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Première S2-S4-S5 · Leçon 14

Trigonométrie

Ce que dit le programme officiel (8 points)
  • Formules d’addition
  • Formules de duplication (multiplication par 2)
  • Formules de linéarisation, limitées à cos²x et sin²x
  • Équations fondamentales dans ℝ : cos x = cos a, sin x = sin a, tan x = tan a
  • Équations simples se ramenant aux équations fondamentales
  • Inéquations trigonométriques dans ℝ : sin x ≤ sin a, cos x ≤ cos a, tan x ≤ tan a
  • Équation a cos x + b sin x + c = 0 (en travaux dirigés)
  • Limite : la transformation de somme en produit et inversement n’est pas exigible

Source : Programme de mathématiques, Premières S2 et S4 (Sénégal), octobre 2006

Formules d'addition et de duplication

Formules d'addition (admises) \[ \cos(a+b) = \cos a\cos b - \sin a\sin b, \qquad \cos(a-b) = \cos a\cos b + \sin a\sin b, \] \[ \sin(a+b) = \sin a\cos b + \cos a\sin b, \qquad \sin(a-b) = \sin a\cos b - \cos a\sin b. \]
Exemple — Calculer \(\cos(75°)\)

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Méthode — Obtenir la duplication à partir de l'addition

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Méthode — Linéariser \(\cos^2a\) et \(\sin^2a\)

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Équations et inéquations trigonométriques

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Méthode — Équation se ramenant à \(\cos u=\cos v\)

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Exemple — Utiliser l'angle auxiliaire pour résoudre

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Équation tan x = tan a et inéquations trigonométriques

Après les équations en cosinus et en sinus, il reste la tangente, et surtout les inéquations. Le cercle trigonométrique est l'outil central : on y repère les points dont l'abscisse (le cosinus) ou l'ordonnée (le sinus) dépasse une valeur, puis on traduit l'arc obtenu en intervalles.

L'équation tan x = tan a

La fonction tangente est définie pour \(x\neq\dfrac\pi2+k\pi\) (\(k\) entier) par \(\tan x=\dfrac{\sin x}{\cos x}\). Elle est impaire et de période \(\pi\) : \(\tan(x+\pi)=\tan x\). Sur \(\left]-\dfrac\pi2\,;\dfrac\pi2\right[\), elle est strictement croissante et prend chaque valeur réelle exactement une fois.

On en déduit, pour \(a\) et \(x\) différents de \(\dfrac\pi2+k\pi\) :

\[\tan x=\tan a\iff x\equiv a\ [\pi]\iff x=a+k\pi,\ k\in\mathbb Z.\]

Valeurs à connaître : \(\tan0=0\), \(\tan\dfrac\pi6=\dfrac{\sqrt3}3\), \(\tan\dfrac\pi4=1\), \(\tan\dfrac\pi3=\sqrt3\). Sur le cercle trigonométrique, \(\tan x\) se lit sur la tangente au cercle au point \(I(1\,;0)\) : c'est l'ordonnée du point où la droite \((OM)\) coupe cette tangente.

Méthode — Résoudre une inéquation trigonométrique

En cosinus (\(\cos x\ge c\) ou \(\cos x\le c\), avec \(-1\lt c\lt 1\)) : on trace la droite verticale d'abscisse \(c\) ; elle coupe le cercle en deux points associés à \(a\) et \(-a\), où \(a\in]0\,;\pi[\) vérifie \(\cos a=c\). Les points d'abscisse supérieure à \(c\) forment l'arc de \(-a\) à \(a\) qui passe par \(I\).

En sinus : même idée avec la droite horizontale d'ordonnée \(c\), qui coupe le cercle aux points associés à \(a\) et \(\pi-a\).

En tangente : on raisonne sur une période, par exemple \(\left]-\dfrac\pi2\,;\dfrac\pi2\right[\), où la fonction est croissante, puis on ajoute les multiples de \(\pi\).

On écrit enfin les solutions dans l'intervalle demandé (souvent \(]-\pi\,;\pi]\) ou \([0\,;2\pi[\)), en parcourant l'arc dans le sens direct. Si une inéquation se ramène à un polynôme en \(\sin x\) ou \(\cos x\), on pose \(X=\sin x\) (ou \(\cos x\)), on étudie le signe du polynôme en \(X\), puis on revient à \(x\).

Exemple 1 — Équations en tangente

Énoncé. Résoudre dans \(\mathbb R\) puis dans \(]-\pi\,;\pi]\) l'équation \(\tan x=\sqrt3\). Résoudre dans \([0\,;\pi[\) l'équation \(\tan 2x=1\).

Solution : \(\sqrt3=\tan\dfrac\pi3\), donc \(\tan x=\sqrt3\iff x=\dfrac\pi3+k\pi\). Dans \(]-\pi\,;\pi]\) : \(\dfrac\pi3\) et \(\dfrac\pi3-\pi=-\dfrac{2\pi}3\).

\(\tan 2x=1=\tan\dfrac\pi4\) donne \(2x=\dfrac\pi4+k\pi\), soit \(x=\dfrac\pi8+k\dfrac\pi2\). Dans \([0\,;\pi[\) : \(\dfrac\pi8\) et \(\dfrac{5\pi}8\). (On vérifie que \(2x\) n'est jamais de la forme \(\dfrac\pi2+k\pi\).)

Exemple 2 — Inéquations en cosinus et en sinus

Énoncé. Résoudre \(\cos x\ge\dfrac12\) dans \(]-\pi\,;\pi]\), puis \(\sin x\lt\dfrac{\sqrt2}2\) dans \([0\,;2\pi[\).

Solution : \(\cos\dfrac\pi3=\dfrac12\). Les points du cercle d'abscisse au moins \(\dfrac12\) forment l'arc de \(-\dfrac\pi3\) à \(\dfrac\pi3\) passant par \(I\). Dans \(]-\pi\,;\pi]\) : \(S=\left[-\dfrac\pi3\,;\dfrac\pi3\right]\).

\(\sin\dfrac\pi4=\sin\dfrac{3\pi}4=\dfrac{\sqrt2}2\). Les points d'ordonnée au moins \(\dfrac{\sqrt2}2\) forment l'arc de \(\dfrac\pi4\) à \(\dfrac{3\pi}4\) ; on veut les autres, extrémités exclues. Dans \([0\,;2\pi[\) : \(S=\left[0\,;\dfrac\pi4\right[\cup\left]\dfrac{3\pi}4\,;2\pi\right[\).

Figure — Les points où cos x ≥ 1/2

Le cercle trigonométrique et la droite verticale d'abscisse 1/2, en pointillés. Elle coupe le cercle aux points associés à π/3 et −π/3. L'arc en or, qui passe par le point I(1 ; 0), regroupe les points d'abscisse au moins 1/2 : c'est l'ensemble des solutions de cos x ≥ 1/2, de −π/3 à π/3.

Exemple 3 — Une inéquation en tangente

Énoncé. Résoudre \(\tan x\le 1\) dans \(\left]-\dfrac\pi2\,;\dfrac\pi2\right[\), puis dans \(]-\pi\,;\pi]\).

Solution : Sur \(\left]-\dfrac\pi2\,;\dfrac\pi2\right[\), la tangente est strictement croissante et \(\tan\dfrac\pi4=1\) : \(\tan x\le 1\iff x\le\dfrac\pi4\). Donc \(S=\left]-\dfrac\pi2\,;\dfrac\pi4\right]\).

Par périodicité (période \(\pi\)), on translate cet intervalle de \(\pm\pi\) et on garde ce qui tombe dans \(]-\pi\,;\pi]\), en excluant \(\pm\dfrac\pi2\) :

\[S=\left]-\pi\,;-\frac{3\pi}4\right]\cup\left]-\frac\pi2\,;\frac\pi4\right]\cup\left]\frac\pi2\,;\pi\right].\]
Exemple 4 — Se ramener au second degré

Énoncé. Résoudre dans \(]-\pi\,;\pi]\) l'inéquation \(2\sin^2x-\sin x-1\le 0\).

Solution : On pose \(X=\sin x\). Le trinôme \(2X^2-X-1\) a pour racines 1 et \(-\dfrac12\) : \(2X^2-X-1=(2X+1)(X-1)\), négatif ou nul pour \(-\dfrac12\le X\le 1\). Comme \(\sin x\le 1\) est toujours vrai, il reste \(\sin x\ge-\dfrac12\).

\(\sin\left(-\dfrac\pi6\right)=\sin\left(-\dfrac{5\pi}6\right)=-\dfrac12\) ; les points d'ordonnée au moins \(-\dfrac12\) forment l'arc de \(-\dfrac\pi6\) à \(\pi+\dfrac\pi6\) passant par le haut du cercle. Dans \(]-\pi\,;\pi]\) : \(S=\left]-\pi\,;-\dfrac{5\pi}6\right]\cup\left[-\dfrac\pi6\,;\pi\right]\).

Trois erreurs à éviter

Résoudre comme une inéquation ordinaire. \(\sin x\le\dfrac12\) ne donne pas \(x\le\dfrac\pi6\) : par exemple \(x=3\) convient. Le sinus n'est pas croissant sur \(\mathbb R\) ; on raisonne sur le cercle.

Prendre la période \(2\pi\) pour la tangente. \(\tan x=\tan a\) donne \(x=a+k\pi\), et non \(a+2k\pi\) : on perdrait la moitié des solutions.

Oublier les valeurs interdites. Dans une inéquation en tangente, les réels \(\dfrac\pi2+k\pi\) ne sont jamais solutions : les intervalles sont ouverts de ce côté.

Transformation de a·cos x + b·sin x (angle auxiliaire)

Méthode — Angle auxiliaire

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Figure — \(\sqrt3\cos x+\sin x = 2\cos(x-\pi/6)\)

Les deux courbes sont confondues : l'écriture avec l'angle auxiliaire est bien équivalente à l'originale.

Résumé

Résumé — Tangente et inéquations
Tangente

\(\tan x=\tan a\iff x=a+k\pi\) ; période \(\pi\), définie hors de \(\dfrac\pi2+k\pi\).

Cosinus, sinus

Droite verticale d'abscisse \(c\) (cosinus) ou horizontale d'ordonnée \(c\) (sinus) ; on lit l'arc solution sur le cercle.

Intervalle demandé

On écrit les solutions dans l'intervalle de l'énoncé, extrémités incluses ou non selon l'inégalité.

Résumé — Formules d'addition, duplication, linéarisation

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Résumé — Équations trigonométriques et triangles

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Sujet type devoir

Formules trigonométriques — Sujet complet

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Trigonométrie — Sujet complet

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Mode hors-ligne — données en cache