Plan du chapitre. I. Rappels (valeurs usuelles, identités fondamentales, angles associés) — II. Formules d’addition et de duplication — III. Tangente et formules de linéarisation — IV. Des produits aux sommes, et réciproquement — V. Transformation de acosx+bsinx — VI. Équations et inéquations trigonométriques — Résumé.
Cadre. Le plan est muni d’un repère orthonormé direct (O;;) ; (C) désigne le cercle trigonométrique de centre O, I(1;0) et J(0;1). Les lettres x, y, a, b, p, q désignent des réels et k un entier relatif. Une égalité contenant tan n’est écrite que lorsque toutes les expressions sont définies. Le symbole ⟺ n’est employé que si chaque étape est réversible.
I. Rappels
1. Valeurs usuelles et identités fondamentales
x
0
6π
4π
3π
2π
cosx
1
23
22
21
0
sinx
0
21
22
23
1
tanx
0
33
1
3
non défini
Propriété — identités fondamentales, parité
Pour tout x∈R : cos2x+sin2x=1 ; −1≤cosx≤1 et −1≤sinx≤1 ; cos(x+2kπ)=cosx, sin(x+2kπ)=sinx.
Pour tout x∈R∖{2π+kπ∣k∈Z} : tanx=cosxsinx et 1+tan2x=cos2x1 ; tan(x+kπ)=tanx.
cos est paire, sin et tan sont impaires : cos(−x)=cosx, sin(−x)=−sinx, tan(−x)=−tanx.
Signes sur ]−π;π] : sinx≥0⟺x∈[0;π] ; cosx≥0⟺x∈[−2π;2π].
Déterminer l’abscisse curviligne principale (dans ]−π;π]) de chacun des points A(−6125π) et B(447π) du cercle (C).
En déduire la mesure principale des angles orientés (OI;OA) et (OI;OB).
Voir la solution
−6125π=−65π−20π=−65π+2×(−10)π : abscisse principale −65π. 447π=−4π+12π : abscisse principale −4π.
(OI;OA)≡−65π[2π] et (OI;OB)≡−4π[2π] : ce sont les mesures principales.
Exercice d’application de révision 3
Calculer cosx sachant que sinx=−31 et x∈]−2π;0[.
Calculer siny et tany sachant que cosy=−41 et y∈]2π;π[.
Soit α∈]π;23π[ tel que tanα=2. Calculer cosα et sinα.
Voir la solution
cos2x=1−91=98 et cosx>0 sur ]−2π;0[ : cosx=322.
sin2y=1−161=1615 et siny>0 sur ]2π;π[ : siny=415, puis tany=−15.
cos2α1=1+tan2α=5 et cosα<0 sur ]π;23π[ : cosα=−51=−55, puis sinα=tanαcosα=−525.
Exercice d’application de révision 4
Pour x∈R, écrire en fonction de cosx et sinx :
A=3cos(x+5π)−2cos(7π−x)+sin(23π−x),B=sin(2π+x)sin(41π−x)+cos(2π+x)cos(17π+x),C=sin2(x+13π)+cos2(21π−x)+sin2(x−27π).
Voir la solution
cos(x+5π)=cos(x+π)=−cosx ; cos(7π−x)=cos(π−x)=−cosx ; sin(23π−x)=−cosx. Donc A=−3cosx+2cosx−cosx=−2cosx.
sin(2π+x)=cosx ; sin(41π−x)=sin(π−x)=sinx ; cos(2π+x)=−sinx ; cos(17π+x)=−cosx. Donc B=2sinxcosx.
sin2(x+13π)=sin2x ; cos2(21π−x)=cos2x ; sin(x−27π)=sin(x+2π−4π)=cosx. Donc C=1+cos2x.
Exercice d’application de révision 5
On pose A=cos28π+cos283π+cos285π+cos287π et B=k=1∑8sin218kπ.
Montrer que A=2 (on pourra remarquer que 87π=π−8π, 85π=π−83π et 83π=2π−8π).
Montrer que B=4.
Voir la solution
cos287π=cos28π, cos285π=cos283π=sin28π. Donc A=2(cos28π+sin28π)=2.
Pour k∈{1;…;4}, 18(9−k)π=2π−18kπ, donc sin218(9−k)π=cos218kπ. En regroupant les termes d’indices k et 9−k : B=∑k=14(sin218kπ+cos218kπ)=4.
II. Formules d’addition et de duplication
1. Activité
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.
Soient a, b deux réels et A, B les points de (C) tels que (;OA)≡a[2π] et (;OB)≡b[2π].
a. Montrer que (OB;OA)≡a−b[2π], puis que OB⋅OA=cos(a−b).
b. Vérifier que OA=cosa+sina et OB=cosb+sinb.
c. En déduire que cos(a−b)=cosacosb+sinasinb, puis l’expression de cos(a+b) (avec a+b=a−(−b)).
d. En utilisant sinx=cos(2π−x), en déduire sin(a−b) et sin(a+b).
e. En déduire cos2a et sin2a.
Voir la solution
Pour x=y=2π : cosπ=−1=0=cos2π+cos2π et sinπ=0=2.
a. Chasles : (OB;OA)≡(OB;)+(;OA)≡−b+a[2π]. Comme OA=OB=1 : OB⋅OA=1×1×cos(a−b).
b. Ce sont les coordonnées d’un point du cercle trigonométrique d’abscisse curviligne a (resp. b).
c. Dans la base orthonormée : OB⋅OA=cosacosb+sinasinb. Puis cos(a+b)=cosacos(−b)+sinasin(−b)=cosacosb−sinasinb.
d. sin(a−b)=cos((2π−a)+b)=cos(2π−a)cosb−sin(2π−a)sinb=sinacosb−cosasinb, puis sin(a+b)=sinacosb+cosasinb (remplacer b par −b).
e. Avec b=a : cos2a=cos2a−sin2a et sin2a=2sinacosa.
2. Formules
Propriété 1 : formules d’addition et de duplication
Pour tous réels a et b :
cos(a−b)=cosacosb+sinasinb ;
cos(a+b)=cosacosb−sinasinb ;
sin(a−b)=sinacosb−cosasinb ;
sin(a+b)=sinacosb+cosasinb ;
cos2a=cos2a−sin2a=2cos2a−1=1−2sin2a ;
sin2a=2sinacosa.
Exemple 1
a. Vérifier que 127π=3π+4π et 12π=3π−4π.
b. Calculer cos127π, sin127π, cos12π et sin12π.
a. En remarquant que 43π=2×83π, montrer que cos43π=2cos283π−1.
b. En déduire que cos83π=22−2.
c. Montrer de deux manières que sin83π=22+2.
d. Vérifier que sin43π=2sin83πcos83π.
Voir la solution
a. 3π+4π=124π+3π=127π et 3π−4π=12π.
b. cos127π=21⋅22−23⋅22=42−6 ; sin127π=23⋅22+21⋅22=46+2 ; cos12π=42+6 ; sin12π=46−2.
a. Formule 5 avec a=83π.
b. 2cos283π=1−22, donc cos283π=42−2 ; or 83π∈]0;2π[, donc cos83π>0 et cos83π=22−2.
c. Méthode 1 : sin283π=1−42−2=42+2 et sin83π>0. Méthode 2 : cos43π=1−2sin283π donne sin283π=21+22=42+2.
d. 2⋅22+2⋅22−2=24−2=22=sin43π.
Application 1
Soient a∈]0;2π[ et b∈]2π;π[ tels que cosa=53 et sinb=135. Calculer sina, cosb, puis cos(a+b), sin(a−b), sin2a et cos2b.
Voir la solution
sina=54 (sina>0) et cosb=−1312 (cosb<0). Puis cos(a+b)=53⋅(−1312)−54⋅135=−6556 ; sin(a−b)=54⋅(−1312)−53⋅135=−6563 ; sin2a=2⋅54⋅53=2524 ; cos2b=1−2⋅16925=169119.
III. Tangente et formules de linéarisation
1. Activité
Activité 2
Soient a et b deux réels.
Montrer que cos2a=21+cos2a et sin2a=21−cos2a.
On suppose que a, b, a+b et a−b n’appartiennent pas à {2π+kπ∣k∈Z}.
a. En divisant numérateur et dénominateur de cos(a+b)sin(a+b) par cosacosb, montrer que tan(a+b)=1−tanatanbtana+tanb.
b. En déduire tan(a−b), puis tan2a lorsque de plus 2a∈/{2π+kπ∣k∈Z}.
Voir la solution
De cos2a=2cos2a−1=1−2sin2a.
a. cosacosb=0 et tan(a+b)=cosacosb−sinasinbsinacosb+cosasinb=1−tanatanbtana+tanb (le dénominateur vaut cosacosbcos(a+b)=0).
b. En remplaçant b par −b (tan est impaire) : tan(a−b)=1+tanatanbtana−tanb ; avec b=a : tan2a=1−tan2a2tana.
2. Formules
Propriété 2
Pour tout réel a : 7. cos2a=21+cos2a 8. sin2a=21−cos2a.
Si a, b, a+b, a−b ne sont pas de la forme 2π+kπ (k∈Z) :
Si a et 2a ne sont pas de la forme 2π+kπ : 11. tan2a=1−tan2a2tana.
Exemple 2
Calculer tan127π, puis tan83π (on posera t=tan83π et on utilisera tan43π).
a. Montrer que, pour tout réel x : cos22x=21+cosx et sin22x=21−cosx.
b. Montrer de deux manières que, pour tout réel x : (1−cosx)(1+cosx)=4sin22xcos22x.
Voir la solution
tan127π=tan(3π+4π)=1−33+1=1−3(3+1)2=−(2+3). Ensuite 43π=2π+kπ et tan43π=−1=1−t22t, d’où t2−2t−1=0 et t∈{1−2;1+2} ; comme 83π∈]0;2π[, t>0 : tan83π=1+2.
a. Formules 7 et 8 avec a=2x.
b. Méthode 1 : (1−cosx)(1+cosx)=2sin22x×2cos22x d’après a. Méthode 2 : (1−cosx)(1+cosx)=sin2x=(2sin2xcos2x)2.
Application 2 : linéarisation
Montrer que, pour tout réel x : cos4x=83+4cos2x+cos4x.
En ajoutant ou en soustrayant les formules d’addition, montrer que cosacosb=21(cos(a+b)+cos(a−b)), sinasinb=−21(cos(a+b)−cos(a−b)) et sinacosb=21(sin(a+b)+sin(a−b)).
On pose p=a+b et q=a−b. Vérifier que a=2p+q et b=2p−q, puis en déduire les quatre formules de transformation d’une somme en produit.
p+q=2a et p−q=2b. En reportant dans les égalités de 1 : cosp+cosq=2cos2p+qcos2p−q, cosp−cosq=−2sin2p+qsin2p−q, sinp+sinq=2sin2p+qcos2p−q ; enfin sinp−sinq=sinp+sin(−q)=2sin2p−qcos2p+q.
2. Formules
Propriété 3 : produits en sommes (12) et sommes en produits (13)
Pour tous réels a, b, p, q :
Produits → sommes
Sommes → produits
cosacosb=21(cos(a+b)+cos(a−b))
cosp+cosq=2cos2p+qcos2p−q
sinasinb=−21(cos(a+b)−cos(a−b))
cosp−cosq=−2sin2p+qsin2p−q
sinacosb=21(sin(a+b)+sin(a−b))
sinp+sinq=2sin2p+qcos2p−q
cosasinb=21(sin(a+b)−sin(a−b))
sinp−sinq=2cos2p+qsin2p−q
Exemple 3
Pour x∈R, transformer en sommes : A(x)=cosxcos3x, B(x)=sin3xcos5x, C(x)=sin(x+6π)sin(x−6π), D(x)=cos(x+4π)sin(x−4π).
Pour x∈R, transformer en produits : E(x)=cos2x−cos6x, F(x)=cosx+cos2x+cos3x, G(x)=1+cos2x+cos4x+cos6x.
Montrer, sans calculatrice, que cos12π+cos127π=22.
Soient a et b deux réels tels que (a;b)=(0;0) ; on pose r=a2+b2 et, pour x∈R, A(x)=acosx+bsinx.
Vérifier que A(x)=r(racosx+rbsinx) et que (ra)2+(rb)2=1.
En déduire qu’il existe un réel α tel que cosα=ra et sinα=rb, puis que A(x)=rcos(x−α).
Voir la solution
r>0 et r2a2+b2=1.
Le point M(ra;rb) est sur le cercle trigonométrique : il a une abscisse curviligne α. Alors A(x)=r(cosαcosx+sinαsinx)=rcos(x−α).
2. Propriété
Propriété 4 (formule 14)
Soient a, b deux réels non tous deux nuls. Il existe un réel α tel que, pour tout x∈R :
acosx+bsinx=rcos(x−α),r=a2+b2,cosα=ra,sinα=rb.
Remarque — conséquences
On peut aussi écrire acosx+bsinx=rsin(x+β) avec cosβ=rb et sinβ=ra.
Pour tout x∈R : −r≤acosx+bsinx≤r, et les deux bornes sont atteintes (pour x=α et x=α+π).
L’équation acosx+bsinx=c admet des solutions si et seulement si ∣c∣≤r.
Exemple 4
Écrire sous la forme rcos(x−α), avec r>0 : A(x)=3cosx+sinx et B(x)=cosx−sinx.
Montrer que, pour tout réel x :
a. 3cosx+sinx=2⟺cos(x−6π)=cos4π ;
b. cos3x+3sin3x=−1⟺cos(3x−3π)=cos32π.
Voir la solution
A : r=2, cosα=23, sinα=21, α=6π : A(x)=2cos(x−6π). B : r=2, cosα=22, sinα=−22, α=−4π : B(x)=2cos(x+4π).
a. 3cosx+sinx=2⟺2cos(x−6π)=2⟺cos(x−6π)=22=cos4π.
b. cos3x+3sin3x=2cos(3x−3π) (même calcul avec a=1, b=3, α=3π, appliqué à 3x). Donc l’équation équivaut à cos(3x−3π)=−21=cos32π.
VI. Équations et inéquations trigonométriques
1. Équations de référence
Propriété 5 (formule 15)
Pour tout réel α :
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.
Remarque — cas particuliers
cosx=0⟺x=2π+kπ ; sinx=0⟺x=kπ ; cosx=1⟺x=2kπ ; sinx=1⟺x=2π+2kπ (k∈Z). Si ∣c∣>1, les équations cosx=c et sinx=c n’ont pas de solution.
Résoudre dans R, puis dans ]−π;π], l’équation (E7):cos3x=sin(x+6π).
Voir la solution
sin(x+6π)=cos(2π−x−6π)=cos(3π−x). Donc
(E7)⟺3x=3π−x+2kπ ou 3x=−3π+x+2kπ⟺x=12π+2kπ ou x=−6π+kπ (k∈Z).
Dans ]−π;π] : −π<12π+2kπ≤π⟺−613<k≤611⟺k∈{−2;−1;0;1}, et −π<−6π+kπ≤π⟺k∈{0;1}. Ensemble des solutions : {−1211π;−125π;−6π;12π;127π;65π}.
2. Inéquations
Méthode — résoudre une inéquation sur un intervalle (formule 16)
Résoudre l’équation associée et placer sur le cercle trigonométrique les points correspondants, ainsi que les extrémités de l’intervalle d’étude.
Repérer l’arc (ou les arcs) où l’inégalité est vraie : pour cosx≥c, les points d’abscisse ≥c ; pour sinx≥c, les points d’ordonnée ≥c ; pour tan, on lit sur l’axe des tangentes en excluant 2π+kπ.
Traduire les arcs en intervalles contenus dans l’intervalle d’étude (attention aux extrémités).
(E8) : S8=]−π;−4π]∪[4π;π]. (E9) : sinx=−21 pour x∈{−65π;−6π} et S9=]−π;−65π[∪]−6π;π]. (E10) : sur chaque intervalle où tan est définie, tanx<1⟺x<4π+kπ ; S10=]−π;−43π[∪]−2π;4π[∪]2π;π].
(E11) : 2cosx−1>0⟺x∈]−3π;3π[ et 2sinx+3>0⟺x∈]−π;−32π[∪]−3π;π]. Tableau de signes sur I (valeurs remarquables −32π, −3π, 3π) :
x
]−π;−32π[
]−32π;−3π[
]−3π;3π[
]3π;π]
2cosx−1
−
−
+
−
2sinx+3
+
−
+
+
produit
−
+
+
−
S11=]−π;−32π[∪]3π;π]. (E12) : sur chaque intervalle ]−2π+kπ;2π+kπ[, tan est strictement croissante et −3≤tanx≤33⟺x∈[−3π+kπ;6π+kπ]. Pour k∈{−1;0;1} et en se restreignant à I : S12=]−π;−65π]∪[−3π;6π]∪[32π;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
D’après l’exemple 4 : 3cosx+sinx=2⟺cos(x−6π)=cos4π⟺x=125π+2kπ ou x=−12π+2kπ (k∈Z). Dans [0;2π] : {125π;1223π}.
L’inéquation équivaut à cos(x−6π)>22. Pour x∈[0;2π], on pose X=x−6π∈[−6π;611π] ; sur cet intervalle, cosX>22⟺X∈[−6π;4π[∪]47π;611π]. D’où S=[0;125π[∪]1223π;2π].
Formules : addition et duplication (1 à 6), linéarisation (7, 8), tangente (9 à 11), produits ↔ sommes (12, 13), acosx+bsinx=rcos(x−α) (14).
Équations : se ramener à cosX=cosα, sinX=sinα ou tanX=tanα (15), ou à un produit nul ; inéquations : cercle trigonométrique ou tableau de signes (16).
Pour les solutions dans un intervalle, on encadre l’entier k.
Tous les calculs (identités, solutions, signes) ont été contrôlés avec Python/sympy (build/verif_lot4.py).
Cadre. Dans toute la série, x, y, a, b désignent des réels et k un entier relatif ; une égalité contenant tan n’est à établir que lorsque toutes les expressions sont définies. Toute réponse doit être justifiée ; le symbole ⟺ n’est employé que si chaque étape est réversible. Les inéquations se résolvent à l’aide du cercle trigonométrique. Difficulté : de ★ à ★★★★★.
Exercice 1 — Formules d’addition — calcul d’un angle Facile★★☆☆☆
Soit x∈R. Montrer de deux façons (formules d’addition, puis transformation d’une somme en produit) que :
a. cosx+cos(x+32π)+cos(x+34π)=0 ;
b. sinx+sin(x+32π)+sin(x+34π)=0.
On considère deux réels a et b de ]0;2π[ tels que tana=21 et tanb=31.
a. Calculer cosa, sina, cosb et sinb.
b. Calculer sin(a+b) et cos(a+b), puis en déduire la valeur de a+b.
Voir la solution
1. a.Méthode 1 : cos(x+32π)=−21cosx−23sinx et cos(x+34π)=−21cosx+23sinx ; la somme des trois termes vaut cosx−cosx=0. Méthode 2 : cos(x+32π)+cos(x+34π)=2cos(x+π)cos(−3π)=−cosx.
1. b.Méthode 1 : sin(x+32π)=−21sinx+23cosx et sin(x+34π)=−21sinx−23cosx : la somme vaut 0. Méthode 2 : sin(x+32π)+sin(x+34π)=2sin(x+π)cos3π=−sinx.
2. a.cos2a1=1+tan2a=45 et cosa>0 : cosa=52=525, puis sina=tanacosa=55. De même cos2b1=910 : cosb=10310 et sinb=1010.
2. b.sin(a+b)=5101×3+2×1=525=22 et cos(a+b)=502×3−1×1=22. Donc a+b≡4π[2π] ; or a+b∈]0;π[, d’où a+b=4π.
Exercice 2 — Identités avec la tangente Facile★★☆☆☆
On considère un réel x tel que x∈/{2π+kπ∣k∈Z} et x∈/{4π+2kπ∣k∈Z}. Montrer que tan(4π+x)−tan(4π−x)=2tan2x.
On considère un réel x tel que x∈/{kπ∣k∈Z}. Montrer que sinx1+cosx=tan2x1.
Voir la solution
1. On pose t=tanx ; les hypothèses donnent t2=1. tan(4π+x)=1−t1+t et tan(4π−x)=1+t1−t, donc
tan(4π+x)−tan(4π−x)=1−t2(1+t)2−(1−t)2=1−t24t=2×1−t22t=2tan2x.
2.sinx=2sin2xcos2x=0, donc sin2x=0 et cos2x=0. Avec 1+cosx=2cos22x : sinx1+cosx=2sin2xcos2x2cos22x=sin2xcos2x=tan2x1.
Exercice 3 — Produits et sommes Facile★★☆☆☆
Pour x∈R, transformer en sommes : A(x)=sin3xcosx ; B(x)=cos4xcos2x ; C(x)=sin(x+4π)sin(x−4π) ; D(x)=cos(2x−6π)sin(x+3π).
Pour x∈R, transformer en produits : E(x)=sin5x−sin3x et F(x)=sinx+sin3x+sin5x+sin7x.
Montrer, sans calculatrice, que cos12π−cos125π=22 et sin125πcos12π=42+3.
2. On divise numérateur et dénominateur par cosxcosy=0 : cosxcosy+sinxsinycosxcosy−sinxsiny=1+tanxtany1−tanxtany.
3.tanx+tany=cosxcosysinxcosy+cosxsiny=cosxcosysin(x+y) et cos(x+y)+cos(x−y)=2cosxcosy, d’où l’égalité.
4.cos(x+y)cos(x−y)=(cosxcosy)2−(sinxsiny)2 (produit d’une somme et d’une différence). En divisant par cos2xcos2y : 1−tan2xtan2y.
Exercice 6 — Trigonométrie dans un triangle Moyen★★★☆☆
On considère un réel α∈]0;6π[ et un triangle ABC tel que BAC=α et ABC=3α. On note D le pied de la hauteur issue de C et h=CD.
Justifier que D∈[AB], puis que 0<tanα<33.
Montrer que tanα1+tan3α1=hAB.
En déduire que h=AB×4(1−tan2α)tanα(3−tan2α).
Voir la solution
1. Les angles BAC=α et ABC=3α sont aigus (3α<2π) ; le pied D de la hauteur issue de C est donc sur le segment ]AB[. Comme α∈]0;6π[ et que tan est strictement croissante sur ]−2π;2π[ : 0<tanα<tan6π=33.
2. Dans les triangles rectangles ADC et BDC : tanα=ADh et tan3α=DBh. Donc AB=AD+DB=tanαh+tan3αh et tanα1+tan3α1=hAB.
3. Avec t=tanα (0<t2<31) : tan2α=1−t22t et tan3α=1−1−t22t21−t22t+t=1−3t23t−t3. Alors
hAB=t1+t(3−t2)1−3t2=t(3−t2)4−4t2,donch=AB×4(1−t2)t(3−t2).
Exercice 7 — Relations 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. Montrer que :
cos2A+cos2B+cos2C=−1−4cosAcosBcosC ;
si le triangle n’est pas rectangle : tanA+tanB+tanC=tanAtanBtanC.
Voir la solution
1.cos2A+cos2B=2cos(A+B)cos(A−B)=−2cosCcos(A−B) et cos2C=2cos2C−1=−2cosCcos(A+B)−1. Donc la somme vaut −1−2cosC(cos(A−B)+cos(A+B))=−1−4cosAcosBcosC.
2. Aucun angle n’est droit, donc cosAcosBcosC=0. A+B=π−C et cos(A+B)=−cosC=0, d’où tan(A+B)=−tanC, soit 1−tanAtanBtanA+tanB=−tanC (le dénominateur vaut cosAcosBcos(A+B)=0). En chassant le dénominateur : tanA+tanB=−tanC+tanAtanBtanC.
Résoudre les équations suivantes dans R, puis dans l’intervalle I indiqué :
(E1):2cos(2x−3π)+2=0 ; I=[0;2π[ ;
(E2):3sin2x−cos2x=2 ; I=[−π;π[ ;
(E3):sinx+sin2x+sin3x+sin4x=0 ; I=R ;
(E4):tan2x+(1−3)tanx−3=0 ; I=[−3π;−π[.
Voir la solution
1.(E1)⟺cos(2x−3π)=−22=cos43π⟺2x−3π=±43π+2kπ⟺x=2413π+kπ ou x=−245π+kπ. Dans [0;2π[ : {2413π;2419π;2437π;2443π}.
2.−cos2x+3sin2x=2cos(2x−32π) (r=2, cosα=−21, sinα=23). (E2)⟺cos(2x−32π)=22⟺2x−32π=±4π+2kπ⟺x=2411π+kπ ou x=245π+kπ. Dans [−π;π[ : {−2419π;−2413π;245π;2411π}.
3.sinx+sin4x=2sin25xcos23x et sin2x+sin3x=2sin25xcos2x, donc le premier membre vaut 2sin25x(cos23x+cos2x)=4sin25xcosxcos2x. Ainsi (E3)⟺sin25x=0 ou cosx=0 ou cos2x=0 :
S3={52kπ;2π+kπ;π+2kπk∈Z}.
4. Avec t=tanx : t2+(1−3)t−3=(t−3)(t+1). (E4)⟺tanx=3 ou tanx=−1⟺x=3π+kπ ou x=−4π+kπ. Dans [−3π;−π[ : {−38π;−49π;−35π;−45π}.
3.A(x)=sinx(sin2x−cos2x) et sin2x−cos2x=2(sin2xcos4π−cos2xsin4π)=2sin(2x−4π). (Contrôle : A(2π)=2sin43π=1.)
4.A(x)=0⟺sinx=0 ou sin(2x−4π)=0⟺x=kπ ou x=8π+2kπ (k∈Z).
5. Sur [0;π], sinx≥0, avec égalité seulement en 0 et π. Pour x∈]0;π[ : A(x)≥0⟺sin(2x−4π)≥0 ; or 2x−4π∈]−4π;47π[, et sur cet intervalle sinX≥0⟺X∈[0;π], soit x∈[8π;85π]. Conclusion : S={0}∪[8π;85π]∪{π}.
Exercice 12 — Équations se ramenant à un polynôme Moyen★★★☆☆
Montrer que, pour tout x∈R, sin2x=2sin2(x+4π)−1.
En déduire les solutions dans R de l’équation 4sin2(x+4π)=3.
On considère la fonction A définie sur R par A(x)=4sin3x−12sin2x−sinx+3.
a. Montrer que, pour tout x∈R, A(x)=(3−sinx)(1−4sin2x).
b. Montrer que, pour tout x∈R, 3−sinx>0.
c. Résoudre dans R l’équation A(x)=0.
Voir la solution
1.2sin2(x+4π)−1=−cos(2x+2π)=sin2x.
2.4sin2(x+4π)=3⟺2sin2(x+4π)−1=21⟺sin2x=21⟺x=12π+kπ ou x=125π+kπ (k∈Z).
3. c. D’après a et b : A(x)=0⟺sin2x=41⟺sinx=21 ou sinx=−21⟺x=±6π+kπ (k∈Z).
Exercice 13 — Équation du second degré en cosx+sinxDifficile★★★★☆
a. Vérifier que 8+43=(6+2)2.
b. Résoudre dans R l’équation 2X2+(6−2)X−3=0, d’inconnue X.
On considère la fonction A définie sur R par A(x)=2sin2x+(6−2)(cosx+sinx)+2−3.
a. Calculer (cosx+sinx)2 et en déduire l’expression de sin2x en fonction de cosx+sinx.
b. Résoudre dans R l’équation A(x)=0.
a. Montrer que, pour tout x∈R : A(x)=−16sin(2x+24π)sin(2x−247π)cos(2x−24π)cos(2x−245π).
b. Étudier le signe de A(x) sur l’intervalle [0;127π].
Voir la solution
1. a.(6+2)2=6+212+2=8+43.
1. b.Δ=(6−2)2+83=8−43+83=8+43=(6+2)2. Solutions : X=4−(6−2)+(6+2)=22 et X=4−(6−2)−(6+2)=−26.
2. a.(cosx+sinx)2=1+2sinxcosx=1+sin2x, donc sin2x=(cosx+sinx)2−1.
2. b. Avec X=cosx+sinx : A(x)=2X2−2+(6−2)X+2−3=2X2+(6−2)X−3. Donc A(x)=0⟺X=22 ou X=−26. Or X=2cos(x−4π) :
cos(x−4π)=21⟺x=4π±3π+2kπ, soit x=127π+2kπ ou x=−12π+2kπ ;
cos(x−4π)=−23⟺x=4π±65π+2kπ, soit x=1213π+2kπ ou x=−127π+2kπ.
3. a. On pose θ=x−4π. A(x)=2(X−22)(X+26)=4(cosθ−cos3π)(cosθ+cos6π). Or cosθ−cos3π=−2sin2θ+3πsin2θ−3π et cosθ+cos6π=2cos2θ+6πcos2θ−6π, avec 2θ+3π=2x+24π, 2θ−3π=2x−247π, 2θ+6π=2x−24π, 2θ−6π=2x−245π. D’où la formule annoncée.
3. b. Pour x∈[0;127π] : 2x+24π∈[24π;3π] (sinus >0) ; 2x−247π∈[−247π;0] (sinus ≤0, nul seulement pour x=127π) ; 2x−24π∈[−24π;4π] et 2x−245π∈[−245π;12π] (cosinus >0). Donc A(x)≥0 sur [0;127π], et A(x)=0 seulement pour x=127π.
Exercice 14 — Calcul de cos5πDifficile★★★★☆
Soit x un réel.
Exprimer cos3x en fonction de cosx.
Résoudre dans R l’équation (E):4cos3x+2cos2x−3cosx−1=0 (on pourra montrer que (E) équivaut à cos3x+cos2x=0).
En déduire les solutions de l’équation (E) dans l’intervalle [0;2π].
On considère l’équation (F):4X3+2X2−3X−1=0, d’inconnue réelle X.
a. Vérifier que −1 est une solution de (F), puis déterminer les autres solutions.
b. Montrer que cos5π est une solution de (F).
c. En déduire que cos5π=41+5.
2.4cos3x+2cos2x−3cosx−1=(4cos3x−3cosx)+(2cos2x−1)=cos3x+cos2x. Donc
(E)⟺cos3x=cos(π−2x)⟺3x=π−2x+2kπ ou 3x=−π+2x+2kπ⟺x=5π+52kπ ou x=−π+2kπ. La seconde famille est contenue dans la première (−π+2kπ=5π+52(5k−3)π) : S={5(2k+1)π∣k∈Z}.
4. a.4(−1)3+2(−1)2−3(−1)−1=0. Puis 4X3+2X2−3X−1=(X+1)(4X2−2X−1) et 4X2−2X−1=0⟺X=41±5. Solutions : −1, 41−5, 41+5.
4. b.5π est solution de (E) (question 2), donc X=cos5π vérifie (F).
4. c.5π∈]0;2π[, donc cos5π>0 ; les solutions −1 et 41−5 sont négatives. Donc cos5π=41+5.
Exercice 15 — Problème — les cosinus de 72πDifficile★★★★★
Résoudre dans R l’équation cos4x=cos3x.
Montrer que, pour tout x∈R : cos3x=4cos3x−3cosx et cos4x=8cos4x−8cos2x+1.
En déduire que l’équation 8t4−4t3−8t2+3t+1=0, d’inconnue réelle t, a pour ensemble de solutions
S={1;cos72π;cos74π;cos76π}.
Factoriser le polynôme P(t)=8t4−4t3−8t2+3t+1 en produit de facteurs du premier degré.
En déduire que cos72π+cos74π+cos76π=−21 et que cos72π×cos74π×cos76π=81.
Voir la solution
1.cos4x=cos3x⟺4x=3x+2kπ ou 4x=−3x+2kπ⟺x=2kπ ou x=72kπ. La première famille est contenue dans la seconde : S={72kπ∣k∈Z}.
2. Voir l’exercice 14 pour cos3x. cos4x=2cos22x−1=2(2cos2x−1)2−1=8cos4x−8cos2x+1.
3. Pour tout x∈R : cos4x−cos3x=P(cosx) avec P(t)=8t4−4t3−8t2+3t+1. Pour x=72kπ, P(cosx)=0 ; les valeurs de cos72kπ (k∈{0;…;6}) sont 1, cos72π, cos74π, cos76π (car cos78π=cos76π, cos710π=cos74π, cos712π=cos72π). Ces quatre réels sont distincts (cos est strictement décroissante sur [0;π] et 0<72π<74π<76π<π). Un polynôme de degré 4 ayant au plus 4 racines, l’ensemble des solutions est exactement S.
4.1 étant racine : P(t)=(t−1)(8t3+4t2−4t−1). Les trois autres racines de P sont celles du second facteur, de coefficient dominant 8 ; par factorisations successives :
P(t)=8(t−1)(t−cos72π)(t−cos74π)(t−cos76π).
5. On note c1,c2,c3 ces trois cosinus. 8(t−c1)(t−c2)(t−c3)=8t3−8(c1+c2+c3)t2+8(c1c2+c1c3+c2c3)t−8c1c2c3. Par identification avec 8t3+4t2−4t−1 : c1+c2+c3=−21 et c1c2c3=81.
pour tout réel x∈/{2kπ∣k∈Z} : k=1∑nsin(kx)=sin2xsin2nxsin2(n+1)x ;
pour tout réel x∈/{kπ∣k∈Z} : k=1∑ncos((2k−1)x)=2sinxsin(2nx) ;
pour tout réel x tel que sin(2n+1x)=0 : k=0∑n−12ktan(2kx)=tanx1−tan(2nx)2n (on pourra d’abord établir que tana=tana1−tan2a2 lorsque sin2a=0).
Voir la solution
1.sin2x=0. Pour tout k : 2sin(kx)sin2x=cos((k−21)x)−cos((k+21)x). En sommant de k=1 à n, les termes se télescopent :
2sin2x∑k=1nsin(kx)=cos2x−cos((n+21)x)=2sin2(n+1)xsin2nx,
d’où la formule en divisant par 2sin2x.
2.sinx=0 et 2sinxcos((2k−1)x)=sin(2kx)−sin((2k−2)x). En sommant : 2sinx∑k=1ncos((2k−1)x)=sin(2nx)−sin0=sin(2nx).
3.Lemme : si sin2a=0 (donc sina=0 et cosa=0), tana1−tan2a2=sinacosa−sinacosacos2a=sinacosacos2a−cos2a=sinacosasin2a=tana.
Comme sin(2j+1x)=2sin(2jx)cos(2jx), l’hypothèse sin(2n+1x)=0 entraîne, de proche en proche, sin(2j+1x)=0 pour tout j∈{0;…;n} : toutes les expressions sont définies. Le lemme avec a=2kx, multiplié par 2k, donne 2ktan(2kx)=tan(2kx)2k−tan(2k+1x)2k+1 ; la somme de k=0 à n−1 est télescopique et vaut tanx1−tan(2nx)2n.