Se connecter
Programme de Prépa, 1re année › Fonctions usuelles
Prépa · MPSI / MP2I

Fonctions usuelles

Ce chapitre fait partie du programme de Prépa, 1re année.

Logarithme, exponentielle, puissances, fonctions hyperboliques et fonctions circulaires réciproques servent dans chaque chapitre d'analyse de l'année : on les dérive, on les compare, on les inverse. Ce chapitre fixe leurs définitions, leurs dérivées, l'allure de leurs courbes et les formules à connaître, en s'appuyant sur le théorème de la bijection.

Prérequis

  • Fonctions exponentielle et logarithme népérien vues en Terminale
  • Dérivation : dérivée d'un produit, d'un quotient, d'une composée ; lien entre signe de la dérivée et variations — Revoir Dérivation
  • Trigonométrie : cercle trigonométrique, valeurs remarquables, fonctions cosinus, sinus et tangente
  • Limites de fonctions et théorème des valeurs intermédiaires (niveau Terminale)
  • Notions de bijection et d'application réciproque

À la fin du chapitre, on sait

  • Appliquer le théorème de la bijection et calculer la dérivée d'une fonction réciproque
  • Manipuler ln, exp et les puissances réelles $a^b = e^{b\ln a}$ sans erreur de domaine
  • Utiliser les croissances comparées pour lever une indétermination
  • Connaître définitions, dérivées, variations et courbes de ch, sh, th
  • Connaître les formules de trigonométrie utiles et la dérivée de tan
  • Définir arcsin, arccos, arctan, connaître leurs dérivées, leurs courbes et les identités classiques
  • Simplifier des expressions du type $\arcsin(\sin x)$ et démontrer une identité entre fonctions réciproques

1.Théorème de la bijection et fonctions réciproques

Beaucoup de fonctions usuelles sont définies comme réciproques d'autres fonctions : $\ln$ est la réciproque de $\exp$, $\arcsin$ celle d'une restriction de $\sin$. L'outil commun est le théorème de la bijection. Il garantit l'existence de la réciproque et donne ses propriétés (continuité, monotonie, dérivée) sans qu'on ait besoin d'une formule explicite.

Signaler : ce contenu
Définition

Bijection, application réciproque

Soit $I$ et $J$ deux parties de $\mathbb{R}$ et $f : I \to J$. On dit que $f$ est une bijection de $I$ sur $J$ si tout $y \in J$ admet un unique antécédent $x \in I$ par $f$. On note $f^{-1}(y)$ cet antécédent. L'application $f^{-1} : J \to I$ est l'application réciproque de $f$ ; elle est caractérisée par $$\forall x \in I,\ \forall y \in J,\quad y = f(x) \iff x = f^{-1}(y).$$ On a $f^{-1} \circ f = \mathrm{id}_I$ et $f \circ f^{-1} = \mathrm{id}_J$. Dans un repère orthonormé, la courbe de $f^{-1}$ est la symétrique de celle de $f$ par rapport à la droite d'équation $y = x$.

Signaler : ce contenu
Théorème

Théorème de la bijection

Soit $f$ une fonction continue et strictement monotone sur un intervalle $I$. Alors :

  • $J = f(I)$ est un intervalle, dont les bornes sont les limites (éventuellement infinies) de $f$ aux bornes de $I$ ;
  • $f$ réalise une bijection de $I$ sur $J$ ;
  • la réciproque $f^{-1} : J \to I$ est continue et strictement monotone, de même sens de variation que $f$.

Par exemple, si $f$ est continue et strictement croissante sur $I = ]a, b[$, alors $J = \left] \lim_{a} f,\ \lim_{b} f \right[$. Si $I = [a, b]$, alors $J = [f(a), f(b)]$.

Signaler : ce contenu
Remarque

Statut du théorème et hypothèses

Ce théorème est démontré dans le chapitre « Limites et continuité » : il repose sur le théorème des valeurs intermédiaires. On l'utilise ici comme outil.

En pratique, la stricte monotonie s'obtient par la dérivée : si $f$ est dérivable sur l'intervalle $I$ et si $f' > 0$ sur $I$ sauf en un nombre fini de points, alors $f$ est strictement croissante sur $I$.

Les hypothèses comptent : sur une réunion d'intervalles disjoints ou sans continuité, l'image peut ne pas être un intervalle.

Signaler : ce contenu
Théorème

Dérivée d'une fonction réciproque

Soit $f$ continue et strictement monotone sur un intervalle $I$, et $f^{-1} : J \to I$ sa réciproque. Soit $a \in I$ et $b = f(a)$. Si $f$ est dérivable en $a$ et si $f'(a) \neq 0$, alors $f^{-1}$ est dérivable en $b$ et $$(f^{-1})'(b) = \frac{1}{f'(a)} = \frac{1}{f'\big(f^{-1}(b)\big)}.$$ En particulier, si $f$ est dérivable sur $I$ et si $f'$ ne s'annule pas sur $I$, alors $f^{-1}$ est dérivable sur $J$ et $(f^{-1})' = \dfrac{1}{f' \circ f^{-1}}$.

Signaler : ce contenu
Démonstration

Idée de la preuve et obtention de la formule

Dérivabilité. Pour $y \in J$, $y \neq b$, on pose $x = f^{-1}(y)$ ; alors $x \neq a$ par injectivité et $$\frac{f^{-1}(y) - f^{-1}(b)}{y - b} = \frac{x - a}{f(x) - f(a)}.$$ Quand $y \to b$, on a $x \to a$ par continuité de $f^{-1}$ (théorème de la bijection), et ce quotient tend vers $\dfrac{1}{f'(a)}$ puisque $f'(a) \neq 0$. La rédaction complète de ce passage à la limite est faite dans le chapitre « Dérivation ».

Formule. Une fois la dérivabilité acquise, on dérive l'identité $f\big(f^{-1}(y)\big) = y$, valable pour tout $y \in J$. La dérivée d'une composée donne, en $y = b$ : $$f'\big(f^{-1}(b)\big) \times (f^{-1})'(b) = 1,$$ d'où $(f^{-1})'(b) = \dfrac{1}{f'(a)}$ puisque $f^{-1}(b) = a$.

Signaler : ce contenu
Remarque

Tangente verticale

Si $f'(a) = 0$, la courbe de $f$ a une tangente horizontale au point $(a, b)$. Par symétrie, la courbe de $f^{-1}$ a une tangente verticale au point $(b, a)$, et $f^{-1}$ n'est pas dérivable en $b$. C'est le cas de $x \mapsto \sqrt{x}$ en $0$ (réciproque de $x \mapsto x^2$ sur $[0, +\infty[$), et de $\arcsin$, $\arccos$ en $\pm 1$.

Signaler : ce contenu
Exemple

Une réciproque sans formule explicite

Soit $f : x \mapsto x + e^x$ sur $\mathbb{R}$.

  • $f$ est dérivable et $f'(x) = 1 + e^x > 0$ : $f$ est continue et strictement croissante sur l'intervalle $\mathbb{R}$.
  • $\lim_{x \to -\infty} f(x) = -\infty$ (car $e^x \to 0$) et $\lim_{x \to +\infty} f(x) = +\infty$.

Par le théorème de la bijection, $f$ est une bijection de $\mathbb{R}$ sur $\mathbb{R}$. On ne sait pas écrire $f^{-1}$ avec les fonctions usuelles, mais $f^{-1}$ est continue, strictement croissante, et dérivable sur $\mathbb{R}$ car $f'$ ne s'annule pas. Comme $f(0) = 1$, on a $f^{-1}(1) = 0$ et $$(f^{-1})'(1) = \frac{1}{f'(0)} = \frac{1}{2}.$$

Signaler : ce contenu
Méthode

Montrer qu'une fonction est bijective et dériver sa réciproque

  1. Vérifier que l'ensemble de départ $I$ est un intervalle et que $f$ y est continue.
  2. Étudier le signe de $f'$ pour obtenir la stricte monotonie.
  3. Calculer les limites (ou les valeurs) de $f$ aux bornes de $I$ : elles donnent l'intervalle image $J$.
  4. Conclure par le théorème de la bijection.
  5. Pour calculer $(f^{-1})'(b)$ : trouver $a$ tel que $f(a) = b$ (souvent une valeur évidente), vérifier que $f'(a) \neq 0$, puis écrire $(f^{-1})'(b) = \dfrac{1}{f'(a)}$.
Signaler : ce contenu
Méthode

Plan d'étude d'une fonction

  1. Déterminer le domaine de définition, puis le domaine de dérivabilité.
  2. Réduire le domaine d'étude : parité, périodicité.
  3. Calculer la dérivée, étudier son signe, dresser le tableau de variations.
  4. Calculer les limites aux bornes ; repérer les asymptotes.
  5. Étudier les points particuliers : tangentes horizontales ou verticales, valeurs remarquables.
  6. Tracer la courbe en exploitant les symétries.
Signaler : ce contenu

2.Exponentielle et logarithme

Définition

Rappel : la fonction exponentielle

La fonction exponentielle est l'unique fonction $\exp$ dérivable sur $\mathbb{R}$ telle que $\exp' = \exp$ et $\exp(0) = 1$ (résultat de Terminale). On en retient :

  • pour tous réels $a, b$ : $\exp(a + b) = \exp(a)\exp(b)$ et $\exp(-a) = \dfrac{1}{\exp(a)}$ ;
  • $\exp(x) > 0$ pour tout $x$, donc $\exp$ est strictement croissante ;
  • $\lim_{x \to -\infty} \exp(x) = 0$ et $\lim_{x \to +\infty} \exp(x) = +\infty$.

On note $e = \exp(1) \approx 2{,}718$.

Signaler : ce contenu
Définition

Logarithme népérien

La fonction $\exp$ est continue et strictement croissante sur l'intervalle $\mathbb{R}$, de limite $0$ en $-\infty$ et $+\infty$ en $+\infty$. Par le théorème de la bijection, elle réalise une bijection de $\mathbb{R}$ sur $]0, +\infty[$. Sa réciproque est le logarithme népérien $\ln : ]0, +\infty[ \to \mathbb{R}$ : $$\forall x > 0,\ \forall y \in \mathbb{R},\quad y = \ln x \iff x = \exp(y).$$ Ainsi $\ln 1 = 0$, $\ln e = 1$, $\exp(\ln x) = x$ pour tout $x > 0$ et $\ln(\exp y) = y$ pour tout réel $y$.

Signaler : ce contenu
Propriété

Propriétés du logarithme

  • $\ln$ est continue et strictement croissante sur $]0, +\infty[$, dérivable, avec $\ln'(x) = \dfrac{1}{x}$.
  • Pour tous $x, y > 0$ et tout $n \in \mathbb{Z}$ : $$\ln(xy) = \ln x + \ln y,\quad \ln\frac{1}{x} = -\ln x,\quad \ln\frac{x}{y} = \ln x - \ln y,\quad \ln(x^n) = n \ln x.$$
  • $\lim_{x \to 0^+} \ln x = -\infty$ et $\lim_{x \to +\infty} \ln x = +\infty$.
  • $\ln x < 0$ sur $]0, 1[$ et $\ln x > 0$ sur $]1, +\infty[$.
  • Limites usuelles : $\displaystyle \lim_{x \to 0} \frac{\ln(1+x)}{x} = 1$ et $\displaystyle \lim_{x \to 0} \frac{e^x - 1}{x} = 1$.
Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve des propriétés du logarithme

Dérivée. $\exp$ est dérivable et $\exp' = \exp$ ne s'annule pas. D'après le théorème de dérivation des réciproques, $\ln$ est dérivable sur $]0, +\infty[$ et $$\ln'(x) = \frac{1}{\exp'(\ln x)} = \frac{1}{\exp(\ln x)} = \frac{1}{x}.$$ Produit. Pour $x, y > 0$ : $\exp(\ln x + \ln y) = \exp(\ln x)\exp(\ln y) = xy$. Par définition de $\ln$, cela signifie $\ln(xy) = \ln x + \ln y$. Avec $y = \frac{1}{x}$ : $\ln x + \ln\frac{1}{x} = \ln 1 = 0$. Le quotient s'en déduit. La formule $\ln(x^n) = n \ln x$ se prouve par récurrence pour $n \in \mathbb{N}$, puis s'étend à $n < 0$ par la formule de l'inverse.

Limites aux bornes. $\ln$ est strictement croissante et réalise une bijection de $]0, +\infty[$ sur $\mathbb{R}$ : elle n'est ni majorée ni minorée, donc ses limites en $+\infty$ et en $0^+$ sont $+\infty$ et $-\infty$.

Limites usuelles. Ce sont des taux d'accroissement : $\dfrac{\ln(1+x) - \ln 1}{x} \to \ln'(1) = 1$ et $\dfrac{e^x - e^0}{x} \to \exp'(0) = 1$.

Signaler : ce contenu
Propriété

Deux inégalités fondamentales

$$\forall x \in \mathbb{R},\quad e^x \geq 1 + x \qquad\text{et}\qquad \forall x > -1,\quad \ln(1 + x) \leq x,$$ avec égalité si et seulement si $x = 0$. Géométriquement, la courbe de $\exp$ est au-dessus de sa tangente en $0$, et celle de $x \mapsto \ln(1+x)$ est au-dessous de sa tangente en $0$. Avec $t = 1 + x$, la seconde s'écrit aussi $\ln t \leq t - 1$ pour tout $t > 0$.

Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve des deux inégalités

Soit $g(x) = e^x - 1 - x$ sur $\mathbb{R}$. On a $g'(x) = e^x - 1$, strictement négatif sur $]-\infty, 0[$ et strictement positif sur $]0, +\infty[$. Donc $g$ est strictement décroissante sur $]-\infty, 0]$, strictement croissante sur $[0, +\infty[$, et admet en $0$ un minimum strict $g(0) = 0$. Ainsi $g(x) \geq 0$ pour tout $x$, avec égalité seulement en $0$.

Soit $x > -1$. En appliquant ce résultat au réel $\ln(1+x)$ : $e^{\ln(1+x)} \geq 1 + \ln(1+x)$, soit $1 + x \geq 1 + \ln(1+x)$, d'où $\ln(1+x) \leq x$. L'égalité impose $\ln(1+x) = 0$, soit $x = 0$.

Signaler : ce contenu
Définition

Logarithme de base $a$

Pour $a > 0$ avec $a \neq 1$, on pose, pour $x > 0$ : $$\log_a x = \frac{\ln x}{\ln a}.$$ C'est l'unique fonction proportionnelle à $\ln$ qui vaut $1$ en $a$ ; elle vérifie les mêmes règles de calcul que $\ln$. Le logarithme décimal est $\log_{10}$ : $\log_{10}(1000) = \dfrac{3\ln 10}{\ln 10} = 3$. Le logarithme de base $2$ sert en informatique : $\log_2(1024) = 10$.

Signaler : ce contenu
Attention

Domaines : carrés et valeurs absolues

  • $\ln(x^2) = 2 \ln x$ n'est vrai que pour $x > 0$. Pour tout $x \neq 0$ : $\ln(x^2) = 2\ln|x|$.
  • $\ln(ab) = \ln a + \ln b$ exige $a > 0$ et $b > 0$. Si $a < 0$ et $b < 0$, on écrit $\ln(ab) = \ln|a| + \ln|b|$.
  • La fonction $x \mapsto \ln|x|$ est dérivable sur $\mathbb{R}^*$, de dérivée $\dfrac{1}{x}$. Plus généralement, si $u$ est dérivable et ne s'annule pas sur un intervalle, $(\ln|u|)' = \dfrac{u'}{u}$.
  • Il n'existe aucune formule pour $\ln(a + b)$.
Signaler : ce contenu
Exemple

Une équation où le domaine élimine une solution

On résout $\ln x + \ln(x - 1) = \ln 6$.

Domaine : il faut $x > 0$ et $x - 1 > 0$, soit $x > 1$. Sur ce domaine, l'équation s'écrit $\ln\big(x(x-1)\big) = \ln 6$, soit, par injectivité de $\ln$, $x^2 - x - 6 = 0$, c'est-à-dire $(x - 3)(x + 2) = 0$.

La valeur $-2$ n'appartient pas au domaine. L'ensemble des solutions est $\{3\}$.

Signaler : ce contenu

3.Puissances réelles et croissances comparées

Définition

Puissance d'exposant réel

Pour $a > 0$ et $b \in \mathbb{R}$, on pose $$a^b = e^{b \ln a}.$$ Cette définition prolonge les puissances entières : pour $n \in \mathbb{Z}$, $e^{n \ln a} = e^{\ln(a^n)} = a^n$. Elle prolonge aussi les racines : $a^{1/n}$ vérifie $\left(a^{1/n}\right)^n = e^{n \cdot \frac{1}{n}\ln a} = a$ ; c'est l'unique réel $y > 0$ tel que $y^n = a$, noté $\sqrt[n]{a}$. Comme $\ln e = 1$, on a $e^b = \exp(b)$, ce qui justifie la notation.

Signaler : ce contenu
Propriété

Règles de calcul

Pour $a, b > 0$ et $x, y \in \mathbb{R}$ : $$a^{x+y} = a^x a^y,\quad a^{-x} = \frac{1}{a^x},\quad (a^x)^y = a^{xy},\quad (ab)^x = a^x b^x,\quad \ln(a^x) = x \ln a.$$ On les démontre en revenant à la définition. Par exemple, $(a^x)^y = e^{y \ln(a^x)} = e^{y x \ln a} = a^{xy}$.

Signaler : ce contenu
Attention

Base négative

L'écriture $a^b = e^{b\ln a}$ n'a de sens que pour $a > 0$. On n'écrit donc pas $(-8)^{1/3}$. La racine cubique de $-8$ existe et vaut $-2$, mais elle se définit autrement : $x \mapsto x^3$ est continue et strictement croissante de $\mathbb{R}$ sur $\mathbb{R}$, et sa réciproque $x \mapsto \sqrt[3]{x}$ est définie sur $\mathbb{R}$. Elle coïncide avec $x \mapsto x^{1/3}$ sur $]0, +\infty[$ seulement.

Signaler : ce contenu
Propriété

Fonctions puissances $x \mapsto x^\alpha$

Soit $\alpha \in \mathbb{R}$ et $p_\alpha : x \mapsto x^\alpha = e^{\alpha \ln x}$ sur $]0, +\infty[$.

  • $p_\alpha$ est dérivable et $p_\alpha'(x) = \alpha x^{\alpha - 1}$.
  • Variations et limites :
$\alpha < 0$ $\alpha = 0$ $\alpha > 0$
sens de variation strictement décroissante constante égale à $1$ strictement croissante
limite en $0^+$ $+\infty$ $1$ $0$
limite en $+\infty$ $0$ $1$ $+\infty$
  • Pour $\alpha > 0$, on prolonge $p_\alpha$ par continuité en $0$ en posant $0^\alpha = 0$. Ce prolongement est dérivable en $0$ si et seulement si $\alpha \geq 1$. Pour $0 < \alpha < 1$, sa courbe admet en $0$ une tangente verticale.
  • Comparaison : si $\alpha < \beta$, alors $x^\alpha < x^\beta$ pour $x > 1$, et $x^\alpha > x^\beta$ pour $0 < x < 1$.
Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve

Par dérivation d'une composée : $p_\alpha'(x) = \dfrac{\alpha}{x} e^{\alpha \ln x} = \alpha x^\alpha x^{-1} = \alpha x^{\alpha - 1}$. Comme $x^{\alpha-1} > 0$, son signe est celui de $\alpha$.

Limites : si $\alpha > 0$, $\alpha \ln x \to -\infty$ en $0^+$ et $\alpha\ln x \to +\infty$ en $+\infty$ ; on compose par $\exp$. Si $\alpha < 0$, les deux limites s'échangent.

En $0$, pour $\alpha > 0$, le taux d'accroissement du prolongement vaut $\dfrac{x^\alpha - 0}{x - 0} = x^{\alpha - 1}$. Il tend vers $0$ si $\alpha > 1$, vaut $1$ si $\alpha = 1$ et tend vers $+\infty$ si $0 < \alpha < 1$.

Comparaison : $\dfrac{x^\beta}{x^\alpha} = x^{\beta - \alpha} = e^{(\beta-\alpha)\ln x}$ avec $\beta - \alpha > 0$ ; ce nombre est $> 1$ si $\ln x > 0$ et $< 1$ si $\ln x < 0$.

Signaler : ce contenu
Propriété

Exponentielle de base $a$

Pour $a > 0$, la fonction $x \mapsto a^x = e^{x \ln a}$ est dérivable sur $\mathbb{R}$, de dérivée $x \mapsto (\ln a)\, a^x$. Elle est strictement croissante si $a > 1$, strictement décroissante si $0 < a < 1$, constante si $a = 1$. Pour $a \neq 1$, c'est une bijection de $\mathbb{R}$ sur $]0, +\infty[$, de réciproque $\log_a$.

Ne pas confondre $x \mapsto x^\alpha$ (exposant fixe, dérivée $\alpha x^{\alpha - 1}$) et $x \mapsto a^x$ (base fixe, dérivée $(\ln a)\, a^x$).

Signaler : ce contenu
Méthode

Étudier une fonction de la forme $u(x)^{v(x)}$

Quand la base et l'exposant varient tous les deux, aucune des deux formules précédentes ne s'applique.

  1. Écrire $u(x)^{v(x)} = e^{v(x) \ln u(x)}$ ; cela impose $u(x) > 0$, ce qui donne le domaine.
  2. Dériver l'exposant $w = v \ln u$ : $w' = v' \ln u + v \dfrac{u'}{u}$, puis $(e^w)' = w' e^w$.
  3. Pour les limites, étudier la limite de l'exposant $w(x)$, puis composer par $\exp$.
Signaler : ce contenu
Exemple

La fonction $x \mapsto x^x$

Sur $]0, +\infty[$, $f(x) = x^x = e^{x \ln x}$. L'exposant $w(x) = x\ln x$ a pour dérivée $\ln x + 1$, donc $f'(x) = (1 + \ln x)\, x^x$. Comme $x^x > 0$, $f'(x)$ a le signe de $1 + \ln x$ : négatif sur $]0, e^{-1}[$, positif sur $]e^{-1}, +\infty[$.

$x$ $0$ $e^{-1}$ $+\infty$
$f'(x)$ $-$ $0$ $+$
$f$ $1$ $\searrow$ $e^{-1/e}$ $\nearrow$ $+\infty$

Le minimum vaut $f(e^{-1}) = e^{e^{-1} \ln(e^{-1})} = e^{-1/e} \approx 0{,}69$. En $0^+$, $x \ln x \to 0$ (croissances comparées, ci-dessous), donc $x^x \to e^0 = 1$. En $+\infty$, $x \ln x \to +\infty$, donc $x^x \to +\infty$.

Signaler : ce contenu
Théorème

Croissances comparées

Pour tous réels $\alpha > 0$ et $\beta > 0$ : $$\lim_{x \to +\infty} \frac{(\ln x)^\beta}{x^\alpha} = 0,\qquad \lim_{x \to 0^+} x^\alpha |\ln x|^\beta = 0,\qquad \lim_{x \to +\infty} \frac{x^\beta}{e^{\alpha x}} = 0.$$ En $+\infty$, l'exponentielle l'emporte sur toute puissance, qui l'emporte sur toute puissance du logarithme.

Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve des croissances comparées

Cas de base. Pour $x \geq 1$, l'inégalité $\ln t \leq t - 1$ appliquée à $t = \sqrt{x}$ donne $\ln x = 2 \ln \sqrt{x} \leq 2(\sqrt{x} - 1) < 2\sqrt{x}$. Donc $$0 \leq \frac{\ln x}{x} < \frac{2}{\sqrt{x}},$$ et par encadrement $\dfrac{\ln x}{x} \to 0$ en $+\infty$.

Première limite. On pose $y = x^{\alpha/\beta}$, qui tend vers $+\infty$ quand $x \to +\infty$. Alors $\ln y = \frac{\alpha}{\beta}\ln x$ et $y^\beta = x^\alpha$, donc, pour $x > 1$ : $$\frac{(\ln x)^\beta}{x^\alpha} = \left(\frac{\beta}{\alpha}\right)^\beta \left(\frac{\ln y}{y}\right)^\beta \longrightarrow 0,$$ par le cas de base et la continuité en $0$ de $t \mapsto t^\beta$ prolongée.

Deuxième limite. On pose $y = \frac{1}{x} \to +\infty$. Pour $0 < x < 1$, $|\ln x| = \ln y$, donc $x^\alpha|\ln x|^\beta = \dfrac{(\ln y)^\beta}{y^\alpha} \to 0$.

Troisième limite. On pose $y = e^{\alpha x} \to +\infty$, donc $x = \frac{\ln y}{\alpha}$. Pour $x > 0$ : $\dfrac{x^\beta}{e^{\alpha x}} = \dfrac{1}{\alpha^\beta} \cdot \dfrac{(\ln y)^\beta}{y} \to 0$ par la première limite.

Signaler : ce contenu
Exemple

Comparer $e^\pi$ et $\pi^e$

Soit $g(x) = \dfrac{\ln x}{x}$ sur $]0, +\infty[$. On a $g'(x) = \dfrac{1 - \ln x}{x^2}$, positif sur $]0, e]$, strictement négatif sur $]e, +\infty[$ : $g$ est strictement décroissante sur $[e, +\infty[$. Comme $\pi > e$ : $$\frac{\ln \pi}{\pi} < \frac{\ln e}{e} \iff e \ln \pi < \pi \iff \pi^e < e^\pi.$$ La première équivalence s'obtient en multipliant par $e\pi > 0$, la seconde par stricte croissance de $\exp$, puisque $\pi^e = e^{e \ln \pi}$. Numériquement, $e^\pi \approx 23{,}14$ et $\pi^e \approx 22{,}46$.

Signaler : ce contenu
Méthode

Lever une indétermination avec les croissances comparées

  1. Identifier les termes dominants : exponentielle, puissance, logarithme.
  2. Factoriser par le terme dominant. Par exemple, $x^2 - e^x = e^x\left(x^2 e^{-x} - 1\right)$.
  3. Conclure avec les limites de référence : ici $x^2 e^{-x} \to 0$, donc $x^2 - e^x \to -\infty$ en $+\infty$.
  4. Si l'exposant est variable, passer d'abord à la forme exponentielle : $x^{1/x} = e^{\frac{\ln x}{x}} \to e^0 = 1$ en $+\infty$.
Signaler : ce contenu

4.Fonctions hyperboliques

Définition

Cosinus, sinus et tangente hyperboliques

Pour $x \in \mathbb{R}$ : $$\operatorname{ch} x = \frac{e^x + e^{-x}}{2},\qquad \operatorname{sh} x = \frac{e^x - e^{-x}}{2},\qquad \operatorname{th} x = \frac{\operatorname{sh} x}{\operatorname{ch} x} = \frac{e^x - e^{-x}}{e^x + e^{-x}}.$$ La fonction $\operatorname{th}$ est définie sur $\mathbb{R}$ car $\operatorname{ch} x > 0$. Les fonctions $\operatorname{ch}$ et $\operatorname{sh}$ sont la partie paire et la partie impaire de $\exp$.

Signaler : ce contenu
Propriété

Relations fondamentales

Pour tout $x \in \mathbb{R}$ :

  • $\operatorname{ch}$ est paire, $\operatorname{sh}$ et $\operatorname{th}$ sont impaires ;
  • $\operatorname{ch} x + \operatorname{sh} x = e^x$ et $\operatorname{ch} x - \operatorname{sh} x = e^{-x}$ ;
  • $\operatorname{ch}^2 x - \operatorname{sh}^2 x = 1$ ;
  • $\operatorname{ch} x \geq 1$, avec égalité si et seulement si $x = 0$.
Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve

Changer $x$ en $-x$ échange $e^x$ et $e^{-x}$, d'où les parités. Les deux sommes se lisent sur les définitions. Ensuite $$\operatorname{ch}^2 x - \operatorname{sh}^2 x = (\operatorname{ch} x + \operatorname{sh} x)(\operatorname{ch} x - \operatorname{sh} x) = e^x e^{-x} = 1.$$ Enfin $$\operatorname{ch} x - 1 = \frac{e^x - 2 + e^{-x}}{2} = \frac{\left(e^{x/2} - e^{-x/2}\right)^2}{2} \geq 0,$$ avec égalité si et seulement si $e^{x/2} = e^{-x/2}$, c'est-à-dire $x = 0$.

Signaler : ce contenu
Propriété

Dérivées et variations

Les fonctions $\operatorname{ch}$, $\operatorname{sh}$, $\operatorname{th}$ sont dérivables sur $\mathbb{R}$ et $$\operatorname{ch}' = \operatorname{sh},\qquad \operatorname{sh}' = \operatorname{ch},\qquad \operatorname{th}' = \frac{1}{\operatorname{ch}^2} = 1 - \operatorname{th}^2.$$ Contrairement au cas circulaire, il n'y a aucun signe moins.

  • $\operatorname{sh}' = \operatorname{ch} > 0$ : $\operatorname{sh}$ est strictement croissante de $-\infty$ à $+\infty$ ; c'est une bijection de $\mathbb{R}$ sur $\mathbb{R}$, et $\operatorname{sh} x$ a le signe de $x$.
  • $\operatorname{ch}' = \operatorname{sh}$ a le signe de $x$ :
$x$ $-\infty$ $0$ $+\infty$
$\operatorname{sh} x$ $-$ $0$ $+$
$\operatorname{ch}$ $+\infty$ $\searrow$ $1$ $\nearrow$ $+\infty$
  • $\operatorname{th}' > 0$ : $\operatorname{th}$ est strictement croissante. Comme $\operatorname{th} x = \dfrac{1 - e^{-2x}}{1 + e^{-2x}}$, on a $\operatorname{th} x \to 1$ en $+\infty$, et $\operatorname{th} x \to -1$ en $-\infty$ par imparité. C'est une bijection de $\mathbb{R}$ sur $]-1, 1[$.
Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve des dérivées

Comme $(e^{-x})' = -e^{-x}$, on obtient $\operatorname{ch}'(x) = \dfrac{e^x - e^{-x}}{2} = \operatorname{sh} x$ et $\operatorname{sh}'(x) = \dfrac{e^x + e^{-x}}{2} = \operatorname{ch} x$. Pour le quotient : $$\operatorname{th}' = \frac{\operatorname{ch}\cdot\operatorname{ch} - \operatorname{sh}\cdot\operatorname{sh}}{\operatorname{ch}^2} = \frac{1}{\operatorname{ch}^2},$$ et en séparant la fraction, $\dfrac{\operatorname{ch}^2 - \operatorname{sh}^2}{\operatorname{ch}^2} = 1 - \operatorname{th}^2$.

Signaler : ce contenu
  • La courbe de $\operatorname{ch}$ (appelée chaînette) est symétrique par rapport à l'axe des ordonnées, avec un minimum $1$ en $0$ et une tangente horizontale en ce point.
  • La courbe de $\operatorname{sh}$ est symétrique par rapport à l'origine, de tangente $y = x$ en $0$. Pour $x \geq 0$, $\operatorname{sh} x \geq x$ (la fonction $x \mapsto \operatorname{sh} x - x$ a pour dérivée $\operatorname{ch} x - 1 \geq 0$ et s'annule en $0$).
  • Pour tout $x$, $\operatorname{sh} x < \dfrac{e^x}{2} < \operatorname{ch} x$, et $\operatorname{ch} x - \dfrac{e^x}{2} = \dfrac{e^x}{2} - \operatorname{sh} x = \dfrac{e^{-x}}{2} \to 0$ en $+\infty$ : les deux courbes se rapprochent de celle de $x \mapsto \frac{e^x}{2}$.
  • La courbe de $\operatorname{th}$ admet les asymptotes horizontales $y = -1$ et $y = 1$, et la tangente $y = x$ en $0$. Pour $x \geq 0$, $\operatorname{th} x \leq x$ (la dérivée de $x \mapsto x - \operatorname{th} x$ vaut $\operatorname{th}^2 x \geq 0$).
Signaler : ce contenu
Remarque

Formules d'addition (non exigibles)

Le programme n'exige que la relation $\operatorname{ch}^2 - \operatorname{sh}^2 = 1$. Les formules suivantes se retrouvent en revenant aux exponentielles : $$\operatorname{ch}(a+b) = \operatorname{ch} a \operatorname{ch} b + \operatorname{sh} a \operatorname{sh} b,\qquad \operatorname{sh}(a+b) = \operatorname{sh} a \operatorname{ch} b + \operatorname{ch} a \operatorname{sh} b,$$ $$\operatorname{ch}(2a) = 2\operatorname{ch}^2 a - 1 = 1 + 2\operatorname{sh}^2 a,\qquad \operatorname{sh}(2a) = 2 \operatorname{sh} a \operatorname{ch} a.$$ Les fonctions réciproques $\operatorname{argsh}$, $\operatorname{argch}$, $\operatorname{argth}$ sont hors programme ; on retrouve leurs expressions par le calcul quand on en a besoin (voir l'exemple ci-dessous). Le nom « hyperbolique » vient de ce que le point $(\operatorname{ch} t, \operatorname{sh} t)$ décrit la branche $x > 0$ de l'hyperbole $x^2 - y^2 = 1$, comme $(\cos t, \sin t)$ décrit le cercle $x^2 + y^2 = 1$.

Signaler : ce contenu
Méthode

Résoudre une équation hyperbolique

  1. Remplacer $\operatorname{ch}$ et $\operatorname{sh}$ par leurs expressions exponentielles.
  2. Poser $u = e^x > 0$ et multiplier par $u$ : on obtient en général une équation du second degré en $u$.
  3. Ne garder que les racines strictement positives, puis revenir à $x = \ln u$.
Signaler : ce contenu
Exemple

Deux équations

Équation $\operatorname{sh} x = y$, pour $y \in \mathbb{R}$ fixé. Elle s'écrit $e^x - e^{-x} = 2y$, soit, avec $u = e^x$ : $u^2 - 2yu - 1 = 0$. Le discriminant réduit vaut $y^2 + 1 > 0$ et les racines sont $y \pm \sqrt{y^2 + 1}$. Leur produit vaut $-1$, donc une seule est positive : $y + \sqrt{y^2+1}$, positive car $\sqrt{y^2 + 1} > |y|$. Ainsi $$\operatorname{sh} x = y \iff x = \ln\left(y + \sqrt{y^2 + 1}\right).$$ Équation $\operatorname{ch} x = 2$. Elle s'écrit $e^x + e^{-x} = 4$, soit $u^2 - 4u + 1 = 0$, de racines $2 \pm \sqrt{3}$, toutes deux positives. Comme $(2 - \sqrt{3})(2 + \sqrt{3}) = 1$, on a $\ln(2 - \sqrt{3}) = -\ln(2 + \sqrt{3})$. Les solutions sont $x = \ln(2 + \sqrt{3})$ et $x = -\ln(2 + \sqrt{3})$, ce qui est cohérent avec la parité de $\operatorname{ch}$.

Signaler : ce contenu

5.Fonctions circulaires : rappels et formules utiles

  • $\cos$ et $\sin$ sont définies sur $\mathbb{R}$ et $2\pi$-périodiques ; $\cos$ est paire, $\sin$ est impaire ; $\cos^2 x + \sin^2 x = 1$.
  • $\tan x = \dfrac{\sin x}{\cos x}$ est définie sur $\mathcal{D} = \mathbb{R} \setminus \left\{\frac{\pi}{2} + k\pi,\ k \in \mathbb{Z}\right\}$ ; elle est impaire et $\pi$-périodique.
  • Symétries utiles : $\cos(\pi - x) = -\cos x$, $\sin(\pi - x) = \sin x$, $\cos\left(\frac{\pi}{2} - x\right) = \sin x$, $\sin\left(\frac{\pi}{2} - x\right) = \cos x$, $\tan(x + \pi) = \tan x$.
Signaler : ce contenu
Remarque

Valeurs remarquables

$x$ $0$ $\frac{\pi}{6}$ $\frac{\pi}{4}$ $\frac{\pi}{3}$ $\frac{\pi}{2}$
$\cos x$ $1$ $\frac{\sqrt{3}}{2}$ $\frac{\sqrt{2}}{2}$ $\frac{1}{2}$ $0$
$\sin x$ $0$ $\frac{1}{2}$ $\frac{\sqrt{2}}{2}$ $\frac{\sqrt{3}}{2}$ $1$
$\tan x$ $0$ $\frac{\sqrt{3}}{3}$ $1$ $\sqrt{3}$ non définie

Ce tableau sert sans cesse pour calculer des valeurs de $\arcsin$, $\arccos$, $\arctan$.

Signaler : ce contenu
Propriété

Dérivées

$\cos' = -\sin$, $\sin' = \cos$, et $\tan$ est dérivable sur $\mathcal{D}$ avec $$\tan' = 1 + \tan^2 = \frac{1}{\cos^2}.$$ En particulier, $\tan$ est strictement croissante sur $\left]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right[$, de limite $-\infty$ en $\left(-\frac{\pi}{2}\right)^+$ et $+\infty$ en $\left(\frac{\pi}{2}\right)^-$.

Signaler : ce contenu
Démonstration

Dérivée de la tangente

Par la dérivée d'un quotient : $$\tan' = \frac{\cos \cdot \cos - \sin\cdot(-\sin)}{\cos^2} = \frac{\cos^2 + \sin^2}{\cos^2} = \frac{1}{\cos^2},$$ et en séparant la fraction, $\dfrac{\cos^2}{\cos^2} + \dfrac{\sin^2}{\cos^2} = 1 + \tan^2$. Quand $x \to \left(\frac{\pi}{2}\right)^-$, $\sin x \to 1$ et $\cos x \to 0^+$, donc $\tan x \to +\infty$ ; l'autre limite s'obtient par imparité.

Signaler : ce contenu
Propriété

Formules à connaître

Addition. Pour tous réels $a, b$ : $$\begin{aligned} \cos(a+b) &= \cos a\cos b - \sin a \sin b, & \cos(a-b) &= \cos a\cos b + \sin a\sin b,\\ \sin(a+b) &= \sin a \cos b + \cos a \sin b, & \sin(a-b) &= \sin a\cos b - \cos a \sin b. \end{aligned}$$ Duplication et linéarisation. $$\cos(2a) = \cos^2 a - \sin^2 a = 2\cos^2 a - 1 = 1 - 2\sin^2 a,\qquad \sin(2a) = 2\sin a\cos a,$$ $$\cos^2 a = \frac{1 + \cos(2a)}{2},\qquad \sin^2 a = \frac{1 - \cos(2a)}{2}.$$ Tangente. Si $a$, $b$ et $a + b$ (resp. $a - b$) appartiennent à $\mathcal{D}$ : $$\tan(a+b) = \frac{\tan a + \tan b}{1 - \tan a \tan b},\qquad \tan(a-b) = \frac{\tan a - \tan b}{1 + \tan a \tan b}.$$

Signaler : ce contenu
Propriété

Limites et inégalité de référence

$$\lim_{x\to 0}\frac{\sin x}{x} = 1,\qquad \lim_{x \to 0}\frac{\tan x}{x} = 1,\qquad \lim_{x\to 0}\frac{1 - \cos x}{x^2} = \frac{1}{2},$$ $$\forall x \in \mathbb{R},\quad |\sin x| \leq |x|.$$

Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve

Les deux premières limites sont des taux d'accroissement en $0$ : $\sin'(0) = \cos 0 = 1$ et $\tan'(0) = 1 + \tan^2 0 = 1$. Pour la troisième, $1 - \cos x = 2\sin^2\frac{x}{2}$, donc pour $x \neq 0$ : $$\frac{1-\cos x}{x^2} = \frac{2 \sin^2(x/2)}{x^2} = \frac{1}{2}\left(\frac{\sin(x/2)}{x/2}\right)^2 \longrightarrow \frac{1}{2}.$$ Inégalité : soit $g(x) = x - \sin x$ sur $[0, +\infty[$. On a $g'(x) = 1 - \cos x \geq 0$, donc $g$ est croissante et $g(x) \geq g(0) = 0$ : $\sin x \leq x$ pour $x \geq 0$. Si $0 \leq x \leq 1$, alors $\sin x \geq 0$ (car $1 < \pi$), donc $|\sin x| = \sin x \leq x$. Si $x > 1$, $|\sin x| \leq 1 < x$. Pour $x < 0$, par imparité : $|\sin x| = |\sin(-x)| \leq -x = |x|$.

Signaler : ce contenu
Exemple

Calculer $\tan\frac{\pi}{12}$

On écrit $\frac{\pi}{12} = \frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{4}$ et on applique la formule de $\tan(a - b)$ : $$\tan\frac{\pi}{12} = \frac{\sqrt{3} - 1}{1 + \sqrt{3}} = \frac{(\sqrt{3} - 1)^2}{(\sqrt{3}+1)(\sqrt{3}-1)} = \frac{4 - 2\sqrt{3}}{2} = 2 - \sqrt{3}.$$ Contrôle : $2 - \sqrt{3} \approx 0{,}268$, et $\frac{\pi}{12} \approx 0{,}262$ ; c'est cohérent avec $\tan x \approx x$ près de $0$.

Signaler : ce contenu

6.Fonctions circulaires réciproques

Les fonctions $\sin$, $\cos$, $\tan$ ne sont pas injectives : l'équation $\sin x = \frac{1}{2}$ a une infinité de solutions. On les restreint à un intervalle où elles sont strictement monotones, puis on applique le théorème de la bijection. Le choix de l'intervalle est une convention qu'il faut connaître parfaitement.

Signaler : ce contenu
Définition

Arc sinus

La restriction de $\sin$ à $\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]$ est continue et strictement croissante (sa dérivée $\cos$ est strictement positive sur l'intervalle ouvert), de $-1$ à $1$. C'est une bijection de $\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]$ sur $[-1, 1]$. Sa réciproque est la fonction arc sinus $\arcsin : [-1, 1] \to \left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]$. Pour $x \in [-1, 1]$ et $\theta \in \mathbb{R}$ : $$\theta = \arcsin x \iff \begin{cases} \sin\theta = x \\ -\frac{\pi}{2} \leq \theta \leq \frac{\pi}{2} \end{cases}$$ Autrement dit, $\arcsin x$ est l'unique réel de $\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]$ dont le sinus vaut $x$. Exemples : $\arcsin 0 = 0$, $\arcsin\frac{1}{2} = \frac{\pi}{6}$, $\arcsin\frac{\sqrt{2}}{2} = \frac{\pi}{4}$, $\arcsin 1 = \frac{\pi}{2}$, $\arcsin\left(-\frac{\sqrt{3}}{2}\right) = -\frac{\pi}{3}$.

Signaler : ce contenu
Propriété

Propriétés de arc sinus

  • $\arcsin$ est continue, strictement croissante et impaire sur $[-1, 1]$.
  • Elle est dérivable sur $]-1, 1[$ et $$\arcsin'(x) = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}.$$
  • Elle n'est pas dérivable en $-1$ et en $1$ : sa courbe y a des tangentes verticales. En $0$, la tangente a pour équation $y = x$.
  • Pour tout $x \in [-1, 1]$ : $\sin(\arcsin x) = x$ et $\cos(\arcsin x) = \sqrt{1 - x^2}$.
Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve des propriétés de arc sinus

Soit $x \in [-1, 1]$ et $\theta = \arcsin x \in \left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]$. Sur cet intervalle, $\cos\theta \geq 0$, et $\cos^2\theta = 1 - \sin^2\theta = 1 - x^2$. Donc $\cos(\arcsin x) = \sqrt{1 - x^2}$.

La dérivée de $\sin$ est $\cos$, qui ne s'annule pas sur $\left]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right[$, dont l'image par $\sin$ est $]-1, 1[$. Par le théorème de dérivation des réciproques, $\arcsin$ est dérivable sur $]-1, 1[$ et $$\arcsin'(x) = \frac{1}{\cos(\arcsin x)} = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}.$$ En $\pm 1$, $\cos\left(\pm\frac{\pi}{2}\right) = 0$ : la tangente à la courbe de $\sin$ est horizontale, donc celle de $\arcsin$ est verticale.

Imparité : si $\theta = \arcsin x$, alors $-\theta \in \left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]$ et $\sin(-\theta) = -x$, donc $\arcsin(-x) = -\theta = -\arcsin x$.

Signaler : ce contenu
Définition

Arc cosinus

La restriction de $\cos$ à $[0, \pi]$ est continue et strictement décroissante, de $1$ à $-1$. Sa réciproque est la fonction arc cosinus $\arccos : [-1, 1] \to [0, \pi]$. Pour $x \in [-1, 1]$ et $\theta \in \mathbb{R}$ : $$\theta = \arccos x \iff \begin{cases} \cos\theta = x \\ 0 \leq \theta \leq \pi\end{cases}$$ Exemples : $\arccos 1 = 0$, $\arccos 0 = \frac{\pi}{2}$, $\arccos\frac{1}{2} = \frac{\pi}{3}$, $\arccos\left(-\frac{1}{2}\right) = \frac{2\pi}{3}$, $\arccos(-1) = \pi$.

Signaler : ce contenu
Propriété

Propriétés de arc cosinus

  • $\arccos$ est continue et strictement décroissante sur $[-1, 1]$. Elle n'est ni paire ni impaire : pour tout $x \in [-1, 1]$, $\arccos(-x) = \pi - \arccos x$. Sa courbe est symétrique par rapport au point $\left(0, \frac{\pi}{2}\right)$.
  • Elle est dérivable sur $]-1, 1[$ et $$\arccos'(x) = -\frac{1}{\sqrt{1 - x^2}},$$ avec des tangentes verticales en $\pm 1$.
  • Pour tout $x \in [-1, 1]$ : $\cos(\arccos x) = x$ et $\sin(\arccos x) = \sqrt{1 - x^2}$.
Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve des propriétés de arc cosinus

Soit $\theta = \arccos x \in [0, \pi]$. Alors $\sin\theta \geq 0$ et $\sin^2\theta = 1 - x^2$, d'où $\sin(\arccos x) = \sqrt{1 - x^2}$. Comme $\cos' = -\sin$ ne s'annule pas sur $]0, \pi[$, pour $x \in ]-1, 1[$ : $$\arccos'(x) = \frac{1}{-\sin(\arccos x)} = -\frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}.$$ Symétrie : $\pi - \theta \in [0, \pi]$ et $\cos(\pi - \theta) = -\cos\theta = -x$, donc $\arccos(-x) = \pi - \theta$.

Signaler : ce contenu
Définition

Arc tangente

La restriction de $\tan$ à $\left]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right[$ est continue et strictement croissante, de limites $-\infty$ et $+\infty$ : c'est une bijection de $\left]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right[$ sur $\mathbb{R}$. Sa réciproque est la fonction arc tangente $\arctan : \mathbb{R} \to \left]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right[$. Pour $x$ et $\theta$ réels : $$\theta = \arctan x \iff \begin{cases}\tan\theta = x\\ -\frac{\pi}{2} < \theta < \frac{\pi}{2}\end{cases}$$ Exemples : $\arctan 0 = 0$, $\arctan 1 = \frac{\pi}{4}$, $\arctan\sqrt{3} = \frac{\pi}{3}$, $\arctan\left(-\frac{\sqrt{3}}{3}\right) = -\frac{\pi}{6}$.

Signaler : ce contenu
Propriété

Propriétés de arc tangente

  • $\arctan$ est continue, strictement croissante et impaire sur $\mathbb{R}$, avec $\lim_{x \to -\infty} \arctan x = -\frac{\pi}{2}$ et $\lim_{x \to +\infty} \arctan x = \frac{\pi}{2}$ : sa courbe a deux asymptotes horizontales.
  • Elle est dérivable sur $\mathbb{R}$ et $$\arctan'(x) = \frac{1}{1 + x^2}.$$ Sa tangente en $0$ a pour équation $y = x$.
  • Pour tout réel $x$ : $\tan(\arctan x) = x$, $\cos(\arctan x) = \dfrac{1}{\sqrt{1 + x^2}}$ et $\sin(\arctan x) = \dfrac{x}{\sqrt{1 + x^2}}$.
Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve des propriétés de arc tangente

La dérivée $\tan' = 1 + \tan^2$ ne s'annule pas, donc $\arctan$ est dérivable sur $\mathbb{R}$ et $$\arctan'(x) = \frac{1}{1 + \tan^2(\arctan x)} = \frac{1}{1 + x^2}.$$ Soit $\theta = \arctan x \in \left]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right[$. Alors $\cos\theta > 0$ et $\cos^2\theta = \dfrac{1}{1 + \tan^2\theta} = \dfrac{1}{1 + x^2}$, d'où $\cos\theta = \dfrac{1}{\sqrt{1 + x^2}}$. Puis $\sin\theta = \tan\theta \cos\theta = \dfrac{x}{\sqrt{1 + x^2}}$.

Signaler : ce contenu
Propriété

Dérivées de composées

Si $u$ est dérivable sur un intervalle $I$ :

  • $(\arctan u)' = \dfrac{u'}{1 + u^2}$ sur $I$ ;
  • si de plus $u(I) \subset ]-1, 1[$ : $(\arcsin u)' = \dfrac{u'}{\sqrt{1 - u^2}}$ et $(\arccos u)' = -\dfrac{u'}{\sqrt{1 - u^2}}$.

Exemple : pour tout réel $x$, $\left(\arctan(e^x)\right)' = \dfrac{e^x}{1 + e^{2x}}$.

Signaler : ce contenu
fonction définie sur à valeurs dans dérivable sur dérivée parité
$\arcsin$ $[-1, 1]$ $\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]$ $]-1, 1[$ $\frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}$ impaire
$\arccos$ $[-1, 1]$ $[0, \pi]$ $]-1, 1[$ $-\frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}$ ni paire ni impaire
$\arctan$ $\mathbb{R}$ $\left]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right[$ $\mathbb{R}$ $\frac{1}{1 + x^2}$ impaire
Signaler : ce contenu
Théorème

Deux identités classiques

(1) Pour tout $x \in [-1, 1]$ : $\arccos x + \arcsin x = \dfrac{\pi}{2}$.

(2) Pour tout réel $x \neq 0$ : $$\arctan x + \arctan\frac{1}{x} = \begin{cases} \dfrac{\pi}{2} & \text{si } x > 0, \\ -\dfrac{\pi}{2} & \text{si } x < 0. \end{cases}$$

Signaler : ce contenu
Démonstration

Preuve des deux identités

(1) Soit $x \in [-1, 1]$ et $\theta = \frac{\pi}{2} - \arcsin x$. Comme $\arcsin x \in \left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]$, on a $\theta \in [0, \pi]$. De plus $\cos\theta = \cos\left(\frac{\pi}{2} - \arcsin x\right) = \sin(\arcsin x) = x$. Par définition de $\arccos$, $\theta = \arccos x$, ce qui est l'égalité voulue.

(2) Soit $f(x) = \arctan x + \arctan\frac{1}{x}$ sur $\mathbb{R}^*$. La fonction $f$ est dérivable et $$f'(x) = \frac{1}{1 + x^2} + \left(-\frac{1}{x^2}\right)\frac{1}{1 + \frac{1}{x^2}} = \frac{1}{1 + x^2} - \frac{1}{x^2 + 1} = 0.$$ Sur l'intervalle $]0, +\infty[$, $f$ est donc constante, égale à $f(1) = \frac{\pi}{4} + \frac{\pi}{4} = \frac{\pi}{2}$. Sur $]-\infty, 0[$, $f$ est impaire, donc $f(x) = -f(-x) = -\frac{\pi}{2}$.

Cet exemple montre qu'une fonction de dérivée nulle sur $\mathbb{R}^*$ n'est pas forcément constante : $\mathbb{R}^*$ n'est pas un intervalle.

Signaler : ce contenu
Attention

$\arcsin(\sin x)$ ne vaut pas toujours $x$

On a toujours $\sin(\arcsin y) = y$ pour $y \in [-1, 1]$. En revanche, $\arcsin(\sin x) = x$ seulement si $x \in \left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]$, car $\arcsin$ prend ses valeurs dans cet intervalle. Par exemple, $\sin\frac{5\pi}{6} = \frac{1}{2}$, donc $\arcsin\left(\sin\frac{5\pi}{6}\right) = \frac{\pi}{6}$.

De même, $\arccos(\cos x) = x$ seulement si $x \in [0, \pi]$, et $\arctan(\tan x) = x$ seulement si $x \in \left]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right[$.

Signaler : ce contenu
Méthode

Simplifier $\arcsin(\sin x)$, $\arccos(\cos x)$, $\arctan(\tan x)$

  1. Repérer l'intervalle de référence : $\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]$ pour $\arcsin$, $[0, \pi]$ pour $\arccos$, $\left]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right[$ pour $\arctan$.
  2. Trouver un réel $\theta$ de cet intervalle qui a le même sinus (resp. cosinus, tangente) que $x$, à l'aide de la périodicité et des symétries : $\sin(\pi - x) = \sin x$, $\cos(-x) = \cos x$, $\tan(x - k\pi) = \tan x$.
  3. Conclure : le résultat est $\theta$.

Exemples :

  • $\arccos\left(\cos\left(-\frac{\pi}{3}\right)\right) = \frac{\pi}{3}$, car $\frac{\pi}{3} \in [0, \pi]$ et $\cos\frac{\pi}{3} = \cos\left(-\frac{\pi}{3}\right)$.
  • $\arctan\left(\tan\frac{3\pi}{4}\right) = -\frac{\pi}{4}$, car $\frac{3\pi}{4} - \pi = -\frac{\pi}{4} \in \left]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right[$.
  • $\arccos\left(\cos\frac{7\pi}{4}\right) = \frac{\pi}{4}$, car $\cos\frac{7\pi}{4} = \cos\left(2\pi - \frac{\pi}{4}\right) = \cos\frac{\pi}{4}$.
  • Pour $x \in \left[\frac{\pi}{2}, \frac{3\pi}{2}\right]$ : $\pi - x \in \left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]$ et $\sin(\pi - x) = \sin x$, donc $\arcsin(\sin x) = \pi - x$.
Signaler : ce contenu
Méthode

Établir une identité entre fonctions réciproques

Par la dérivée.

  1. Poser $f$ égale à la différence des deux membres, sur un intervalle $I$.
  2. Montrer que $f' = 0$ sur $I$ (ou sur l'intérieur de $I$, avec continuité aux bornes).
  3. Calculer $f$ en un point bien choisi.

Par une fonction trigonométrique.

  1. Appliquer $\tan$ (ou $\sin$, $\cos$) aux deux membres et vérifier que les images sont égales.
  2. Localiser les deux membres dans un même intervalle où cette fonction est injective.
  3. Conclure à l'égalité.

L'étape 2 est celle qu'on oublie ; sans elle, on ne prouve qu'une égalité modulo $\pi$ ou $2\pi$.

Signaler : ce contenu
Exemple

$\arctan\frac{1}{2} + \arctan\frac{1}{3} = \frac{\pi}{4}$

Posons $a = \arctan\frac{1}{2}$ et $b = \arctan\frac{1}{3}$. Comme $0 < \frac{1}{3} < \frac{1}{2} < 1$ et que $\arctan$ est strictement croissante, $0 < b < a < \frac{\pi}{4}$, donc $a + b \in \left]0, \frac{\pi}{2}\right[$. Sur cet intervalle, $\tan$ est définie et injective. Or $$\tan(a + b) = \frac{\tan a + \tan b}{1 - \tan a\tan b} = \frac{\frac{1}{2} + \frac{1}{3}}{1 - \frac{1}{6}} = \frac{5/6}{5/6} = 1 = \tan\frac{\pi}{4}.$$ Comme $\frac{\pi}{4} \in \left]0, \frac{\pi}{2}\right[$, on conclut que $a + b = \frac{\pi}{4}$.

Signaler : ce contenu
Exemple

Une équation : $\arctan x + \arctan(2x) = \frac{\pi}{4}$

Soit $f(x) = \arctan x + \arctan(2x)$ sur $\mathbb{R}$. La fonction $f$ est continue et strictement croissante (somme de deux fonctions strictement croissantes), de limites $-\pi$ en $-\infty$ et $\pi$ en $+\infty$. Par le théorème de la bijection, l'équation $f(x) = \frac{\pi}{4}$ a une unique solution $x_0$. Comme $f(0) = 0 < \frac{\pi}{4}$ et que $f$ est strictement croissante, $x_0 > 0$.

Calcul de $x_0$ : posons $a = \arctan x_0$ et $b = \arctan(2x_0)$, avec $a + b = \frac{\pi}{4}$. Les réels $a$, $b$, $a + b$ ne sont pas de la forme $\frac{\pi}{2} + k\pi$, donc la formule d'addition s'applique : $$1 = \tan(a + b) = \frac{x_0 + 2x_0}{1 - 2x_0^2},\quad\text{d'où}\quad 2x_0^2 + 3x_0 - 1 = 0.$$ Le discriminant vaut $9 + 8 = 17$, donc $x_0 = \dfrac{-3 \pm \sqrt{17}}{4}$. Seule la racine positive convient : $$x_0 = \frac{\sqrt{17} - 3}{4} \approx 0{,}28.$$ L'existence de la solution a été établie à part ; comme elle figure nécessairement parmi les candidats, aucune vérification supplémentaire n'est nécessaire.

Signaler : ce contenu