Plan du chapitre. I. Le radian et le cercle trigonométrique — II. Angles orientés de deux vecteurs — III. Lignes trigonométriques d’un réel — IV. Relations trigonométriques.
Dans tout le chapitre, le plan est muni d’un repère orthonormé (O;;) ; x et y désignent des nombres réels.
I. Le radian et le cercle trigonométrique
1. Le radian
Définition 1
On considère un cercle de centre O et de rayon 1. Le radian (rad) est la mesure d’un angle géométrique de sommet O qui intercepte sur ce cercle un arc de longueur 1.
Propriété 1 : Conversions
Un angle plat mesure 180∘, π rad et 200 grades. Si un angle mesure D degrés, R radians et G grades, alors
180D=πR=200G.
Exemple 1
Calculer la mesure en radians et en grades d’un angle de 60∘, puis la mesure en degrés et en grades d’un angle de 43π rad.
Voir la solution
60∘=3π rad =3200 gr ; 43π rad =135∘=150 gr.
Remarque
Sur un cercle de rayon r, un angle au centre de θ radians intercepte un arc de longueur rθ et délimite un secteur d’aire 21r2θ.
2. Cercle trigonométrique
Définition 2
On note I(1;0) et J(0;1). Le cercle trigonométrique est le cercle (C) de centre O, de rayon 1, orienté dans le sens direct (sens inverse des aiguilles d’une montre), avec l’origine I.
3. Abscisses curvilignes
Définition 3
On considère un point M de (C). Si x est la longueur (comptée positivement dans le sens direct, négativement sinon) d’un arc allant de I à M, on dit que x est une abscisse curviligne de M.
Si x est une abscisse curviligne de M, les abscisses curvilignes de M sont les réels x+2kπ, k∈Z.
Une seule appartient à l’intervalle ]−π;π] : c’est l’abscisse curviligne principale de M.
Définition 4 : Congruence modulo 2π
On dit que x et y sont congrus modulo 2π, et on note x≡y[2π], s’il existe k∈Z tel que x−y=2kπ.
Exemple 2
Déterminer l’abscisse curviligne principale du point M d’abscisse curviligne 629π.
Voir la solution
629π=629π−4π+4π=65π+2×2π, et 65π∈]−π;π]. L’abscisse curviligne principale est 65π.
Méthode
Pour trouver l’abscisse principale de qpπ : on écrit qp sous la forme 2k+r avec −1<r≤1 (on enlève le plus proche multiple pair de π).
II. Angles orientés de deux vecteurs
1. Définition
Définition 5
On considère deux vecteurs non nuls u et v, et les points M et N de (C) tels que OM et ON soient de même sens que u et v. Si x et y sont des abscisses curvilignes de M et N, on dit que y−x est une mesure de l’angle orienté(u;v).
Les mesures de (u;v) sont les réels y−x+2kπ, k∈Z ; on note (u;v)≡y−x[2π].
La mesure appartenant à ]−π;π] est la mesure principale de (u;v).
2. Propriétés
Propriété 2
Pour tous vecteurs non nuls u, v, w :
(u;u)≡0[2π] et (u;−u)≡π[2π] ;
(v;u)≡−(u;v)[2π] ;
relation de Chasles : (u;v)+(v;w)≡(u;w)[2π] ;
(−u;v)≡(u;−v)≡(u;v)+π[2π] et (−u;−v)≡(u;v)[2π] ;
pour tous réels a, b strictement positifs : (au;bv)≡(u;v)[2π].
Application 1
On considère deux vecteurs non nuls u et v tels que (u;v)≡6π[2π]. Déterminer la mesure principale de (v;u), (3u;−v) et (−v;−2u).
Voir la solution
(v;u)≡−6π[2π] : mesure principale −6π.
(3u;−v)≡6π+π=67π≡−65π[2π] : mesure principale −65π.
(−v;−2u)≡(v;u)≡−6π[2π].
III. Lignes trigonométriques d’un réel
1. Cosinus et sinus
Définition 6
On considère un réel x et le point M de (C) d’abscisse curviligne x. Le cosinus et le sinus de x sont respectivement l’abscisse et l’ordonnée de M :
M(cosx;sinx).
Propriété 3
Pour tout réel x et tout entier relatif k :
−1≤cosx≤1 et −1≤sinx≤1 ;
cos2x+sin2x=1 ;
cos(x+2kπ)=cosx et sin(x+2kπ)=sinx.
2. Tangente
Définition 7
Pour tout réel x tel que cosx=0 (c’est-à-dire x=2π+kπ, k∈Z), la tangente de x est tanx=cosxsinx.
Propriété 4
Pour tout réel x tel que cosx=0 : 1+tan2x=cos2x1 et tan(x+kπ)=tanx pour tout k∈Z.
3. Valeurs remarquables
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
IV. Relations trigonométriques
1. Angles associés
Propriété 5
Pour tout réel x :
−x
π−x
π+x
2π−x
2π+x
cos
cosx
−cosx
−cosx
sinx
−sinx
sin
−sinx
sinx
−sinx
cosx
cosx
Lorsque les tangentes sont définies : tan(−x)=−tanx, tan(π−x)=−tanx, tan(π+x)=tanx et tan(2π−x)=tanx1.
Exemple 3
Calculer cos65π, sin(−32π) et tan47π.
Voir la solution
cos65π=cos(π−6π)=−cos6π=−23.
sin(−32π)=−sin(π−3π)=−sin3π=−23.
tan47π=tan(−4π+2π)=tan(−4π)=−1.
2. Calculer une ligne à partir d’une autre
Application 2
On considère un réel x de l’intervalle ]2π;π[ tel que sinx=53. Calculer cosx et tanx.
Voir la solution
cos2x=1−sin2x=1−259=2516. Comme x∈]2π;π[, le point M est dans le deuxième quadrant et cosx<0 : cosx=−54. Puis tanx=−4/53/5=−43.
Exercice 2 — Abscisse curviligne principale Facile★☆☆☆☆
On considère un point M du cercle trigonométrique d’abscisse curviligne x. Déterminer l’abscisse curviligne principale de M dans chacun des cas :
x=637π.
x=−4125π.
x=19π.
x=3103π.
x=−547π.
x=789π.
Voir la solution
637π=6π+6π : 6π.
−4125π=43π−32π : 43π.
19π=π+18π : π.
3103π=3π+34π : 3π.
−547π=53π−10π : 53π.
789π=75π+12π : 75π.
Exercice 3 — Congruence modulo 2πFacile★☆☆☆☆
Déterminer si x≡y[2π] dans chacun des cas :
x=1253π et y=−1219π.
x=−811π et y=829π.
Voir la solution
x−y=1272π=6π=2×3π : x≡y[2π].
x−y=−840π=−5π, qui n’est pas un multiple pair de π : x≡y[2π].
Exercice 4 — Unités d’angle Facile★☆☆☆☆
Compléter le tableau suivant :
En degrés
30
135
En radians
52π
10π
En grades
180
250
Voir la solution
On utilise 180D=πR=200G.
En degrés
30
72
135
162
18
225
En radians
6π
52π
43π
109π
10π
45π
En grades
3100
80
150
180
20
250
Exercice 5 — Angles orientés Facile★★☆☆☆
On considère un carré ABCD de centre O tel que (AB;AD)≡2π[2π]. Déterminer la mesure principale de chacun des angles orientés :
(OA;OC);(DC;DA);(AB;AC);(BA;BD).
Voir la solution
OC=−OA : (OA;OC)≡π.
DC=AB et DA=−AD : (DC;DA)≡2π+π≡−2π.
La diagonale [AC] est bissectrice de l’angle droit BAD : (AB;AC)≡4π.
(BA;BD) : la diagonale [BD] est bissectrice de ABC, et on tourne de BA vers BD dans le sens indirect : −4π.
Exercice 6 — Angles orientés Facile★★☆☆☆
On considère un triangle équilatéral ABC tel que (AB;AC)≡3π[2π], et les milieux I, J, K respectifs des segments [BC], [AC] et [AB]. Déterminer la mesure principale de chacun des angles orientés suivants :
(BC;CA).
(BC;JK).
(AI;CA).
Voir la solution
Dans un triangle équilatéral direct : (AB;AC)≡(BC;BA)≡(CA;CB)≡3π.
(BC;CA)≡(BC;BA)+(BA;CA). Or CA=−AC, donc (BA;CA)≡(AB;AC)≡3π (les deux vecteurs sont changés en leurs opposés). Ainsi (BC;CA)≡32π.
(JK)∥(BC) (droite des milieux) avec JK=21CB=−21BC : (BC;JK)≡π.
(AI) est la bissectrice de BAC : (AI;AC)≡6π. Puis (AI;CA)≡6π+π=67π≡−65π.
Exercice 7 — Propriétés des angles orientés Facile★★☆☆☆
On considère deux vecteurs non nuls u et v tels que (u;v)≡3π[2π]. Déterminer la mesure principale de chacun des angles orientés :
(v;u);(2u;3v);(u;−v);(−2v;5u);(−u;−v);(−3v;−21u).
On considère les points M et M′ du cercle trigonométrique d’abscisses curvilignes 6π et −6π. En étudiant le triangle OMM′, montrer que sin6π=21, puis que cos6π=23.
Voir la solution
OM=OM′=1 et l’angle MOM′ mesure 6π+6π=3π : le triangle isocèle OMM′ a un angle de 60∘, il est donc équilatéral et MM′=1.
Par symétrie par rapport à l’axe des abscisses, M(cos6π;sin6π) et M′(cos6π;−sin6π), donc MM′=2sin6π (le sinus étant positif). Ainsi sin6π=21.
Enfin cos26π=1−41=43 et cos6π>0, d’où cos6π=23.
Exercice 9 — Calculs Facile★☆☆☆☆
Calculer cos325π, sin(−431π) et tan617π.
Voir la solution
cos325π=cos(3π+8π)=21.
sin(−431π)=sin(4π−8π)=22.
tan617π=tan(−6π+3π)=tan(−6π)=−33.
Exercice 10 — Lignes trigonométriques Moyen★★★☆☆
On considère un réel x de l’intervalle [0;2π[ tel que tanx=2−3. Calculer cosx.
On considère un réel y de l’intervalle ]−π;−2π[ tel que siny=−32. Calculer cosy et tany.
Déterminer les réels z de l’intervalle ]−2π;2π[ tels que tan2z−(1+3)tanz+3=0.
Voir la solution
1)cos2x1=1+(2−3)2=8−43, donc cos2x=8−431=64−488+43=42+3. Comme x∈[0;2π[, cosx>0 : cosx=22+3.
2)cos2y=1−94=95. Pour y∈]−π;−2π[, le point est dans le troisième quadrant : cosy<0, donc cosy=−35. Puis tany=−5/3−2/3=52=525.
3) On pose X=tanz : X2−(1+3)X+3=(X−1)(X−3)=0, donc tanz=1 ou tanz=3. Dans ]−2π;2π[ : z=4π ou z=3π.
Exercice 11 — Relations Facile★★☆☆☆
On considère un réel x tel que cosx=0.
Montrer que 1+tan2x=cos2x1.
On suppose de plus que sinx=0. Montrer que sin2x1=1+tan2x1.