de ]−π;π] ayant pour sinus 22 ?
Remarque
Le sinus se lit sur l'axe des ordonnées. Deux points de même ordonnée sur le cercle trigonométrique sont symétriques par rapport à l'axe vertical (Oy), ce qui correspond aux angles θ et π−θ (ici 4π et π−4π=43π).
Définition · 9
Théorème — Équations fondamentales en sinus
Soit b∈[−1;1] et α∈R tel que sinα=b.
sinx=b⟺x=α+2kπoux=π−α+2kπ(k∈Z)
Pour deux expressions u et v quelconques :
sin(u)=sin(v)⟺u=v+2kπouu=π−v+2kπ(k∈Z)
Si b∈/[−1;1], l’eˊquation sinx=b n’admet aucune solution dans R.
Exemple travaillé · 10
Résoudre dans R l'équation : sinx=−22.
1
On identifie l'angle remarquable : sin(4π)=22.
2
On utilise l'imparité de la fonction sinus sin(−θ)=−sinθ pour intégrer le signe négatif :
−22=sin(−4π)
3
L'équation s'écrit sinx=sin(−4π). On applique les deux branches du théorème :
x=−4π+2kπoux=π−(−4π)+2kπ
4
On simplifie la seconde branche :
x=π+4π+2kπ=45π+2kπ
5
L'ensemble des solutions dans R est :
SR={−4π+2kπ,45π+2kπ;k∈Z}
Exemple travaillé · 11
Résoudre dans R l'équation : sin(x+6π)=sin(2x+43π).
1
L'égalité sin(u)=sin(v) donne deux familles d'égalités :
x+6π=2x+43π+2kπoux+6π=π−(2x+43π)+2kπ
2
Pour la première famille, on regroupe les termes en x :
x−2x=43π−6π+2kπ⟺−x=127π+2kπ⟺x=−127π+2k′π
3
Pour la seconde famille, on distribue soigneusement le signe moins sur tout le binôme :
x+6π=π−2x−43π+2kπ=4π−2x+2kπ
4
On isole x en divisant tous les termes par 3, y compris la période :
3x=4π−6π+2kπ=12π+2kπ⟺x=36π+32kπ
5
L'ensemble des solutions réunit ces deux familles :
SR={−127π+2kπ,36π+32kπ;k∈Z}
Piège classique · 12
Pour résoudre l'équation sin(2x)=sin(x+3π), quelle est l'écriture correcte de la seconde famille de solutions ?
Attention
Écrire 2x=−(x+3π)+2kπ par confusion avec le cosinus, ou écrire π−x+3π en oubliant les parenthèses de soustraction.
À la place : Pour le sinus, la seconde branche est π−v. Avec v=x+3π, on soustrait tout le bloc : π−(x+3π)=π−x−3π.
Vérification · 13
Pour résoudre l'équation mixte cos(3x)=sin(2x), quelle formule des angles complémentaires permet de la transformer en une égalité de deux cosinus ?
Remarque
On utilise la relation sin(θ)=cos(2π−θ) avec θ=2x. L'équation devient cos(3x)=cos(2π−2x), que l'on résout ensuite à l'aide du théorème du cosinus.
Point de départ · 14
On pose t=cosx dans l'équation 2cos2x−5cosx+3=0. Le trinôme 2t2−5t+3=0 admet pour racines t1=1 et t2=23. Combien de ces racines donnent des solutions pour x ?
Remarque
Pour tout réel x, on a −1≤cosx≤1. La racine t2=23>1 est donc impossible : seule t1=1 fournit des solutions réelles pour x.
Définition · 15
Méthode — Équations polynomiales et changement de variable
Pour reˊsoudre acos2x+bcosx+c=0 (ou avec sinx) :
1. Poser le changement de variable t=cosx (ou t=sinx) avec la condition impérative t∈[−1;1].
2. Résoudre l'équation du second degré at2+bt+c=0 dans R.
3. Rejeter immédiatement toute racine située en dehors de [−1;1].
4. Résoudre les équations fondamentales associées aux racines retenues.
Si l’eˊquation meˆle sinx et cos2x, on unifie d’abord via cos2x=1−sin2x.
Exemple travaillé · 16
Résoudre dans R l'équation : 3sinx=2cos2x.
1
On unifie l'expression en remplaçant cos2x par 1−sin2x :
3sinx=2(1−sin2x)⟺2sin2x+3sinx−2=0
2
On pose t=sinx avec t∈[−1;1]. L'équation devient :
2t2+3t−2=0
3
On calcule le discriminant Δ=32−4(2)(−2)=25. Les racines sont :
t1=4−3−5=−2ett2=4−3+5=21
4
La racine t1=−2 est rejetée car −2∈/[−1;1]. On résout uniquement sinx=21 :
sinx=sin(6π)⟺x=6π+2kπoux=65π+2kπ(k∈Z)
5
L'ensemble des solutions dans R est :
SR={6π+2kπ,65π+2kπ;k∈Z}
Exemple travaillé · 17
Résoudre dans R l'équation : 4sin2x−1=0.
1
On isole le carré du sinus :
sin2x=41
2
L'équation se scinde en deux équations du premier degré en conservant les deux signes ± :
sinx=21ousinx=−21
3
Pour sinx=21=sin(6π) :
x=6π+2kπoux=65π+2kπ(k∈Z)
4
Pour sinx=−21=sin(−6π) :
x=−6π+2kπoux=67π+2kπ(k∈Z)
5
L'ensemble des solutions réunit ces quatre familles :
SR={6π+2kπ,65π+2kπ,−6π+2kπ,67π+2kπ;k∈Z}
Piège classique · 18
Après avoir posé t=cosx, on trouve pour solutions du trinôme t1=−1 et t2=4. Quelles équations doit-on résoudre pour trouver x ?
Attention
Conserver la valeur t2=4 et tenter de résoudre cosx=4.
À la place : Le cosinus est toujours compris entre −1 et 1. L'équation cosx=4 n'a aucune solution réelle : on ne résout que cosx=−1.
Vérification · 19
On résout dans R l'équation 2cos2x−cosx−1=0. Quelles sont les valeurs de t=cosx admissibles ?
Remarque
Les racines de 2t2−t−1=0 sont t1=1 et t2=−21. Comme elles appartiennent toutes deux à [−1;1], les deux valeurs sont conservées et donnent x=2kπ ou x=±32π+2kπ (k∈Z).
Point de départ · 20
Quelle est la valeur maximale atteinte par l'expression f(x)=cosx+sinx pour tout réel x ?
Remarque
Comme cosx et sinx ne peuvent pas valoir 1 en même temps (car cos2x+sin2x=1), le maximum n'est pas 2 mais 2, obtenu quand x=4π.
Définition · 21
Théorème — Transformation de acosx+bsinx
Soient a et b deux reˊels non tous deux nuls. Pour tout x∈R:
acosx+bsinx=rcos(x−φ)
r=a2+b2aveccosφ=raetsinφ=rb
Exemple travaillé · 22
Résoudre dans R l'équation : 3cosx+sinx=2.
1
On calcule l'amplitude :
r=(3)2+12=3+1=2
2
On factorise le membre de gauche par 2 :
2(23cosx+21sinx)=2
3
On identifie l'angle φ=6π car cos(6π)=23 et sin(6π)=21 :
2cos(x−6π)=2⟺cos(x−6π)=22
4
On applique le théorème de résolution en cosinus :
x−6π=4π+2kπoux−6π=−4π+2kπ
5
On isole x dans chaque égalité :
x=125π+2kπoux=−12π+2kπ(k∈Z)
Exemple travaillé · 23
Résoudre dans R l'équation : cos(2x)−3sin(2x)=−3.
1
On a a=1 et b=−3. L'amplitude vaut :
r=12+(−3)2=2
2
On factorise par 2 en cherchant φ tel que cosφ=21 et sinφ=−23, d'où φ=−3π :
2cos(2x−(−3π))=−3⟺cos(2x+3π)=−23
3
On utilise −23=cos(65π) :
2x+3π=65π+2kπou2x+3π=−65π+2kπ
4
On isole 2x puis on divise tous les termes par 2 :
x=4π+kπoux=−127π+kπ(k∈Z)
Piège classique · 24
Pour résoudre 3cosx+sinx=1, pourquoi est-il déconseillé d'écrire (3cosx)2=(1−sinx)2 ?
Attention
Élever au carré pour éliminer les fonctions trigonométriques introduit des solutions parasites de l'équation opposée 3cosx=−(1−sinx).
À la place : L'élévation au carré n'est pas une équivalence. Il faut toujours transformer par l'amplitude-phase rcos(x−φ) pour conserver des équivalences strictes.
Vérification · 25
Sous quelle forme condensée rcos(x−φ) s'écrit l'expression cosx−sinx ?
Remarque
On a r=12+(−1)2=2. Avec cosφ=22 et sinφ=−22, on a φ=−4π. Ainsi, rcos(x−φ)=2cos(x−(−4π))=2cos(x+4π).
Point de départ · 26
Sur l'intervalle [0;2π], l'inéquation cosx≥21 est-elle vérifiée sur un seul intervalle continu ?
Remarque
Sur le cercle trigonométrique, l'arc où l'abscisse est supérieure ou égale à 21 est continu et entoure l'origine 0 (de −3π à 3π). Cependant, pour un observateur qui parcourt l'intervalle [0;2π], cet arc est coupé par l'origine en deux segments disjoints : [0;3π] et [35π;2π].
Pour résoudre une inéquation du type cosx≥a ou sinx≥b sur un intervalle I :
1. Déterminer sur le cercle trigonométrique les points frontières où cosx=a (sur l'axe des abscisses) ou sinx=b (sur l'axe des ordonnées).
2. Repérer l'arc de cercle satisfaisant l'inégalité.
3. Écrire les solutions sous forme d'intervalles en parcourant cet arc dans le sens direct tout en respectant les bornes de I.
Sur [0;2π], tout arc contenant le point 0 se scinde en [0;α]∪[2π−α;2π].
Exemple travaillé · 28
Résoudre dans [0;2π] l'inéquation : 2cosx−1≥0.
1
On isole le cosinus :
cosx≥21
2
On place les angles dont le cosinus vaut 21 sur [0;2π] : ce sont 3π et 35π (puisque −3π≡35π[2π]).
3
La condition cosx≥21 correspond aux points du cercle situés à droite de la droite verticale d'équation x=21.
4
En partant de 0 et en tournant dans le sens trigonométrique jusqu'à 2π, l'arc valide est scindé en deux morceaux :
S[0;2π]=[0;3π]∪[35π;2π]
Exemple travaillé · 29
Résoudre dans [0;2π] l'inéquation : 2sin(2x)−3>0.
1
On isole le sinus :
sin(2x)>23
2
On pose X=2x. Puisque x∈[0;2π], la variable X parcourt deux tours complets : X∈[0;4π].
3
Sur le premier tour [0;2π], l'inégalité sinX>23 est vérifiée pour :
X∈]3π;32π[
4
Sur le second tour [2π;4π], on ajoute 2π aux bornes :
X∈]37π;38π[
5
On revient à x=2X en divisant chaque borne par 2 :
S[0;2π]=]6π;3π[∪]67π;34π[
Piège classique · 30
On résout l'inéquation cosx≥0 dans l'intervalle [0;2π]. Quelle est l'écriture correcte de l'ensemble des solutions ?
Attention
Écrire S=[−2π;2π] en oubliant que −2π∈/[0;2π], ou écrire un intervalle inversé [23π;2π].
À la place : Dans [0;2π], tous les réels sont positifs. Le demi-plan droit cosx≥0 correspond au départ de 0 à 2π, puis au retour de 23π à 2π. L'ensemble est donc [0;2π]∪[23π;2π].
Vérification · 31
Résoudre dans [0;π] l'inéquation : 2sinx−2≤0. Quel est l'ensemble des solutions ?
Remarque
2sinx−2≤0⟺sinx≤22. Sur [0;π], le sinus est strictement supérieur à 22 sur l'arc ]4π;43π[. La zone inférieure ou égale correspond donc aux deux extrémités restantes : [0;4π]∪[43π;π].