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Formules trigonométriques — cours

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

Le cours

Rappel · 1

Quelle est la valeur exacte de cos⁡(π3)\cos\left(\frac{\pi}{3}\right) et de sin⁡(π4)\sin\left(\frac{\pi}{4}\right) ?

Remarque

Sur le cercle trigonométrique, on a cos⁡(π3)=12\cos\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{1}{2} et sin⁡(π4)=22\sin\left(\frac{\pi}{4}\right) = \frac{\sqrt{2}}{2}.

Point de départ · 2

A-t-on cos⁡(a+b)=cos⁡a+cos⁡b\cos(a+b) = \cos a + \cos b pour tous réels aa et bb ?

Remarque

Pour a=π3a = \frac{\pi}{3} et b=π6b = \frac{\pi}{6}, on a cos⁡(a+b)=cos⁡(π2)=0\cos\left(a+b\right) = \cos\left(\frac{\pi}{2}\right) = 0, alors que cos⁡(π3)+cos⁡(π6)=12+32≠0\cos\left(\frac{\pi}{3}\right) + \cos\left(\frac{\pi}{6}\right) = \frac{1}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2} \neq 0. La fonction cosinus n'est pas distributive.

Définition · 3

Formules d'addition et de soustraction

Pour tous réels aa et bb, le cosinus et le sinus de la somme et de la différence s'expriment ainsi :

cos⁡(a−b)=cos⁡acos⁡b+sin⁡asin⁡b\cos(a-b) = \cos a \cos b + \sin a \sin b

cos⁡(a+b)=cos⁡acos⁡b−sin⁡asin⁡b\cos(a+b) = \cos a \cos b - \sin a \sin b

sin⁡(a+b)=sin⁡acos⁡b+cos⁡asin⁡b\sin(a+b) = \sin a \cos b + \cos a \sin b

sin⁡(a−b)=sin⁡acos⁡b−cos⁡asin⁡b\sin(a-b) = \sin a \cos b - \cos a \sin b

Exemple travaillé · 4

En utilisant l'égalité π12=π3−π4\frac{\pi}{12} = \frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{4}, calcule les valeurs exactes de cos⁡(π12)\cos\left(\frac{\pi}{12}\right) et sin⁡(π12)\sin\left(\frac{\pi}{12}\right).

1

On applique la formule de soustraction du cosinus : cos⁡(a−b)=cos⁡acos⁡b+sin⁡asin⁡b\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⁡(π3)cos⁡(π4)+sin⁡(π3)sin⁡(π4)\cos\left(\frac{\pi}{12}\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
cos⁡(π12)=(12)(22)+(32)(22)=2+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} + \sqrt{6}}{4}
4

On applique la formule de soustraction du sinus : sin⁡(a−b)=sin⁡acos⁡b−cos⁡asin⁡b\sin(a-b) = \sin a \cos b - \cos a \sin b.

5
sin⁡(π12)=sin⁡(π3)cos⁡(π4)−cos⁡(π3)sin⁡(π4)=6−24\sin\left(\frac{\pi}{12}\right) = \sin\left(\frac{\pi}{3}\right)\cos\left(\frac{\pi}{4}\right) - \cos\left(\frac{\pi}{3}\right)\sin\left(\frac{\pi}{4}\right) = \frac{\sqrt{6} - \sqrt{2}}{4}

Exemple travaillé · 5

Pour tout réel xx, simplifie l'expression : A(x)=sin⁡(3x)cos⁡(2x)−cos⁡(3x)sin⁡(2x)+cos⁡(x+π4)+cos⁡(x−π4)A(x) = \sin(3x)\cos(2x) - \cos(3x)\sin(2x) + \cos\left(x + \frac{\pi}{4}\right) + \cos\left(x - \frac{\pi}{4}\right).

1

On identifie dans les deux premiers termes la forme sin⁡acos⁡b−cos⁡asin⁡b=sin⁡(a−b)\sin a \cos b - \cos a \sin b = \sin(a-b) avec a=3xa = 3x et b=2xb = 2x.

2
sin⁡(3x)cos⁡(2x)−cos⁡(3x)sin⁡(2x)=sin⁡(3x−2x)=sin⁡x\sin(3x)\cos(2x) - \cos(3x)\sin(2x) = \sin(3x - 2x) = \sin x
3

On développe les deux termes en cosinus à l'aide des formules d'addition :

4
cos⁡(x+π4)+cos⁡(x−π4)=2cos⁡xcos⁡(π4)=2cos⁡x(22)=2cos⁡x\cos\left(x + \frac{\pi}{4}\right) + \cos\left(x - \frac{\pi}{4}\right) = 2\cos x \cos\left(\frac{\pi}{4}\right) = 2\cos x \left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right) = \sqrt{2}\cos x
5

On regroupe les deux résultats obtenus :

6
A(x)=sin⁡x+2cos⁡xA(x) = \sin x + \sqrt{2}\cos x

Piège classique · 6

Quelle est la forme développée correcte de cos⁡(x+π3)\cos\left(x + \frac{\pi}{3}\right) ?

Attention

Écrire cos⁡(x+π3)=12cos⁡x+32sin⁡x\cos\left(x+\frac{\pi}{3}\right) = \frac{1}{2}\cos x + \frac{\sqrt{3}}{2}\sin x en conservant le signe « + ».

À la place : Pour le cosinus, le signe s'inverse : cos⁡(a+b)=cos⁡acos⁡b−sin⁡asin⁡b\cos(a+b) = \cos a \cos b - \sin a \sin b. Ainsi, cos⁡(x+π3)=12cos⁡x−32sin⁡x\cos\left(x+\frac{\pi}{3}\right) = \frac{1}{2}\cos x - \frac{\sqrt{3}}{2}\sin x.

Vérification · 7

Sachant que 7π12=π4+π3\frac{7\pi}{12} = \frac{\pi}{4} + \frac{\pi}{3}, calcule la valeur exacte de cos⁡(7π12)\cos\left(\frac{7\pi}{12}\right).

Remarque

cos⁡(π4+π3)=cos⁡π4cos⁡π3−sin⁡π4sin⁡π3=(22)(12)−(22)(32)=2−64\cos\left(\frac{\pi}{4}+\frac{\pi}{3}\right) = \cos\frac{\pi}{4}\cos\frac{\pi}{3} - \sin\frac{\pi}{4}\sin\frac{\pi}{3} = \left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right)\left(\frac{1}{2}\right) - \left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right)\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right) = \frac{\sqrt{2}-\sqrt{6}}{4}.

Point de départ · 8

Que donne cos⁡(2x)\cos(2x) si on applique la formule d'addition à cos⁡(x+x)\cos(x+x) ?

Remarque

En posant a=xa = x et b=xb = x dans cos⁡(a+b)=cos⁡acos⁡b−sin⁡asin⁡b\cos(a+b) = \cos a \cos b - \sin a \sin b, on obtient directement cos⁡(2x)=cos⁡2x−sin⁡2x\cos(2x) = \cos^2 x - \sin^2 x.

Définition · 9

Formules de duplication et de linéarisation

Pour tout réel aa, en combinant cos⁡(2a)=cos⁡2a−sin⁡2a\cos(2a) = \cos^2 a - \sin^2 a avec l'identité fondamentale cos⁡2a+sin⁡2a=1\cos^2 a + \sin^2 a = 1, on dispose de trois expressions équivalentes pour cos⁡(2a)\cos(2a) et d'une formule pour sin⁡(2a)\sin(2a) :

cos⁡(2a)=cos⁡2a−sin⁡2a=2cos⁡2a−1=1−2sin⁡2a\cos(2a) = \cos^2 a - \sin^2 a = 2\cos^2 a - 1 = 1 - 2\sin^2 a

sin⁡(2a)=2sin⁡acos⁡a\sin(2a) = 2\sin a \cos a

En isolant les carrés dans ces égalités, on obtient les formules de linéarisation :

cos⁡2a=1+cos⁡(2a)2etsin⁡2a=1−cos⁡(2a)2\cos^2 a = \frac{1 + \cos(2a)}{2} \quad \text{et} \quad \sin^2 a = \frac{1 - \cos(2a)}{2}

Exemple travaillé · 10

Pour tout réel xx tel que cos⁡(2x)≠−1\cos(2x) \neq -1, simplifie l'expression : B(x)=sin⁡(2x)1+cos⁡(2x)B(x) = \frac{\sin(2x)}{1 + \cos(2x)}.

1

On transforme le numérateur à l'aide de la duplication du sinus : sin⁡(2x)=2sin⁡xcos⁡x\sin(2x) = 2\sin x \cos x.

2

Au dénominateur, pour éliminer la constante +1+1, on choisit la forme cos⁡(2x)=2cos⁡2x−1\cos(2x) = 2\cos^2 x - 1.

3
1+cos⁡(2x)=1+(2cos⁡2x−1)=2cos⁡2x1 + \cos(2x) = 1 + (2\cos^2 x - 1) = 2\cos^2 x
4

On simplifie la fraction par 2cos⁡x2\cos x :

5
B(x)=2sin⁡xcos⁡x2cos⁡2x=sin⁡xcos⁡x=tan⁡xB(x) = \frac{2\sin x \cos x}{2\cos^2 x} = \frac{\sin x}{\cos x} = \tan x

Exemple travaillé · 11

Sachant que cos⁡(π4)=22\cos\left(\frac{\pi}{4}\right) = \frac{\sqrt{2}}{2}, calcule la valeur exacte de cos⁡(π8)\cos\left(\frac{\pi}{8}\right).

1

On applique la formule de linéarisation avec a=π8a = \frac{\pi}{8}, ce qui donne 2a=π42a = \frac{\pi}{4} :

2
cos⁡2(π8)=1+cos⁡(π4)2=1+222=2+24\cos^2\left(\frac{\pi}{8}\right) = \frac{1 + \cos\left(\frac{\pi}{4}\right)}{2} = \frac{1 + \frac{\sqrt{2}}{2}}{2} = \frac{2 + \sqrt{2}}{4}
3

Comme π8∈]0;π2[\frac{\pi}{8} \in \left]0 ; \frac{\pi}{2}\right[, son cosinus est strictement positif :

4
cos⁡(π8)=2+22\cos\left(\frac{\pi}{8}\right) = \frac{\sqrt{2 + \sqrt{2}}}{2}

Piège classique · 12

Pour simplifier l'expression 1−cos⁡(2x)1 - \cos(2x), quelle écriture de cos⁡(2x)\cos(2x) permet d'éliminer la constante 11 ?

Attention

Remplacer cos⁡(2x)\cos(2x) par 2cos⁡2x−12\cos^2 x - 1, ce qui donne 1−(2cos⁡2x−1)=2−2cos⁡2x1 - (2\cos^2 x - 1) = 2 - 2\cos^2 x sans faire disparaître la constante.

À la place : Choisir cos⁡(2x)=1−2sin⁡2x\cos(2x) = 1 - 2\sin^2 x. On obtient alors 1−(1−2sin⁡2x)=2sin⁡2x1 - (1 - 2\sin^2 x) = 2\sin^2 x.

Vérification · 13

Exprime en fonction de cos⁡(2x)\cos(2x) l'expression : C(x)=5cos⁡2x−3sin⁡2xC(x) = 5\cos^2 x - 3\sin^2 x.

Remarque

En remplaçant cos⁡2x=1+cos⁡(2x)2\cos^2 x = \frac{1+\cos(2x)}{2} et sin⁡2x=1−cos⁡(2x)2\sin^2 x = \frac{1-\cos(2x)}{2}, on a C(x)=5(1+cos⁡(2x)2)−3(1−cos⁡(2x)2)=2+8cos⁡(2x)2=1+4cos⁡(2x)C(x) = 5\left(\frac{1+\cos(2x)}{2}\right) - 3\left(\frac{1-\cos(2x)}{2}\right) = \frac{2 + 8\cos(2x)}{2} = 1 + 4\cos(2x).

Point de départ · 14

Sachant que tan⁡(a+b)=sin⁡(a+b)cos⁡(a+b)\tan(a+b) = \frac{\sin(a+b)}{\cos(a+b)}, que donne cette fraction si on développe et que l'on divise numérateur et dénominateur par cos⁡acos⁡b\cos a \cos b ?

Remarque

Au numérateur, sin⁡acos⁡b+cos⁡asin⁡bcos⁡acos⁡b=tan⁡a+tan⁡b\frac{\sin a \cos b + \cos a \sin b}{\cos a \cos b} = \tan a + \tan b. Au dénominateur, cos⁡acos⁡b−sin⁡asin⁡bcos⁡acos⁡b=1−tan⁡atan⁡b\frac{\cos a \cos b - \sin a \sin b}{\cos a \cos b} = 1 - \tan a \tan b.

Définition · 15

Formules d'addition et de duplication pour la tangente

Pour tous réels aa et bb tels que les expressions soient bien définies :

tan⁡(a+b)=tan⁡a+tan⁡b1−tan⁡atan⁡b\tan(a+b) = \frac{\tan a + \tan b}{1 - \tan a \tan b}

tan⁡(a−b)=tan⁡a−tan⁡b1+tan⁡atan⁡b\tan(a-b) = \frac{\tan a - \tan b}{1 + \tan a \tan b}

tan⁡(2a)=2tan⁡a1−tan⁡2a\tan(2a) = \frac{2\tan a}{1 - \tan^2 a}

Exemple travaillé · 16

En utilisant l'égalité π12=π3−π4\frac{\pi}{12} = \frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{4}, calcule la valeur exacte de tan⁡(π12)\tan\left(\frac{\pi}{12}\right).

1

On applique la formule de soustraction : tan⁡(a−b)=tan⁡a−tan⁡b1+tan⁡atan⁡b\tan(a-b) = \frac{\tan a - \tan b}{1 + \tan a \tan b} avec a=π3a = \frac{\pi}{3} et b=π4b = \frac{\pi}{4}.

2

On remplace par les valeurs usuelles tan⁡(π3)=3\tan\left(\frac{\pi}{3}\right) = \sqrt{3} et tan⁡(π4)=1\tan\left(\frac{\pi}{4}\right) = 1 :

3
tan⁡(π12)=3−11+3×1=3−13+1\tan\left(\frac{\pi}{12}\right) = \frac{\sqrt{3} - 1}{1 + \sqrt{3} \times 1} = \frac{\sqrt{3} - 1}{\sqrt{3} + 1}
4

On multiplie par la quantité conjuguée (3−1)(\sqrt{3}-1) pour rendre rationnel le dénominateur :

5
tan⁡(π12)=(3−1)2(3+1)(3−1)=3−23+13−1=4−232=2−3\tan\left(\frac{\pi}{12}\right) = \frac{(\sqrt{3}-1)^2}{(\sqrt{3}+1)(\sqrt{3}-1)} = \frac{3 - 2\sqrt{3} + 1}{3 - 1} = \frac{4 - 2\sqrt{3}}{2} = 2 - \sqrt{3}

Exemple travaillé · 17

Pour tout réel aa où l'expression existe, écris D(a)=1+tan⁡a1−tan⁡aD(a) = \frac{1 + \tan a}{1 - \tan a} sous la forme tan⁡(x)\tan(x).

1

On remplace la constante 11 par tan⁡(π4)\tan\left(\frac{\pi}{4}\right) au numérateur et au dénominateur :

2
D(a)=tan⁡(π4)+tan⁡a1−tan⁡(π4)tan⁡aD(a) = \frac{\tan\left(\frac{\pi}{4}\right) + \tan a}{1 - \tan\left(\frac{\pi}{4}\right)\tan a}
3

On reconnaît la formule tan⁡(u+v)=tan⁡u+tan⁡v1−tan⁡utan⁡v\tan(u+v) = \frac{\tan u + \tan v}{1 - \tan u \tan v} avec u=π4u = \frac{\pi}{4} et v=av = a :

4
D(a)=tan⁡(a+π4)D(a) = \tan\left(a + \frac{\pi}{4}\right)

Piège classique · 18

Quelle est l'expression correcte du dénominateur dans la formule de tan⁡(a+b)\tan(a+b) ?

Attention

Écrire 1+tan⁡atan⁡b1 + \tan a \tan b en gardant le même signe qu'au numérateur.

À la place : Le signe s'inverse au dénominateur : tan⁡(a+b)=tan⁡a+tan⁡b1−tan⁡atan⁡b\tan(a+b) = \frac{\tan a + \tan b}{1 - \tan a \tan b}.

Vérification · 19

Soit aa un réel tel que tan⁡a=12\tan a = \frac{1}{2}. Quelle est la valeur exacte de tan⁡(2a)\tan(2a) ?

Remarque

On applique la formule de duplication : tan⁡(2a)=2tan⁡a1−tan⁡2a=2×121−(12)2=11−14=134=43\tan(2a) = \frac{2\tan a}{1 - \tan^2 a} = \frac{2 \times \frac{1}{2}}{1 - \left(\frac{1}{2}\right)^2} = \frac{1}{1 - \frac{1}{4}} = \frac{1}{\frac{3}{4}} = \frac{4}{3}.

Point de départ · 20

Laquelle de ces expressions est égale à cos⁡x+sin⁡x\cos x + \sin x pour tout réel xx ?

Remarque

En développant 2cos⁡(x−π4)=2(cos⁡x22+sin⁡x22)=cos⁡x+sin⁡x\sqrt{2}\cos\left(x - \frac{\pi}{4}\right) = \sqrt{2}\left(\cos x \frac{\sqrt{2}}{2} + \sin x \frac{\sqrt{2}}{2}\right) = \cos x + \sin x. Il faut un facteur 2\sqrt{2} devant le cosinus.

Définition · 21

Transformation de acos⁡x+bsin⁡xa\cos x + b\sin x

Soit (a,b)∈R2∖{(0,0)}(a,b) \in \mathbb{R}^2 \setminus \{(0,0)\}. En posant l'amplitude R=a2+b2R = \sqrt{a^2+b^2}, on factorise par RR :

acos⁡x+bsin⁡x=a2+b2(aa2+b2cos⁡x+ba2+b2sin⁡x)a\cos x + b\sin x = \sqrt{a^2+b^2}\left(\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}\cos x + \frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}\sin x\right)

Comme (aa2+b2)2+(ba2+b2)2=1\left(\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}\right)^2 + \left(\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}\right)^2 = 1, il existe un réel unique φ∈]−π;π]\varphi \in ]-\pi ; \pi] tel que :

cos⁡φ=aa2+b2etsin⁡φ=ba2+b2\cos\varphi = \frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}} \quad \text{et} \quad \sin\varphi = \frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}

acos⁡x+bsin⁡x=a2+b2cos⁡(x−φ)a\cos x + b\sin x = \sqrt{a^2+b^2}\cos(x - \varphi)

Exemple travaillé · 22

Écris l'expression f(x)=3cos⁡x−sin⁡xf(x) = \sqrt{3}\cos x - \sin x sous la forme Rcos⁡(x−φ)R\cos(x - \varphi) avec R>0R > 0 et φ∈]−π;π]\varphi \in ]-\pi ; \pi].

1

On calcule l'amplitude R=a2+b2R = \sqrt{a^2+b^2} avec a=3a = \sqrt{3} et b=−1b = -1 :

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 f(x)f(x) par 22 :

4
f(x)=2(32cos⁡x−12sin⁡x)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 cos⁡φ=32\cos\varphi = \frac{\sqrt{3}}{2} et sin⁡φ=−12\sin\varphi = -\frac{1}{2} :

6
φ=−π6\varphi = -\frac{\pi}{6}
7

On applique la formule d'addition du cosinus :

8
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 · 23

Détermine le maximum et le minimum de la fonction g(x)=cos⁡x+sin⁡xg(x) = \cos x + \sin x sur R\mathbb{R}.

1

On transforme d'abord g(x)g(x) sous la forme amplitude-phase avec a=1a=1 et b=1b=1 :

2
R=12+12=2R = \sqrt{1^2 + 1^2} = \sqrt{2}
3
g(x)=2(22cos⁡x+22sin⁡x)=2cos⁡(x−π4)g(x) = \sqrt{2}\left(\frac{\sqrt{2}}{2}\cos x + \frac{\sqrt{2}}{2}\sin x\right) = \sqrt{2}\cos\left(x - \frac{\pi}{4}\right)
4

Pour tout réel XX, on a −1≤cos⁡X≤1-1 \le \cos X \le 1. En posant X=x−π4X = x - \frac{\pi}{4} :

5
−1≤cos⁡(x−π4)≤1-1 \le \cos\left(x - \frac{\pi}{4}\right) \le 1
6

En multipliant par 2>0\sqrt{2} > 0, on obtient l'encadrement optimal :

7
−2≤g(x)≤2-\sqrt{2} \le g(x) \le \sqrt{2}
8

Le maximum de gg est 2\sqrt{2} et son minimum est −2-\sqrt{2}.

Piège classique · 24

Pour déterminer le maximum de f(x)=cos⁡x+sin⁡xf(x) = \cos x + \sin x, un élève écrit : « comme cos⁡x≤1\cos x \le 1 et sin⁡x≤1\sin x \le 1, alors le maximum est 1+1=21+1=2 ». Pourquoi cette conclusion est-elle fausse ?

Attention

Sommer les maximums individuels de cos⁡x\cos x et sin⁡x\sin x en affirmant que le maximum vaut 22.

À la place : cos⁡x\cos x et sin⁡x\sin x ne peuvent jamais valoir 11 simultanément car cos⁡2x+sin⁡2x=1\cos^2 x + \sin^2 x = 1. Le maximum réel est l'amplitude R=12+12=2≈1,414R = \sqrt{1^2+1^2} = \sqrt{2} \approx 1{,}414.

Vérification · 25

Quelle est la forme Rcos⁡(x−φ)R\cos(x-\varphi) de l'expression h(x)=cos⁡x+3sin⁡xh(x) = \cos x + \sqrt{3}\sin x ?

Remarque

L'amplitude est R=12+(3)2=4=2R = \sqrt{1^2 + (\sqrt{3})^2} = \sqrt{4} = 2. On cherche φ\varphi tel que cos⁡φ=12\cos\varphi = \frac{1}{2} et sin⁡φ=32\sin\varphi = \frac{\sqrt{3}}{2}, soit φ=π3\varphi = \frac{\pi}{3}. Ainsi, h(x)=2cos⁡(x−π3)h(x) = 2\cos\left(x - \frac{\pi}{3}\right).

Point de départ · 26

Pour résoudre l'équation cos⁡x=12\cos x = \frac{1}{2} sur R\mathbb{R}, suffit-il d'écrire x=π3x = \frac{\pi}{3} ?

Remarque

Non, d'une part la parité du cosinus donne une seconde racine −π3-\frac{\pi}{3}, et d'autre part la périodicité de 2π2\pi ajoute tous les tours complets : x=π3+2kπx = \frac{\pi}{3} + 2k\pi ou x=−π3+2kπx = -\frac{\pi}{3} + 2k\pi avec k∈Zk \in \mathbb{Z}.

Définition · 27

Résolution des équations fondamentales

Pour tous réels uu et vv, l'égalité de deux lignes trigonométriques équivaut aux familles de solutions suivantes, où k∈Zk \in \mathbb{Z} :

cos⁡u=cos⁡v  ⟺  u=v+2kπouu=−v+2kπ\cos u = \cos v \iff u = v + 2k\pi \quad \text{ou} \quad u = -v + 2k\pi

sin⁡u=sin⁡v  ⟺  u=v+2kπouu=π−v+2kπ\sin u = \sin v \iff u = v + 2k\pi \quad \text{ou} \quad u = \pi - v + 2k\pi

Pour une équation croisée du type sin⁡u=cos⁡v\sin u = \cos v, on utilise l'angle complémentaire cos⁡v=sin⁡(π2−v)\cos v = \sin\left(\frac{\pi}{2} - v\right) pour se ramener à deux sinus égaux.

Exemple travaillé · 28

Résous dans l'intervalle [0;2π[[0 ; 2\pi[ l'équation : cos⁡(2x)=−32\cos(2x) = -\frac{\sqrt{3}}{2}.

1

On exprime la constante comme un cosinus remarquable : −32=cos⁡(π−π6)=cos⁡(5π6)-\frac{\sqrt{3}}{2} = \cos\left(\pi - \frac{\pi}{6}\right) = \cos\left(\frac{5\pi}{6}\right).

2

L'égalité cos⁡(2x)=cos⁡(5π6)\cos(2x) = \cos\left(\frac{5\pi}{6}\right) donne deux familles de solutions dans R\mathbb{R} pour k∈Zk \in \mathbb{Z} :

3
2x=5π6+2kπ  ⟺  x=5π12+kπ2x = \frac{5\pi}{6} + 2k\pi \iff x = \frac{5\pi}{12} + k\pi
4
2x=−5π6+2kπ  ⟺  x=−5π12+kπ2x = -\frac{5\pi}{6} + 2k\pi \iff x = -\frac{5\pi}{12} + k\pi
5

On sélectionne les entiers kk qui donnent des valeurs dans [0;2π[[0 ; 2\pi[ :

6
Premieˋre famille : k=0  ⟹  x=5π12;k=1  ⟹  x=17π12\text{Première famille : } k = 0 \implies x = \frac{5\pi}{12} \quad ; \quad k = 1 \implies x = \frac{17\pi}{12}
7
Deuxieˋme famille : k=1  ⟹  x=7π12;k=2  ⟹  x=19π12\text{Deuxième famille : } k = 1 \implies x = \frac{7\pi}{12} \quad ; \quad k = 2 \implies x = \frac{19\pi}{12}
8
S={5π12;7π12;17π12;19π12}S = \left\{\frac{5\pi}{12} ; \frac{7\pi}{12} ; \frac{17\pi}{12} ; \frac{19\pi}{12}\right\}

Exemple travaillé · 29

Résous dans R\mathbb{R} l'équation : 2cos⁡2x+3cos⁡x−2=02\cos^2 x + 3\cos x - 2 = 0.

1

On pose X=cos⁡xX = \cos x avec la condition fondamentale X∈[−1;1]X \in [-1 ; 1].

2
2X2+3X−2=02X^2 + 3X - 2 = 0
3

On calcule le discriminant : Δ=32−4(2)(−2)=25=52\Delta = 3^2 - 4(2)(-2) = 25 = 5^2.

4
X1=−3−54=−2etX2=−3+54=12X_1 = \frac{-3 - 5}{4} = -2 \quad \text{et} \quad X_2 = \frac{-3 + 5}{4} = \frac{1}{2}
5

La racine X1=−2X_1 = -2 est rejetée car −2∉[−1;1]-2 \notin [-1 ; 1]. On retient X2=12X_2 = \frac{1}{2}.

6

On résout cos⁡x=12=cos⁡(π3)\cos x = \frac{1}{2} = \cos\left(\frac{\pi}{3}\right) :

7
S={π3+2kπ;−π3+2kπ  ;  k∈Z}S = \left\{\frac{\pi}{3} + 2k\pi ; -\frac{\pi}{3} + 2k\pi \; ; \; k \in \mathbb{Z}\right\}

Piège classique · 30

Lors de la résolution de l'équation cos⁡(3x)=12\cos(3x) = \frac{1}{2}, un élève écrit : « 3x=π3+2kπ3x = \frac{\pi}{3} + 2k\pi, donc x=π9+2kπx = \frac{\pi}{9} + 2k\pi ». Quelle est l'erreur commise ?

Attention

Diviser l'angle π3\frac{\pi}{3} par 33 en oubliant de diviser le terme de période 2kπ2k\pi par 33.

À la place : Toute l'égalité doit être divisée par 33 : x=π9+2kπ3x = \frac{\pi}{9} + \frac{2k\pi}{3}. Oublier de diviser la période fait perdre les deux tiers des solutions réelles.

Vérification · 31

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

Remarque

sin⁡(2x)=0  ⟺  2x=kπ  ⟺  x=kπ2\sin(2x) = 0 \iff 2x = k\pi \iff x = k\frac{\pi}{2} avec k∈Zk \in \mathbb{Z}. Sur [0;2π[[0 ; 2\pi[, on obtient les 44 solutions pour k∈{0;1;2;3}k \in \{0 ; 1 ; 2 ; 3\} : 0,π2,π,3π20, \frac{\pi}{2}, \pi, \frac{3\pi}{2}.

Point de départ · 32

Sur l'intervalle [0;2π[[0 ; 2\pi[, l'ensemble des solutions de cos⁡x≥12\cos x \ge \frac{1}{2} peut-il s'écrire sous la forme de l'intervalle unique [5π3;π3]\left[\frac{5\pi}{3} ; \frac{\pi}{3}\right] ?

Remarque

Non. Dans tout intervalle [a;b][a ; b], on doit avoir a≤ba \le b. Or 5π3>π3\frac{5\pi}{3} > \frac{\pi}{3}, donc cette écriture est incorrecte. Sur [0;2π[[0 ; 2\pi[, le parcours part de 00 et s'arrête à 2π2\pi : l'arc traversant l'angle 00 doit obligatoirement être séparé en deux morceaux disjoints [0;π3]∪[5π3;2π[\left[0 ; \frac{\pi}{3}\right] \cup \left[\frac{5\pi}{3} ; 2\pi\right[.

Définition · 33

Résolution d'une inéquation trigonométrique

Pour résoudre une inéquation trigonométrique sur un intervalle II (tel que [0;2π[[0 ; 2\pi[ ou [−π;π][-\pi ; \pi]) :

1

1. Résoudre l'équation associée pour repérer les angles frontières sur le cercle trigonométrique.

2

2. Déterminer et surligner l'arc de cercle correspondant aux valeurs vérifiant l'inégalité.

3

3. Parcourir l'intervalle II dans le sens direct en écrivant les intervalles solutions avec des bornes strictement ordonnées (a≤ba \le b).

Exemple travaillé · 34

Résous dans [0;2π[[0 ; 2\pi[ l'inéquation : cos⁡x≥12\cos x \ge \frac{1}{2}.

1

On résout l'équation frontière cos⁡x=12\cos x = \frac{1}{2} sur [0;2π[[0 ; 2\pi[. Les solutions sont x=π3x = \frac{\pi}{3} et x=5π3x = \frac{5\pi}{3}.

2

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

3

En parcourant [0;2π[[0 ; 2\pi[, on traverse l'arc en deux étapes : de 00 à π3\frac{\pi}{3}, puis de 5π3\frac{5\pi}{3} à 2π2\pi (exclu).

4
S=[0;π3]∪[5π3;2π[S = \left[0 ; \frac{\pi}{3}\right] \cup \left[\frac{5\pi}{3} ; 2\pi\right[

Exemple travaillé · 35

Résous dans [0;2π[[0 ; 2\pi[ l'inéquation : 2sin⁡(2x)≥32\sin(2x) \ge \sqrt{3}.

1

On isole le sinus : sin⁡(2x)≥32\sin(2x) \ge \frac{\sqrt{3}}{2}.

2

Sur un tour standard, le sinus est supérieur à 32\frac{\sqrt{3}}{2} entre π3\frac{\pi}{3} et 2π3\frac{2\pi}{3}. En tenant compte de la période 2kπ2k\pi :

3
π3+2kπ≤2x≤2π3+2kπ(k∈Z)\frac{\pi}{3} + 2k\pi \le 2x \le \frac{2\pi}{3} + 2k\pi \quad (k \in \mathbb{Z})
4

On divise chaque terme par 22 :

5
π6+kπ≤x≤π3+kπ\frac{\pi}{6} + k\pi \le x \le \frac{\pi}{3} + k\pi
6

On énumère les intervalles situés dans [0;2π[[0 ; 2\pi[ :

7
Pour k=0:[π6;π3];Pour k=1:[7π6;4π3]\text{Pour } k = 0 : \left[\frac{\pi}{6} ; \frac{\pi}{3}\right] \quad ; \quad \text{Pour } k = 1 : \left[\frac{7\pi}{6} ; \frac{4\pi}{3}\right]
8
S=[π6;π3]∪[7π6;4π3]S = \left[\frac{\pi}{6} ; \frac{\pi}{3}\right] \cup \left[\frac{7\pi}{6} ; \frac{4\pi}{3}\right]

Piège classique · 36

Quel est l'ensemble des solutions dans [0;2π[[0 ; 2\pi[ de l'inéquation cos⁡x≤−12\cos x \le -\frac{1}{2} ?

Attention

Découper automatiquement en deux morceaux [0;x1]∪[x2;2π[[0 ; x_1] \cup [x_2 ; 2\pi[ alors que l'arc ne traverse pas l'angle 00.

À la place : L'inégalité cos⁡x≤−12\cos x \le -\frac{1}{2} correspond au demi-cercle gauche, entre 2π3\frac{2\pi}{3} et 4π3\frac{4\pi}{3}. Comme cet arc ne contient pas l'angle 00, il forme un seul intervalle continu : [2π3;4π3]\left[\frac{2\pi}{3} ; \frac{4\pi}{3}\right].

Vérification · 37

Résous dans l'intervalle [0;2π[[0 ; 2\pi[ l'inéquation : sin⁡x≥22\sin x \ge \frac{\sqrt{2}}{2}.

Remarque

L'équation sin⁡x=22\sin x = \frac{\sqrt{2}}{2} a pour solutions π4\frac{\pi}{4} et 3π4\frac{3\pi}{4}. La zone supérieure où l'ordonnée dépasse 22\frac{\sqrt{2}}{2} forme un arc continu de π4\frac{\pi}{4} à 3π4\frac{3\pi}{4} sans passer par 00. Ainsi, S=[π4;3π4]S = \left[\frac{\pi}{4} ; \frac{3\pi}{4}\right].

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