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Programme de Terminale › Fonctions sinus et cosinus
Terminale · spécialité

Fonctions sinus et cosinus

Ce chapitre fait partie du programme de Terminale.

Les fonctions sinus et cosinus décrivent tous les phénomènes périodiques : oscillations, ondes, mouvements circulaires, signaux. Ce chapitre donne les outils pour les dériver, les étudier, tracer leurs courbes et résoudre les équations $\cos x = a$ et $\sin x = a$.

Prérequis

  • Cercle trigonométrique, radian, enroulement de la droite des réels (classe de 1re)
  • Valeurs remarquables de $\cos$ et $\sin$ en $0$, $\frac{\pi}{6}$, $\frac{\pi}{4}$, $\frac{\pi}{3}$, $\frac{\pi}{2}$
  • Dérivation : nombre dérivé comme limite du taux d'accroissement, dérivées usuelles, produit, quotient — Revoir Dérivation
  • Dérivée d'une fonction composée, en particulier $x \mapsto g(ax+b)$
  • Lien entre signe de la dérivée et variations d'une fonction

À la fin du chapitre, on sait

  • Utiliser le cercle trigonométrique pour retrouver valeurs remarquables et angles associés
  • Démontrer et exploiter la parité et la périodicité de $\sin$ et $\cos$
  • Connaître les dérivées de $\sin$ et $\cos$ et dériver des fonctions composées comme $\cos(ax+b)$ ou $\sin(u(x))$
  • Dresser les tableaux de variations de $\sin$ et $\cos$ sur $[0\,;2\pi]$ et tracer leurs courbes
  • Démontrer et utiliser $\lim\limits_{x\to 0}\frac{\sin x}{x}=1$
  • Résoudre les équations $\cos x = a$, $\sin x = a$ et des inéquations simples sur un intervalle donné
  • Étudier une fonction trigonométrique simple en réduisant l'intervalle d'étude

1.Rappels : le cercle trigonométrique

Définition

Cosinus et sinus d'un réel

Dans un repère orthonormé $(O\,;\vec{\imath},\vec{\jmath})$, le cercle trigonométrique est le cercle de centre $O$ et de rayon $1$, orienté dans le sens direct (sens inverse des aiguilles d'une montre).

À tout réel $x$, on associe le point $M$ du cercle obtenu en enroulant la droite des réels autour du cercle à partir du point $I(1\,;0)$. Les coordonnées de $M$ sont, par définition : $$M(\cos x\,;\sin x).$$ Le réel $x$ est une mesure en radians de l'angle orienté $(\vec{OI},\vec{OM})$.

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Propriété

Propriétés immédiates

Pour tout réel $x$ :

  • $-1 \leqslant \cos x \leqslant 1$ et $-1 \leqslant \sin x \leqslant 1$ ;
  • $\cos^2 x + \sin^2 x = 1$ (théorème de Pythagore dans le cercle de rayon $1$) ;
  • pour tout entier relatif $k$, $\cos(x+2k\pi)=\cos x$ et $\sin(x+2k\pi)=\sin x$, car $x$ et $x+2k\pi$ correspondent au même point du cercle.
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Propriété

Valeurs remarquables

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

Pour mémoriser : de $0$ à $\frac{\pi}{2}$, le sinus prend les valeurs $\frac{\sqrt{0}}{2},\frac{\sqrt{1}}{2},\frac{\sqrt{2}}{2},\frac{\sqrt{3}}{2},\frac{\sqrt{4}}{2}$ ; le cosinus prend les mêmes dans l'ordre inverse.

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Propriété

Angles associés

Pour tout réel $x$, les symétries du cercle donnent :

Angle $-x$ $\pi - x$ $\pi + x$ $\frac{\pi}{2} - x$ $\frac{\pi}{2} + x$
$\cos$ $\cos x$ $-\cos x$ $-\cos x$ $\sin x$ $-\sin x$
$\sin$ $-\sin x$ $\sin x$ $-\sin x$ $\cos x$ $\cos x$
  • $-x$ : symétrie par rapport à l'axe des abscisses ;
  • $\pi - x$ : symétrie par rapport à l'axe des ordonnées ;
  • $\pi + x$ : symétrie par rapport à l'origine $O$ ;
  • $\frac{\pi}{2} - x$ : symétrie par rapport à la droite d'équation $y = x$.
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Méthode

Retrouver une valeur sans calculatrice

Pour calculer $\cos$ ou $\sin$ d'un réel comme $\frac{17\pi}{6}$ :

  1. On retire un multiple de $2\pi$ pour se ramener à $]-\pi\,;\pi]$ : $\frac{17\pi}{6} = \frac{5\pi}{6} + 2\pi$.
  2. On écrit le réel obtenu à l'aide d'un angle associé : $\frac{5\pi}{6} = \pi - \frac{\pi}{6}$.
  3. On applique la formule correspondante et on lit la valeur remarquable.
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Exemple

Calcul de $\cos\frac{17\pi}{6}$ et $\sin\frac{17\pi}{6}$

$\frac{17\pi}{6} = 2\pi + \frac{5\pi}{6}$ et $\frac{5\pi}{6} = \pi - \frac{\pi}{6}$. Donc : $$\cos\frac{17\pi}{6} = \cos\left(\pi - \frac{\pi}{6}\right) = -\cos\frac{\pi}{6} = -\frac{\sqrt{3}}{2},\qquad \sin\frac{17\pi}{6} = \sin\left(\pi - \frac{\pi}{6}\right) = \sin\frac{\pi}{6} = \frac{1}{2}.$$ Contrôle : $\left(-\frac{\sqrt{3}}{2}\right)^2 + \left(\frac{1}{2}\right)^2 = \frac{3}{4}+\frac{1}{4} = 1$.

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Attention

Toujours en radians

Dans tout le chapitre, les réels $x$ sont des mesures en radians. Les formules de dérivation et la limite $\frac{\sin x}{x} \to 1$ sont fausses en degrés. Il faut vérifier que la calculatrice est réglée en mode radian.

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2.Parité et périodicité

Définition

Fonctions sinus et cosinus

La fonction cosinus est la fonction $x \mapsto \cos x$, la fonction sinus est la fonction $x \mapsto \sin x$. Elles sont définies sur $\mathbb{R}$ et à valeurs dans $[-1\,;1]$.

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Définition

Fonction paire, impaire, périodique

Soit $f$ une fonction définie sur $\mathbb{R}$.

  • $f$ est paire si, pour tout réel $x$, $f(-x) = f(x)$. Sa courbe est symétrique par rapport à l'axe des ordonnées.
  • $f$ est impaire si, pour tout réel $x$, $f(-x) = -f(x)$. Sa courbe est symétrique par rapport à l'origine.
  • Soit $T > 0$. $f$ est périodique de période $T$ (ou $T$-périodique) si, pour tout réel $x$, $f(x+T) = f(x)$. Sa courbe est invariante par la translation de vecteur $T\vec{\imath}$.
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Propriété

Parité et périodicité de sin et cos

  • La fonction cosinus est paire : $\cos(-x) = \cos x$.
  • La fonction sinus est impaire : $\sin(-x) = -\sin x$.
  • Les fonctions cosinus et sinus sont périodiques de période $2\pi$.
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Démonstration

Preuve

Soit $x$ un réel et $M$ le point du cercle associé à $x$. Le point $M'$ associé à $-x$ s'obtient en parcourant la même longueur d'arc dans le sens inverse : $M'$ est le symétrique de $M$ par rapport à l'axe des abscisses. Il a donc la même abscisse et une ordonnée opposée : $$\cos(-x) = \cos x \quad\text{et}\quad \sin(-x) = -\sin x.$$ Ces égalités valent pour tout réel $x$, et $\mathbb{R}$ est symétrique par rapport à $0$ : cosinus est paire, sinus est impaire.

La longueur du cercle trigonométrique est $2\pi$. Les réels $x$ et $x + 2\pi$ sont donc associés au même point $M$, d'où $\cos(x+2\pi) = \cos x$ et $\sin(x+2\pi)=\sin x$ pour tout réel $x$.

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Propriété

Réduction de l'intervalle d'étude

  • Si $f$ est $T$-périodique, il suffit de l'étudier sur un intervalle de longueur $T$, par exemple $[0\,;T]$ ou $\left[-\frac{T}{2}\,;\frac{T}{2}\right]$ ; on complète la courbe par translations de vecteurs $kT\vec{\imath}$, $k \in \mathbb{Z}$.
  • Si de plus $f$ est paire ou impaire, il suffit de l'étudier sur $\left[0\,;\frac{T}{2}\right]$ ; on complète par symétrie, puis par translation.

Ainsi, il suffit d'étudier $\cos$ et $\sin$ sur $[0\,;\pi]$ pour connaître leurs courbes en entier.

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Méthode

Démontrer qu'une fonction est paire, impaire ou périodique

  1. Vérifier que l'ensemble de définition est symétrique par rapport à $0$ (pour la parité) ou stable par $x \mapsto x + T$ (pour la périodicité).
  2. Calculer $f(-x)$ (ou $f(x+T)$) en partant de l'expression de $f$, avec les règles $\cos(-u) = \cos u$, $\sin(-u) = -\sin u$, $\cos(u+2\pi) = \cos u$, $\sin(u+2\pi)=\sin u$.
  3. Comparer avec $f(x)$ et conclure.

Pour $x \mapsto \cos(ax)$ ou $x \mapsto \sin(ax)$ avec $a > 0$, la période est $T = \frac{2\pi}{a}$ : c'est la valeur qui fait apparaître $ax + 2\pi$.

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Exemple

Trois fonctions

  • $f(x) = \sin(3x)$ sur $\mathbb{R}$. Pour tout réel $x$, $f\left(x + \frac{2\pi}{3}\right) = \sin(3x + 2\pi) = \sin(3x) = f(x)$. Donc $f$ est $\frac{2\pi}{3}$-périodique. De plus $f(-x) = \sin(-3x) = -\sin(3x) = -f(x)$ : $f$ est impaire.
  • $g(x) = x\sin x$ sur $\mathbb{R}$. $g(-x) = (-x)\sin(-x) = (-x)(-\sin x) = x\sin x = g(x)$ : $g$ est paire. En revanche $g$ n'est pas périodique : $g\left(\frac{\pi}{2}\right) = \frac{\pi}{2}$ et $g\left(\frac{\pi}{2}+2k\pi\right) = \frac{\pi}{2} + 2k\pi$, valeurs toutes différentes.
  • $h(x) = \cos(2x) + 2\cos x$ sur $\mathbb{R}$. $h(-x) = \cos(-2x) + 2\cos(-x) = h(x)$ : $h$ est paire. $h(x+2\pi) = \cos(2x+4\pi) + 2\cos(x+2\pi) = h(x)$ : $h$ est $2\pi$-périodique. On peut donc l'étudier sur $[0\,;\pi]$ seulement.
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Attention

Périodique ne veut pas dire de période 2π

Une fonction construite avec $\cos$ ou $\sin$ n'a pas forcément $2\pi$ pour plus petite période : $\cos(2x)$ est $\pi$-périodique. Elle est aussi $2\pi$-périodique, ce qui suffit souvent pour réduire l'étude ; mais choisir la plus petite période raccourcit le travail.

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3.Dérivées des fonctions sinus et cosinus

Théorème

Dérivées de sin et cos

Les fonctions sinus et cosinus sont dérivables sur $\mathbb{R}$ et, pour tout réel $x$ : $$\sin'(x) = \cos x \qquad \cos'(x) = -\sin x.$$ La première formule est admise conformément au programme. La seconde s'en déduit.

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Démonstration

Dérivée de cosinus à partir de celle de sinus

Pour tout réel $x$, la formule des angles associés donne $\cos x = \sin\left(x + \frac{\pi}{2}\right)$.

La fonction $x \mapsto \sin\left(x+\frac{\pi}{2}\right)$ est de la forme $x \mapsto g(ax+b)$ avec $g = \sin$, $a = 1$, $b = \frac{\pi}{2}$. Elle est dérivable sur $\mathbb{R}$ et sa dérivée est $x \mapsto 1 \times \sin'\left(x + \frac{\pi}{2}\right) = \cos\left(x+\frac{\pi}{2}\right)$.

Or $\cos\left(\frac{\pi}{2}+x\right) = -\sin x$. Donc cosinus est dérivable sur $\mathbb{R}$ et $\cos'(x) = -\sin x$.

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Propriété

Dérivées de fonctions composées

Soit $a$ et $b$ deux réels et $u$ une fonction dérivable sur un intervalle $I$.

  • $x \mapsto \sin(ax+b)$ a pour dérivée $x \mapsto a\cos(ax+b)$ ;
  • $x \mapsto \cos(ax+b)$ a pour dérivée $x \mapsto -a\sin(ax+b)$ ;
  • $\sin(u)$ est dérivable sur $I$ et $(\sin u)' = u'\cos u$ ;
  • $\cos(u)$ est dérivable sur $I$ et $(\cos u)' = -u'\sin u$.

Ce sont des cas particuliers de la formule $(g \circ u)' = u' \times (g' \circ u)$.

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Exemple

Calculs de dérivées

Toutes les fonctions ci-dessous sont dérivables sur $\mathbb{R}$.

  • $f_1(x) = 3\sin x - 2\cos x$ : $f_1'(x) = 3\cos x + 2\sin x$.
  • $f_2(x) = \cos\left(4x - \frac{\pi}{3}\right)$ : $f_2'(x) = -4\sin\left(4x-\frac{\pi}{3}\right)$.
  • $f_3(x) = x\cos x$ (produit) : $f_3'(x) = 1\times\cos x + x \times(-\sin x) = \cos x - x\sin x$.
  • $f_4(x) = \sin^2 x = (\sin x)^2$ : avec $(u^2)' = 2u'u$, $f_4'(x) = 2\cos x\sin x$.
  • $f_5(x) = \mathrm{e}^{\cos x}$ : avec $(\mathrm{e}^u)' = u'\mathrm{e}^u$, $f_5'(x) = -\sin x\,\mathrm{e}^{\cos x}$.
  • $f_6(x) = \sin(x^2)$ : avec $u(x) = x^2$, $f_6'(x) = 2x\cos(x^2)$.
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Méthode

Dériver une expression trigonométrique

  1. Identifier la structure : somme, produit, quotient, composée.
  2. Pour une composée $\sin(u)$ ou $\cos(u)$, repérer la fonction intérieure $u$ et calculer $u'$ avant d'écrire la dérivée.
  3. Écrire $(\sin u)' = u'\cos u$ ou $(\cos u)' = -u'\sin u$ sans oublier le facteur $u'$ ni le signe moins.
  4. Factoriser le résultat quand on veut ensuite étudier son signe.
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Remarque

Dérivées successives

En dérivant plusieurs fois : $\sin' = \cos$, $\sin'' = -\sin$, $\sin''' = -\cos$, $\sin^{(4)} = \sin$. Les fonctions $\sin$ et $\cos$ vérifient $f'' = -f$. C'est l'équation des oscillations d'un ressort sans frottement, étudiée en physique.

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4.Limite de sin(x)/x en 0

Théorème

Limite fondamentale

$$\lim_{x \to 0} \frac{\sin x}{x} = 1.$$

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Démonstration

Preuve par le nombre dérivé

La fonction sinus est dérivable en $0$ et $\sin'(0) = \cos 0 = 1$. Par définition du nombre dérivé : $$\lim_{x \to 0} \frac{\sin x - \sin 0}{x - 0} = \sin'(0).$$ Comme $\sin 0 = 0$, le taux d'accroissement vaut $\frac{\sin x}{x}$. Donc $\lim\limits_{x\to 0}\frac{\sin x}{x} = 1$.

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Propriété

Une limite voisine

De la même façon, avec $\cos'(0) = -\sin 0 = 0$ et $\cos 0 = 1$ : $$\lim_{x\to 0}\frac{\cos x - 1}{x} = 0.$$

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Remarque

Interprétation et argument géométrique

Pour $x$ proche de $0$, $\sin x \approx x$ : la tangente à la courbe de sinus en $0$ est la droite d'équation $y = x$. C'est l'approximation des petits angles utilisée en physique (pendule).

On peut aussi justifier la limite par la géométrie, en comparant pour $0 < x < \frac{\pi}{2}$ les aires d'un triangle, d'un secteur angulaire et d'un second triangle : on obtient $\sin x \leqslant x \leqslant \tan x$, puis $\cos x \leqslant \frac{\sin x}{x} \leqslant 1$ et on conclut par encadrement. Cette preuve est celle qu'on utilise quand on veut démontrer $\sin' = \cos$ au lieu de l'admettre ; elle n'est pas exigible.

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Méthode

Calculer une limite contenant sin(ax)

Pour une limite en $0$ de la forme $\frac{\sin(ax)}{x}$ avec $a \neq 0$ :

  1. Faire apparaître au dénominateur exactement l'argument du sinus : $\frac{\sin(ax)}{x} = a \times \frac{\sin(ax)}{ax}$.
  2. Poser $X = ax$ : quand $x \to 0$, $X \to 0$, donc $\frac{\sin X}{X} \to 1$ (limite d'une composée).
  3. Conclure : $\lim\limits_{x\to 0}\frac{\sin(ax)}{x} = a$.
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Exemple

Trois limites

  • $\lim\limits_{x\to 0}\frac{\sin(3x)}{x}$ : pour $x \neq 0$, $\frac{\sin(3x)}{x} = 3 \times \frac{\sin(3x)}{3x}$. Quand $x \to 0$, $X = 3x \to 0$ et $\frac{\sin X}{X} \to 1$. La limite vaut $3$.
  • $\lim\limits_{x\to 0}\frac{\sin x}{5x} = \frac{1}{5}\lim\limits_{x\to 0}\frac{\sin x}{x} = \frac{1}{5}$.
  • $\lim\limits_{x\to 0}\frac{\sin(2x)}{\sin(7x)}$ : pour $x$ proche de $0$ non nul, $\frac{\sin(2x)}{\sin(7x)} = \frac{\sin(2x)}{2x}\times\frac{7x}{\sin(7x)}\times\frac{2}{7}$. Les deux premiers facteurs tendent vers $1$. La limite vaut $\frac{2}{7}$.
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Attention

En 0 seulement

Le résultat concerne la limite en $0$. En $+\infty$, c'est tout autre chose : pour $x > 0$, $-\frac{1}{x} \leqslant \frac{\sin x}{x} \leqslant \frac{1}{x}$, et par le théorème des gendarmes $\lim\limits_{x\to+\infty}\frac{\sin x}{x} = 0$. Par ailleurs, $\sin x$ n'a pas de limite en $+\infty$.

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5.Variations et courbes sur [0 ; 2π]

Propriété

Variations de la fonction sinus

Sur $[0\,;2\pi]$, $\sin'(x) = \cos x$ est positif sur $\left[0\,;\frac{\pi}{2}\right]$, négatif sur $\left[\frac{\pi}{2}\,;\frac{3\pi}{2}\right]$, positif sur $\left[\frac{3\pi}{2}\,;2\pi\right]$ (lecture sur le cercle : abscisse du point $M$).

$x$ $0$ $\frac{\pi}{2}$ $\frac{3\pi}{2}$ $2\pi$
$\sin'(x) = \cos x$ $+$ $0$ $-$ $0$ $+$
$\sin x$ $0$ $\nearrow$ $1$ $\searrow$ $-1$ $\nearrow$ $0$
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Propriété

Variations de la fonction cosinus

Sur $[0\,;2\pi]$, $\cos'(x) = -\sin x$. Or $\sin x \geqslant 0$ sur $[0\,;\pi]$ et $\sin x \leqslant 0$ sur $[\pi\,;2\pi]$.

$x$ $0$ $\pi$ $2\pi$
$\cos'(x) = -\sin x$ $0$ $-$ $0$ $+$ $0$
$\cos x$ $1$ $\searrow$ $-1$ $\nearrow$ $1$
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Propriété

Courbes représentatives

  • Les courbes de sinus et cosinus s'appellent des sinusoïdes. Elles oscillent entre $-1$ et $1$.
  • La courbe de cosinus est symétrique par rapport à l'axe des ordonnées ; celle de sinus est symétrique par rapport à l'origine.
  • Comme $\cos x = \sin\left(x+\frac{\pi}{2}\right)$, la courbe de cosinus est l'image de celle de sinus par la translation de vecteur $-\frac{\pi}{2}\vec{\imath}$.
  • Tangentes utiles : en $0$, la courbe de sinus a pour tangente $y = x$ ; en $\frac{\pi}{2}$, la courbe de sinus a une tangente horizontale $y = 1$ ; en $0$, la courbe de cosinus a une tangente horizontale $y = 1$.
  • Points à placer sur $[0\,;2\pi]$ pour sinus : $(0\,;0)$, $\left(\frac{\pi}{2}\,;1\right)$, $(\pi\,;0)$, $\left(\frac{3\pi}{2}\,;-1\right)$, $(2\pi\,;0)$. Pour cosinus : $(0\,;1)$, $\left(\frac{\pi}{2}\,;0\right)$, $(\pi\,;-1)$, $\left(\frac{3\pi}{2}\,;0\right)$, $(2\pi\,;1)$.
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Propriété

Inégalité de référence

Pour tout réel $x \geqslant 0$, $\sin x \leqslant x$.

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Démonstration

Preuve par étude de fonction

Soit $f$ définie sur $[0\,;+\infty[$ par $f(x) = x - \sin x$. $f$ est dérivable et $f'(x) = 1 - \cos x$.

Comme $\cos x \leqslant 1$ pour tout réel $x$, on a $f'(x) \geqslant 0$ : $f$ est croissante sur $[0\,;+\infty[$.

Pour tout $x \geqslant 0$, $f(x) \geqslant f(0) = 0 - \sin 0 = 0$, c'est-à-dire $\sin x \leqslant x$.

Géométriquement : la courbe de sinus est sous sa tangente en $0$ sur $[0\,;+\infty[$.

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Méthode

Étudier une fonction trigonométrique

  1. Chercher la parité et une période pour réduire l'intervalle d'étude.
  2. Calculer la dérivée et la factoriser (souvent en utilisant $\sin(2x) = 2\sin x\cos x$, formule vue en 1re).
  3. Étudier le signe de chaque facteur sur l'intervalle réduit, en s'aidant du cercle trigonométrique ou de la résolution d'une inéquation $\cos x > a$ ou $\sin x > a$.
  4. Dresser le tableau de variations, calculer les valeurs aux bornes et aux extremums.
  5. Compléter la courbe par symétrie puis par translation.
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Exemple

Étude de $h(x) = \cos(2x) + 2\cos x$

On a vu que $h$ est paire et $2\pi$-périodique : on l'étudie sur $[0\,;\pi]$.

Dérivée. $h'(x) = -2\sin(2x) - 2\sin x = -4\sin x\cos x - 2\sin x = -2\sin x\,(2\cos x + 1)$.

Signe. Sur $[0\,;\pi]$, $\sin x \geqslant 0$, nul en $0$ et $\pi$. Ensuite $2\cos x + 1 > 0 \iff \cos x > -\frac{1}{2}$. Sur $[0\,;\pi]$, cosinus est strictement décroissant et $\cos\frac{2\pi}{3} = -\frac{1}{2}$ : donc $2\cos x + 1 > 0$ sur $\left[0\,;\frac{2\pi}{3}\right[$ et $< 0$ sur $\left]\frac{2\pi}{3}\,;\pi\right]$.

Avec le facteur $-2 < 0$ :

$x$ $0$ $\frac{2\pi}{3}$ $\pi$
$-2\sin x$ $0$ $-$ $-$ $0$
$2\cos x + 1$ $+$ $0$ $-$
$h'(x)$ $0$ $-$ $0$ $+$ $0$
$h(x)$ $3$ $\searrow$ $-\frac{3}{2}$ $\nearrow$ $-1$

Valeurs. $h(0) = 1 + 2 = 3$ ; $h\left(\frac{2\pi}{3}\right) = \cos\frac{4\pi}{3} + 2\cos\frac{2\pi}{3} = -\frac{1}{2} - 1 = -\frac{3}{2}$ ; $h(\pi) = \cos(2\pi) + 2\cos\pi = 1 - 2 = -1$.

Le minimum de $h$ sur $\mathbb{R}$ vaut $-\frac{3}{2}$ et le maximum vaut $3$.

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6.Équations et inéquations trigonométriques

Propriété

Équation cos x = a

Soit $a$ un réel.

  • Si $a < -1$ ou $a > 1$, l'équation $\cos x = a$ n'a aucune solution.
  • Si $-1 \leqslant a \leqslant 1$, il existe un réel $\alpha$ tel que $\cos\alpha = a$, et : $$\cos x = \cos\alpha \iff x = \alpha + 2k\pi \ \text{ ou } \ x = -\alpha + 2k\pi, \quad k \in \mathbb{Z}.$$

Sur le cercle : la droite verticale d'équation $X = a$ coupe le cercle en deux points symétriques par rapport à l'axe des abscisses (confondus si $a = \pm 1$).

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Propriété

Équation sin x = a

Soit $a$ un réel.

  • Si $a < -1$ ou $a > 1$, l'équation $\sin x = a$ n'a aucune solution.
  • Si $-1 \leqslant a \leqslant 1$, il existe un réel $\alpha$ tel que $\sin\alpha = a$, et : $$\sin x = \sin\alpha \iff x = \alpha + 2k\pi \ \text{ ou } \ x = \pi - \alpha + 2k\pi, \quad k \in \mathbb{Z}.$$

Sur le cercle : la droite horizontale d'équation $Y = a$ coupe le cercle en deux points symétriques par rapport à l'axe des ordonnées.

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Démonstration

Justification sur le cercle

Pour $\cos x = \cos\alpha$ : les points du cercle d'abscisse $\cos\alpha$ sont le point $M$ associé à $\alpha$ et son symétrique $M'$ par rapport à l'axe des abscisses, associé à $-\alpha$. Les réels associés à $M$ sont les $\alpha + 2k\pi$, ceux associés à $M'$ les $-\alpha + 2k\pi$.

Pour $\sin x = \sin\alpha$ : les points d'ordonnée $\sin\alpha$ sont $M$ et son symétrique par rapport à l'axe des ordonnées, associé à $\pi - \alpha$ (car $\sin(\pi-\alpha) = \sin\alpha$ et $\cos(\pi-\alpha) = -\cos\alpha$). D'où les deux familles de solutions.

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Méthode

Résoudre cos(u) = a ou sin(u) = a sur un intervalle

  1. Vérifier que $-1 \leqslant a \leqslant 1$ ; sinon il n'y a pas de solution.
  2. Trouver un réel $\alpha$ remarquable avec $\cos\alpha = a$ (ou $\sin\alpha = a$), à l'aide du tableau des valeurs remarquables et des angles associés.
  3. Écrire les deux familles de solutions pour l'expression $u$ : $u = \alpha + 2k\pi$ ou $u = -\alpha + 2k\pi$ (cosinus), $u = \alpha + 2k\pi$ ou $u = \pi - \alpha + 2k\pi$ (sinus).
  4. Isoler $x$. Si $u = 2x$, on divise aussi $2k\pi$ par $2$ : on obtient $+k\pi$.
  5. Sélectionner les valeurs de $k$ qui donnent une solution dans l'intervalle imposé, puis contrôler sur le cercle.
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Exemple

Exemples d'équations

  • $\cos x = -\frac{\sqrt{2}}{2}$ dans $]-\pi\,;\pi]$. On a $\cos\frac{3\pi}{4} = -\frac{\sqrt{2}}{2}$. Les solutions dans $\mathbb{R}$ sont $\frac{3\pi}{4} + 2k\pi$ et $-\frac{3\pi}{4} + 2k\pi$. Dans $]-\pi\,;\pi]$ : $S = \left\{-\frac{3\pi}{4}\,;\frac{3\pi}{4}\right\}$.
  • $\sin x = \frac{1}{2}$ dans $[0\,;2\pi[$. Avec $\alpha = \frac{\pi}{6}$ : $x = \frac{\pi}{6} + 2k\pi$ ou $x = \pi - \frac{\pi}{6} + 2k\pi = \frac{5\pi}{6} + 2k\pi$. Dans $[0\,;2\pi[$ : $S = \left\{\frac{\pi}{6}\,;\frac{5\pi}{6}\right\}$.
  • $\cos(2x) = \frac{1}{2}$ dans $[0\,;2\pi[$. $2x = \frac{\pi}{3} + 2k\pi$ ou $2x = -\frac{\pi}{3} + 2k\pi$, donc $x = \frac{\pi}{6} + k\pi$ ou $x = -\frac{\pi}{6} + k\pi$. Dans $[0\,;2\pi[$ : première famille $k = 0, 1$ donne $\frac{\pi}{6}, \frac{7\pi}{6}$ ; deuxième famille $k = 1, 2$ donne $\frac{5\pi}{6}, \frac{11\pi}{6}$. $S = \left\{\frac{\pi}{6}\,;\frac{5\pi}{6}\,;\frac{7\pi}{6}\,;\frac{11\pi}{6}\right\}$.
  • $\sin x = 2$ : aucune solution car $2 > 1$.
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Méthode

Résoudre une inéquation cos x ≥ a ou sin x ≥ a

  1. Résoudre d'abord l'équation associée sur l'intervalle imposé.
  2. Placer les solutions sur le cercle et tracer la droite $X = a$ (cosinus) ou $Y = a$ (sinus).
  3. Repérer l'arc du cercle situé du bon côté de la droite : à droite pour $\cos x \geqslant a$, au-dessus pour $\sin x \geqslant a$.
  4. Traduire cet arc en intervalle(s) de l'intervalle imposé, en parcourant le cercle dans le sens direct. On peut contrôler avec le tableau de variations.
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Exemple

Deux inéquations

  • $\cos x \geqslant \frac{1}{2}$ dans $[-\pi\,;\pi]$. L'équation $\cos x = \frac{1}{2}$ a pour solutions $-\frac{\pi}{3}$ et $\frac{\pi}{3}$ dans cet intervalle. Les points d'abscisse au moins $\frac{1}{2}$ forment l'arc de droite, qui contient le point associé à $0$. $S = \left[-\frac{\pi}{3}\,;\frac{\pi}{3}\right]$.
  • $\sin x < -\frac{\sqrt{3}}{2}$ dans $[0\,;2\pi[$. On a $\sin\left(-\frac{\pi}{3}\right) = -\frac{\sqrt{3}}{2}$, donc les solutions de l'équation dans $[0\,;2\pi[$ sont $-\frac{\pi}{3} + 2\pi = \frac{5\pi}{3}$ et $\pi + \frac{\pi}{3} = \frac{4\pi}{3}$. L'arc sous la droite $Y = -\frac{\sqrt{3}}{2}$ contient le point associé à $\frac{3\pi}{2}$. $S = \left]\frac{4\pi}{3}\,;\frac{5\pi}{3}\right[$ (bornes exclues car l'inégalité est stricte).
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Remarque

Valeurs non remarquables

Si $a$ n'est pas une valeur remarquable, par exemple $\cos x = 0{,}3$, on ne sait pas écrire $\alpha$ exactement. On peut justifier l'existence et l'unicité d'une solution sur $[0\,;\pi]$ par le théorème des valeurs intermédiaires (cosinus est continue et strictement décroissante de $1$ à $-1$), puis donner une valeur approchée à la calculatrice : $\alpha \approx 1{,}266$. La notation $\arccos$ est hors programme au lycée.

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