Plan du chapitre. I. Rappels — II. Formules d’addition et de duplication — III. Tangente et linéarisation — IV. Produits et sommes — V. Transformation de acosx+bsinx — VI. Équations et inéquations trigonométriques.
I. Rappels
Valeurs usuelles.
x
0
6π
4π
3π
2π
cosx
1
23
22
21
0
sinx
0
21
22
23
1
tanx
0
33
1
3
non définie
Identités fondamentales. Pour tout x∈R : cos2x+sin2x=1 ; si cosx=0 : tanx=cosxsinx et 1+tan2x=cos2x1.
Parité.cos et sin sont définies sur R, tan sur R∖{2π+kπ;k∈Z} ; cos(−x)=cosx, sin(−x)=−sinx, tan(−x)=−tanx.
Angles associés (pour k∈Z, lorsque les expressions sont définies) :
x+2kπ
−x
π−x
π+x
2π−x
2π+x
cos
cosx
cosx
−cosx
−cosx
sinx
−sinx
sin
sinx
−sinx
sinx
−sinx
cosx
cosx
tan
tanx
−tanx
−tanx
tanx
tanx1
−tanx1
Exercice de révision 1 — Valeurs remarquables Facile★☆☆☆☆
Donner cos3π, sin3π, cos6π, tan6π, tan4π et cos2π.
Calculer cos43π, sin65π, cos(−65π), sin(−43π), tan34π et tan(−65π).
Exercice de révision 2 — Abscisse curviligne principale Facile★☆☆☆☆
Déterminer l’abscisse curviligne principale de chacun des points A(−697π) et B(445π).
Placer A et B sur un même cercle trigonométrique.
En déduire la mesure principale de chacun des angles orientés (OI,OA) et (OI,OB).
Voir la solution
1)−697π=−6π−16π=−6π+2×(−8)π et −6π∈]−π;π] : l’abscisse principale de A est −6π.
445π=−43π+12π=−43π+2×6π et −43π∈]−π;π] : l’abscisse principale de B est −43π.
2) Voir la figure. 3)(OI,OA) a pour mesure principale −6π, et (OI,OB) a pour mesure principale −43π.
Exercice de révision 3 — Identités fondamentales Facile★★☆☆☆
Calculer cosx sachant que sinx=−31 et x∈]−2π;0[.
Calculer siny et tany sachant que cosy=−32 et y∈]−π;−2π[.
Soit α∈]0;2π[ tel que tanα=3. Calculer cosα et sinα.
Voir la solution
1)cos2x=1−91=98 et cosx>0 sur ]−2π;0[, donc cosx=322.
2)sin2y=1−94=95 et siny<0 sur ]−π;−2π[, donc siny=−35 et tany=−2/3−5/3=25.
3)cos2α=1+tan2α1=101 et cosα>0, donc cosα=1010 ; puis sinα=tanαcosα=10310.
Exercice de révision 4 — Angles associés Facile★★☆☆☆
Écrire en fonction de cosx et de sinx :
A=3sin(x+5π)−sin(11π−x)+cos(27π−x) ;
B=cos(2π−x)sin(31π−x)−sin(2π+x)cos(17π+x) ;
C=sin2(x+15π)+cos2(7π−x)+sin2(x−25π).
Voir la solution
sin(x+5π)=sin(x+π)=−sinx ; sin(11π−x)=sin(π−x)=sinx ; cos(27π−x)=cos(2π+x) car 27π−x=−(2π+x)+4π, donc cos(27π−x)=−sinx. Ainsi A=−3sinx−sinx−sinx=−5sinx.
cos(2π−x)=sinx ; sin(31π−x)=sin(π−x)=sinx ; sin(2π+x)=cosx ; cos(17π+x)=cos(π+x)=−cosx. Donc B=sin2x+cos2x=1.
sin2(x+15π)=sin2x ; cos2(7π−x)=cos2x ; sin(x−25π)=sin(x−2π)=−cosx. Donc C=1+cos2x.
Exercice de révision 5 — Sommes de carrés Moyen★★★☆☆
On pose A=cos28π+cos283π+cos285π+cos287π et B=sin210π+sin25π+sin2103π+sin252π+sin22π.
Montrer que A=2 (on pourra remarquer que 83π=2π−8π, 85π=π−83π et 87π=π−8π).
Montrer que B=3.
Voir la solution
1)cos87π=−cos8π et cos85π=−cos83π, donc A=2(cos28π+cos283π). Or cos83π=cos(2π−8π)=sin8π, d’où A=2(cos28π+sin28π)=2.
2)52π=2π−10π et 103π=2π−5π, donc sin52π=cos10π et sin103π=cos5π.
B=(sin210π+cos210π)+(sin25π+cos25π)+1=1+1+1=3.
II. Formules d’addition et de duplication
Activité 1
Montrer que les propositions « (∀(x;y)∈R2)cos(x+y)=cosx+cosy » et « (∀(x;y)∈R2)sin(x+y)=sinx+siny » sont fausses.
Dans un repère orthonormé direct (O;,), soient a,b∈R et A, B les points du cercle trigonométrique (U) tels que (,OA)≡a[2π] et (,OB)≡b[2π].
a) Montrer que OB⋅OA=cos(a−b).
b) En utilisant les coordonnées OA(cosa;sina) et OB(cosb;sinb), en déduire cos(a−b), puis cos(a+b), sin(a−b), sin(a+b), cos2a et sin2a.
Voir la solution
1) Pour x=y=2π : cos(x+y)=cosπ=−1 alors que cosx+cosy=0 ; et sin(x+y)=0 alors que sinx+siny=2.
2) a)(OB,OA)≡(OB,)+(,OA)≡a−b[2π] et OA=OB=1, donc OB⋅OA=1×1×cos(a−b).
b) Dans le repère orthonormé : OB⋅OA=cosacosb+sinasinb, d’où cos(a−b)=cosacosb+sinasinb.
En remplaçant b par −b : cos(a+b)=cosacosb−sinasinb.
sin(a−b)=cos(2π−a+b)=cos((2π−a)+b)=sinacosb−cosasinb, puis (avec −b) sin(a+b)=sinacosb+cosasinb.
Avec b=a : cos2a=cos2a−sin2a=2cos2a−1=1−2sin2a et sin2a=2sinacosa.
Propriété 1 : formules d’addition et de duplication
Pour tous réels a et b :
cos(a−b)=cosacosb+sinasinb et cos(a+b)=cosacosb−sinasinb ;
sin(a−b)=sinacosb−cosasinb et sin(a+b)=sinacosb+cosasinb ;
cos2a=cos2a−sin2a=2cos2a−1=1−2sin2a et sin2a=2sinacosa.
Exemple 1
Calculer cos127π, sin127π, cos12π et sin12π (on remarquera que 127π=3π+4π et 12π=3π−4π), puis vérifier, à l’aide de cos6π=2cos212π−1, que cos12π=22+3.
cos212π=21+cos6π=42+3 et cos12π>0, donc cos12π=22+3. Contrôle : (46+2)2=168+212=42+3.
III. Tangente et formules de linéarisation
Activité 2
Soient a et b deux réels.
Montrer que cos2a=21+cos2a et sin2a=21−cos2a.
On suppose cosa=0, cosb=0 et cos(a+b)=0. En divisant sin(a+b) et cos(a+b) par cosacosb, montrer que tan(a+b)=1−tanatanbtana+tanb, puis en déduire tan2a et tan(a−b) (sous des conditions à préciser).
Voir la solution
1)cos2a=2cos2a−1 donne cos2a=21+cos2a ; cos2a=1−2sin2a donne sin2a=21−cos2a.
2)tan(a+b)=cosacosb−sinasinbsinacosb+cosasinb=1−cosasina⋅cosbsinbcosasina+cosbsinb=1−tanatanbtana+tanb.
Avec b=a (si cos2a=0) : tan2a=1−tan2a2tana. Avec −b à la place de b (si cos(a−b)=0), et comme tan(−b)=−tanb : tan(a−b)=1+tanatanbtana−tanb.
Propriété 2 : linéarisation et tangente
Pour tout réel a : cos2a=21+cos2a et sin2a=21−cos2a.
Si a, b, a+b et a−b sont différents de 2π+kπ (k∈Z) : tan(a+b)=1−tanatanbtana+tanb et tan(a−b)=1+tanatanbtana−tanb.
Si a et 2a sont différents de 2π+kπ (k∈Z) : tan2a=1−tan2a2tana.
Exemple 2
Calculer tan127π et tan12π.
Montrer, de deux manières, que pour tout réel x : 2cos22x−cosx=1.
2)Méthode 1 : cos22x=21+cosx (linéarisation avec a=2x), donc 2cos22x−cosx=1+cosx−cosx=1.
Méthode 2 : cosx=cos(2×2x)=2cos22x−1, d’où le résultat.
IV. Des produits aux sommes, et réciproquement
Activité 3
Soient a et b deux réels.
En additionnant ou en soustrayant les formules d’addition, exprimer cosacosb, sinasinb, sinacosb et cosasinb à l’aide de sommes.
On pose p=a+b et q=a−b. Exprimer a et b en fonction de p et q, puis en déduire cosp+cosq, cosp−cosq, sinp+sinq et sinp−sinq sous forme de produits.
Voir la solution
1)cos(a+b)+cos(a−b)=2cosacosb ; cos(a+b)−cos(a−b)=−2sinasinb ; sin(a+b)+sin(a−b)=2sinacosb ; sin(a+b)−sin(a−b)=2cosasinb. On en tire les formules de la propriété 3.
2)a=2p+q et b=2p−q. En remplaçant dans les quatre égalités du 1) : cosp+cosq=2cos2p+qcos2p−q, cosp−cosq=−2sin2p+qsin2p−q, sinp+sinq=2sin2p+qcos2p−q, sinp−sinq=2cos2p+qsin2p−q.
Propriété 5 : équations de référence ; méthode pour les inéquations
Soit α∈R. Pour x∈R :
cosx=cosα⟺x=α+2kπ ou x=−α+2kπ, k∈Z ;
sinx=sinα⟺x=α+2kπ ou x=π−α+2kπ, k∈Z ;
si α∈/{2π+kπ;k∈Z} : tanx=tanα⟺x=α+kπ, k∈Z.
Pour résoudre une inéquation élémentaire sur un intervalle, on place sur le cercle trigonométrique les points associés aux solutions de l’équation correspondante, on repère l’arc qui convient, puis on lit les solutions dans l’intervalle (en excluant les valeurs où l’expression n’est pas définie).
Exemple 5
Résoudre dans R : cosx=22 ; sinx=23 ; tanx=3 ; cosx=−23 ; sinx=−22 ; tanx=−33.
Voir la solution
Pour tout k∈Z :
cosx=cos4π⟺x=4π+2kπ ou x=−4π+2kπ ;
sinx=sin3π⟺x=3π+2kπ ou x=32π+2kπ ;
tanx=tan3π⟺x=3π+kπ ;
cosx=cos65π⟺x=65π+2kπ ou x=−65π+2kπ ;
sinx=sin(−4π)⟺x=−4π+2kπ ou x=45π+2kπ ;
tanx=tan(−6π)⟺x=−6π+kπ.
Exemple 6
Résoudre dans R, puis dans ]−π;π], l’équation cos2x=cos(x−3π).
Voir la solution
cos2x=cos(x−3π)⟺2x=x−3π+2kπ ou 2x=−x+3π+2kπ, k∈Z, c’est-à-dire x=−3π+2kπ ou x=9π+32kπ.
Dans ]−π;π] : la première famille donne −3π ; la seconde donne 9π (k=0), 97π (k=1) et −95π (k=−1).
S={−95π;−3π;9π;97π}.
(a)cosx=21 pour x=±3π : S=[−3π;3π]. (b)sinx=−21 pour x=−6π ou x=−65π : S=]−π;−65π[∪]−6π;π] (voir la figure).
(c)tan n’est pas définie en ±2π et tanx=1 pour x=4π ou x=−43π : S=]−π;−43π[∪]−2π;4π[∪]2π;π].
(d)2cosx−1>0⟺x∈]−3π;3π[ et sinx>0⟺x∈]0;π[. Le produit est strictement négatif lorsque les facteurs sont de signes contraires : S=]−3π;0[∪]3π;π[.
(e)tanx=0 pour x=0 ou x=π, tanx=3 pour x=3π ou x=−32π : S=]−π;−32π]∪[0;3π]∪{π}.
Exemple 8
Résoudre dans R, puis dans [0;2π], l’équation 3cosx−sinx=2.
Résoudre dans [0;2π] l’inéquation 3cosx−sinx>2.
Voir la solution
1)r=2, cosα=23, sinα=−21 : 3cosx−sinx=2cos(x+6π). L’équation équivaut à cos(x+6π)=cos4π, soit x=12π+2kπ ou x=−125π+2kπ, k∈Z. Dans [0;2π] : S={12π;1219π}.
2) On pose X=x+6π ; si x∈[0;2π], alors X∈[6π;613π] et l’on cherche cosX>22, soit X∈[6π;4π[∪]47π;613π]. Donc S=[0;12π[∪]1219π;2π].
Série d’exercices
Exercice 1 — Formules d’addition Facile★★☆☆☆
Soit x∈R. Démontrer de deux manières différentes (formules d’addition, puis transformation d’une somme en produit) :
a) sin(x+4π)+sin(x−4π)=2sinx ;
b) cos(x+6π)+cos(x−6π)=3cosx.
Soient a et b deux réels tels que 0<a<2π, 0<b<2π et cosa=sinb=53.
a) Calculer sina et cosb.
b) Calculer sin(a+b), puis en déduire a+b.
2) a)sina>0 et sin2a=1−259=2516, donc sina=54 ; de même cosb=54.
b)sin(a+b)=54⋅54+53⋅53=1. Comme 0<a+b<π et que, sur ]0;π[, sint=1 seulement pour t=2π : a+b=2π.
Exercice 2 — Tangente Facile★★☆☆☆
Soit x∈R tel que x=2π+kπ et x=4π+kπ pour tout k∈Z.
a) Montrer que tan(4π+x)=1−tanx1+tanx.
b) On suppose de plus x=−4π+kπ. Montrer que cos2x1+sin2x=tan(4π+x).
Soit x∈R tel que x=kπ pour tout k∈Z. Montrer que sinx1+cosx=tan2x1.
Voir la solution
1) a)tan(4π+x)=1−tan4πtanxtan4π+tanx=1−tanx1+tanx.
b)1+sin2x=(cosx+sinx)2 et cos2x=(cosx−sinx)(cosx+sinx), avec cosx+sinx=0 (car tanx=−1). Donc cos2x1+sin2x=cosx−sinxcosx+sinx=1−tanx1+tanx (en divisant par cosx=0), d’où le résultat par a).
2)1+cosx=2cos22x et sinx=2sin2xcos2x, avec sin2x=0 et cos2x=0 (car x=kπ). Donc sinx1+cosx=sin2xcos2x=tan2x1.
Exercice 3 — Produits et sommes Facile★★☆☆☆
Transformer en sommes : A(x)=cos2xsin3x, B(x)=cosxcos3x, C(x)=sin(x+4π)sin(x−4π), D(x)=cos(x+6π)sin(x−6π).
Transformer en produits : E(x)=sin5x+sin3x et F(x)=sinx+sin3x+sin5x+sin7x.
Démontrer que cos12π−cos125π=22 et que cos12πcos125π=41.
3)tan6π1+tan4π1=3+1, donc h=3+14=24(3−1)=2(3−1).
Exercice 7 — Identités dans un triangle Difficile★★★★☆
Soient A, B et C les mesures, en radians, des angles d’un triangle, de sorte que A+B+C=π.
Démontrer que cosA+cosB+cosC=1+4sin2Asin2Bsin2C.
On suppose qu’aucun des angles n’est droit. Démontrer que tanA+tanB+tanC=tanAtanBtanC.
Voir la solution
1)cosA+cosB=2cos2A+Bcos2A−B=2sin2Ccos2A−B, car 2A+B=2π−2C.
cosC=1−2sin22C et sin2C=cos2A+B. Donc
cosA+cosB+cosC=1+2sin2C(cos2A−B−cos2A+B)=1+2sin2C×2sin2Asin2B.
2)C=π−(A+B), donc tanC=−tan(A+B)=−1−tanAtanBtanA+tanB (ici A+B=2π car C n’est pas droit, donc tanAtanB=1).
Ainsi tanC(1−tanAtanB)=−(tanA+tanB), soit tanA+tanB+tanC=tanAtanBtanC.
Résoudre chaque équation dans R, puis dans l’intervalle I indiqué :
(E1) : 2cos(2x−4π)=2, I=[0;2π[ ;
(E2) : cos2x−sin2x=1, I=[−π;π[ ;
(E3) : sinx+sin2x+sin3x=0, I=R ;
(E4) : 2sin2x−(1+2)sinx+22=0, I=[−2π;0[.
Voir la solution
Dans tout l’exercice, k∈Z.
(E1)cos(2x−4π)=cos4π⟺2x−4π=±4π+2kπ⟺x=4π+kπ ou x=kπ. Dans I : {0;4π;π;45π}.
(E2)cos2x−sin2x=2cos(2x+4π) ; l’équation équivaut à cos(2x+4π)=cos4π, soit x=kπ ou x=−4π+kπ. Dans I : {−π;−4π;0;43π}.
(E3)sinx+sin3x=2sin2xcosx, donc l’équation s’écrit sin2x(2cosx+1)=0 : sin2x=0⟺x=2kπ ; cosx=−21⟺x=±32π+2kπ.
(E4) En posant s=sinx : 2s2−(1+2)s+22=(2s−2)(s−21), donc sinx=22 ou sinx=21, soit x∈{4π+2kπ;43π+2kπ;6π+2kπ;65π+2kπ}. Dans I : {−611π;−47π;−45π;−67π}.