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Leçon 6

Fonctions trigonométriques

Vidéo 6 : Les fonctions trigonométriques · 3 min 30 s · sous-titres en français

Le cours écrit

Les angles sont en radians. Les fonctions sinus et cosinus sont dérivables sur R\mathbb{R} (chapitre 3), donc continues.

6.1 Cosinus et sinus

Elles sont définies sur R\mathbb{R} et périodiques de période 2π2\pi ; cosinus est paire, sinus est impaire (chapitre 1). On les étudie donc sur [0 ;π][0\,;\pi], on complète sur [−π ;π][-\pi\,;\pi] par symétrie, puis sur R\mathbb{R} par des translations de vecteurs 2kπ i⃗2k\pi\,\vec i (kk entier).

Exemple 11.

  • Cosinus. cos⁡′(x)=−sin⁡x\cos'(x) = -\sin x. Sur ]0 ;π[\left]0\,;\pi\right[, sin⁡x>0\sin x > 0, donc cos⁡′<0\cos' < 0 : cosinus est strictement décroissante sur [0 ;π][0\,;\pi], de cos⁡0=1\cos 0 = 1 à cos⁡π=−1\cos \pi = -1, en passant par cos⁡π2=0\cos\dfrac\pi2 = 0.
  • Sinus. sin⁡′(x)=cos⁡x\sin'(x) = \cos x, positif sur [0 ;π2[\left[0\,;\dfrac\pi2\right[ et négatif sur ]π2 ;π]\left]\dfrac\pi2\,;\pi\right] : sinus croît de 00 à 11 sur [0 ;π2]\left[0\,;\dfrac\pi2\right], puis décroît de 11 à 00 sur [π2 ;π]\left[\dfrac\pi2\,;\pi\right].
xx 00 π2\dfrac\pi2 π\pi
signe de cos⁡′(x)=−sin⁡x\cos'(x) = -\sin x 00 −- −- −- 00
variations de cos⁡\cos 11 ↘\searrow 00 ↘\searrow −1-1
signe de sin⁡′(x)=cos⁡x\sin'(x) = \cos x ++ 00 −-
variations de sin⁡\sin 00 ↗\nearrow 11 ↘\searrow 00

On trace la courbe sur [0 ;π][0\,;\pi], puis son symétrique par rapport à l'axe des ordonnées (cosinus) ou par rapport à l'origine (sinus), puis on la recopie tous les 2π2\pi. La tangente à la courbe du sinus à l'origine est la droite y=xy = x.

6.2 La fonction tangente

tan⁡x=sin⁡xcos⁡x\tan x = \dfrac{\sin x}{\cos x} est définie là où cos⁡x≠0\cos x \neq 0, c'est-à-dire sur D=R∖{π2+kπ, k∈Z}D = \mathbb{R} \setminus \left\{\dfrac\pi2 + k\pi,\ k \in \mathbb{Z}\right\}.

  • Période π\pi. Pour x∈Dx \in D, x+π∈Dx + \pi \in D et tan⁡(x+π)=−sin⁡x−cos⁡x=tan⁡x\tan(x + \pi) = \dfrac{-\sin x}{-\cos x} = \tan x.
  • Imparité. tan⁡(−x)=−sin⁡xcos⁡x=−tan⁡x\tan(-x) = \dfrac{-\sin x}{\cos x} = -\tan x.
  • Dérivée (chapitre 3) : tan⁡′(x)=1+tan⁡2x=1cos⁡2x>0\tan'(x) = 1 + \tan^2 x = \dfrac{1}{\cos^2 x} > 0. Tangente est strictement croissante sur chaque intervalle ]−π2+kπ ;π2+kπ[\left]-\dfrac\pi2 + k\pi\,;\dfrac\pi2 + k\pi\right[.
  • Limite en π2\dfrac\pi2. Quand xx tend vers π2\dfrac\pi2 par la gauche, sin⁡x\sin x tend vers 11 et cos⁡x\cos x tend vers 00 en restant positif : lim⁡x→π2−tan⁡x=+∞\displaystyle\lim_{x \to \frac\pi2^-} \tan x = +\infty. La droite x=π2x = \dfrac\pi2 est asymptote verticale.

Exemple 12. On étudie tangente sur [0 ;π2[\left[0\,;\dfrac\pi2\right[ : elle croît de tan⁡0=0\tan 0 = 0 vers +∞+\infty, en passant par tan⁡π4=1\tan\dfrac\pi4 = 1. Sa tangente à l'origine a pour coefficient directeur tan⁡′(0)=1\tan'(0) = 1 : c'est la droite y=xy = x. Par imparité, on complète sur ]−π2 ;π2[\left]-\dfrac\pi2\,;\dfrac\pi2\right[, où tangente croît de −∞-\infty à +∞+\infty ; puis on recopie la courbe tous les π\pi. Les droites x=π2+kπx = \dfrac\pi2 + k\pi sont asymptotes verticales.

xx −π2-\dfrac\pi2 00 π2\dfrac\pi2
signe de tan⁡′(x)\tan'(x) ‖ ++ ++ ++ ‖
variations de tan⁡\tan ‖ −∞-\infty ↗\nearrow 00 ↗\nearrow +∞+\infty ‖

6.3 Composées d'une fonction circulaire et d'une fonction affine

Pour a≠0a \neq 0, les fonctions x↦sin⁡(ax+b)x \mapsto \sin(ax + b) et x↦cos⁡(ax+b)x \mapsto \cos(ax + b) sont dérivables sur R\mathbb{R}, de dérivées acos⁡(ax+b)a\cos(ax + b) et −asin⁡(ax+b)-a\sin(ax + b) (chapitre 3). Elles sont périodiques de période 2π∣a∣\dfrac{2\pi}{\lvert a\rvert} : par exemple, sin⁡(a(x+2πa)+b)=sin⁡(ax+b+2π)=sin⁡(ax+b)\sin\big(a(x + \frac{2\pi}{a}) + b\big) = \sin(ax + b + 2\pi) = \sin(ax + b).

Exemple 13. Soit f(x)=sin⁡2xf(x) = \sin 2x.

1. Période. f(x+π)=sin⁡(2x+2π)=sin⁡2xf(x + \pi) = \sin(2x + 2\pi) = \sin 2x : ff est périodique de période π\pi. On l'étudie sur [0 ;π][0\,;\pi].

2. Dérivée. f′(x)=2cos⁡2xf'(x) = 2\cos 2x. Pour x∈[0 ;π]x \in [0\,;\pi], 2x∈[0 ;2π]2x \in [0\,;2\pi], et cos⁡2x>0\cos 2x > 0 quand 2x∈[0 ;π2[∪]3π2 ;2π]2x \in \left[0\,;\dfrac\pi2\right[ \cup \left]\dfrac{3\pi}2\,;2\pi\right], c'est-à-dire x∈[0 ;π4[∪]3π4 ;π]x \in \left[0\,;\dfrac\pi4\right[ \cup \left]\dfrac{3\pi}4\,;\pi\right]. Sur ]π4 ;3π4[\left]\dfrac\pi4\,;\dfrac{3\pi}4\right[, cos⁡2x<0\cos 2x < 0.

xx 00 π4\dfrac\pi4 3π4\dfrac{3\pi}4 π\pi
signe de f′(x)f'(x) ++ 00 −- 00 ++
variations de ff 00 ↗\nearrow 11 ↘\searrow −1-1 ↗\nearrow 00

3. Tracé. La courbe passe par (0 ;0)(0\,;0), (π4 ;1)\left(\dfrac\pi4\,;1\right), (π2 ;0)\left(\dfrac\pi2\,;0\right), (3π4 ;−1)\left(\dfrac{3\pi}4\,;-1\right) et (π ;0)(\pi\,;0), avec des tangentes horizontales au maximum et au minimum. Sa tangente à l'origine est la droite y=2xy = 2x, car f′(0)=2f'(0) = 2. On recopie l'arc tous les π\pi : la courbe ressemble à celle du sinus, mais deux fois plus serrée.

Remarque. On peut aussi réduire l'étude avec la parité : sin⁡2x\sin 2x est impaire, donc l'étude sur [0 ;π2]\left[0\,;\dfrac\pi2\right] suffit, complétée par symétrie par rapport à l'origine et par périodicité.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 11 et 12

  • Exercice 11 : une composée de cosinus et d'une fonction affine
  • Exercice 12 : tangente et première bissectrice

Exercices du chapitre (PDF, 251 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 701 Ko)

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