Tle
Cercle trigonométrique et radians · Fonctions cosinus et sinus, dérivées, équations trigonométriques
Au collège, le cosinus et le sinus sont des rapports de longueurs dans un triangle rectangle : ils n'existent que pour un angle aigu. En terminale, on les étend à tout réel grâce au cercle trigonométrique : on enroule la droite des réels autour d'un cercle de rayon $1$, et le cosinus et le sinus d'un réel $x$ sont les coordonnées du point ainsi atteint. Cette construction fait naître deux fonctions définies sur $\mathbb{R}$, périodiques, bornées, dérivables, qui modélisent tout ce qui oscille : marées, températures, courant alternatif, vibrations. Le chapitre demande trois habiletés : lire le cercle (mesures en radians, valeurs remarquables, symétries), manipuler les fonctions cosinus et sinus comme les autres fonctions (dérivées, variations), et résoudre des équations en n'oubliant aucune solution.

Prérequis : Trigonométrie du triangle rectangle, Dérivation. Pour s'entraîner : Exercices : fonctions trigonométriques.

Cercle trigonométrique et radian (Tle)
Cercle trigonométrique :
cercle de centre $O$ et de rayon $1$, parcouru dans le sens direct (sens inverse des aiguilles d'une montre), avec le point de départ $I(1 \,;\, 0)$.
Radian :
mesure d'un angle qui intercepte, sur ce cercle, un arc de longueur égale au rayon. Un tour complet mesure $2\pi$ radians : $\pi$ rad correspond à $180$°, et la conversion est proportionnelle ($x$° $= \dfrac{\pi x}{180}$ rad).
Enroulement :
à tout réel $x$ on associe le point $M$ du cercle obtenu en parcourant la longueur $|x|$ depuis $I$ (sens direct si $x > 0$). On pose alors $\cos x = $ abscisse de $M$ et $\sin x = $ ordonnée de $M$.
Périodicité :
$x$ et $x + 2k\pi$ ($k$ entier) donnent le même point : $\cos(x + 2\pi) = \cos x$ et $\sin(x + 2\pi) = \sin x$. Parmi toutes ces valeurs, celle qui appartient à $\mathopen{]}-\pi \,;\, \pi]$ est la mesure principale.
Exercice 1 — Radians et mesure principale (Tle)
  1. Convertir en radians : $30$°, $45$°, $60$°, $90$°, $120$°, $135$°, $150$°, $180$°. Convertir en degrés : $\dfrac{\pi}{12}$, $\dfrac{5\pi}{4}$, $\dfrac{7\pi}{6}$, $2$ rad (arrondir au dixième).
  2. Déterminer la mesure principale de $\dfrac{13\pi}{6}$, $-\dfrac{7\pi}{4}$, $\dfrac{17\pi}{3}$ et $\dfrac{25\pi}{4}$.
  3. Dans quel quart du cercle se trouvent les points associés à $\dfrac{\pi}{3}$, $-\dfrac{\pi}{6}$, $\dfrac{5\pi}{6}$ et $-\dfrac{3\pi}{4}$ ? Donner dans chaque cas le signe du cosinus et du sinus.
▶ Solution — Exercice 1
  1. $30° = \dfrac{\pi}{6}$, $45° = \dfrac{\pi}{4}$, $60° = \dfrac{\pi}{3}$, $90° = \dfrac{\pi}{2}$, $120° = \dfrac{2\pi}{3}$, $135° = \dfrac{3\pi}{4}$, $150° = \dfrac{5\pi}{6}$, $180° = \pi$. Réciproquement $\dfrac{\pi}{12} = 15°$, $\dfrac{5\pi}{4} = 225°$, $\dfrac{7\pi}{6} = 210°$, $2$ rad $= \dfrac{360}{\pi} \approx 114{,}6°$.
  2. $\dfrac{13\pi}{6} - 2\pi = \dfrac{\pi}{6}$ ; $-\dfrac{7\pi}{4} + 2\pi = \dfrac{\pi}{4}$ ; $\dfrac{17\pi}{3} - 6\pi = -\dfrac{\pi}{3}$ ; $\dfrac{25\pi}{4} - 6\pi = \dfrac{\pi}{4}$. Dans chaque cas on retire ou ajoute un multiple de $2\pi$ pour tomber dans $\mathopen{]}-\pi \,;\, \pi]$.
  3. $\dfrac{\pi}{3}$ : premier quart (en haut à droite), cosinus et sinus positifs. $-\dfrac{\pi}{6}$ : quatrième quart (en bas à droite), cosinus positif, sinus négatif. $\dfrac{5\pi}{6}$ : deuxième quart (en haut à gauche), cosinus négatif, sinus positif. $-\dfrac{3\pi}{4}$ : troisième quart (en bas à gauche), cosinus et sinus négatifs.
Valeurs remarquables et symétries (Tle)
$x$$0$$\dfrac{\pi}{6}$$\dfrac{\pi}{4}$$\dfrac{\pi}{3}$$\dfrac{\pi}{2}$
$\cos x$$1$$\dfrac{\sqrt{3}}{2}$$\dfrac{\sqrt{2}}{2}$$\dfrac{1}{2}$$0$
$\sin x$$0$$\dfrac{1}{2}$$\dfrac{\sqrt{2}}{2}$$\dfrac{\sqrt{3}}{2}$$1$
Relation fondamentale :
pour tout réel $x$, $\cos^{2} x + \sin^{2} x = 1$ (théorème de Pythagore dans le cercle de rayon $1$), et $-1 \leqslant \cos x \leqslant 1$, $-1 \leqslant \sin x \leqslant 1$.
Angles opposés :
$\cos(-x) = \cos x$ et $\sin(-x) = -\sin x$ (symétrie par rapport à l'axe des abscisses).
Angles supplémentaires :
$\cos(\pi - x) = -\cos x$ et $\sin(\pi - x) = \sin x$ (symétrie par rapport à l'axe des ordonnées).
Demi-tour :
$\cos(\pi + x) = -\cos x$ et $\sin(\pi + x) = -\sin x$ (symétrie par rapport à $O$).
Angles complémentaires :
$\cos\left(\dfrac{\pi}{2} - x\right) = \sin x$ et $\sin\left(\dfrac{\pi}{2} - x\right) = \cos x$.
Méthode : calculer le cosinus ou le sinus d'un réel quelconque
  1. Ramener le réel dans $\mathopen{]}-\pi \,;\, \pi]$ en retirant des multiples de $2\pi$.
  2. L'écrire sous la forme $\pi - a$, $\pi + a$ ou $-a$ avec $a$ une valeur remarquable du premier quart.
  3. Appliquer la symétrie correspondante en surveillant les signes, et vérifier avec le quart du cercle.

$\dfrac{2\pi}{3} = \pi - \dfrac{\pi}{3}$, donc $\cos\dfrac{2\pi}{3} = -\cos\dfrac{\pi}{3} = -\dfrac{1}{2}$ et $\sin\dfrac{2\pi}{3} = \sin\dfrac{\pi}{3} = \dfrac{\sqrt{3}}{2}$. Vérification : le point est dans le deuxième quart, cosinus négatif et sinus positif. ✓

Exercice 2 — Valeurs remarquables, étape par étape (Tle)
  1. Compléter : $\dfrac{5\pi}{6} = \pi - …$, donc $\cos\dfrac{5\pi}{6} = -\cos… = …$ et $\sin\dfrac{5\pi}{6} = \sin… = …$
  2. Calculer $\sin\left(-\dfrac{\pi}{4}\right)$, $\cos\dfrac{7\pi}{6}$, $\sin\dfrac{4\pi}{3}$, $\cos\left(-\dfrac{\pi}{3}\right)$ et $\cos\dfrac{13\pi}{6}$.
  3. On sait que $\cos x = \dfrac{1}{3}$ et que $x \in \left]-\dfrac{\pi}{2} \,;\, 0\right[$. Calculer $\sin x$.
  4. On sait que $\sin x = \dfrac{3}{5}$ et que $x \in \left]\dfrac{\pi}{2} \,;\, \pi\right[$. Calculer $\cos x$.
▶ Solution — Exercice 2
  1. $\dfrac{5\pi}{6} = \pi - \dfrac{\pi}{6}$, donc $\cos\dfrac{5\pi}{6} = -\cos\dfrac{\pi}{6} = -\dfrac{\sqrt{3}}{2}$ et $\sin\dfrac{5\pi}{6} = \sin\dfrac{\pi}{6} = \dfrac{1}{2}$.
  2. $\sin\left(-\dfrac{\pi}{4}\right) = -\sin\dfrac{\pi}{4} = -\dfrac{\sqrt{2}}{2}$ ; $\dfrac{7\pi}{6} = \pi + \dfrac{\pi}{6}$ donc $\cos\dfrac{7\pi}{6} = -\dfrac{\sqrt{3}}{2}$ ; $\dfrac{4\pi}{3} = \pi + \dfrac{\pi}{3}$ donc $\sin\dfrac{4\pi}{3} = -\dfrac{\sqrt{3}}{2}$ ; $\cos\left(-\dfrac{\pi}{3}\right) = \cos\dfrac{\pi}{3} = \dfrac{1}{2}$ ; $\dfrac{13\pi}{6} = \dfrac{\pi}{6} + 2\pi$ donc $\cos\dfrac{13\pi}{6} = \dfrac{\sqrt{3}}{2}$.
  3. $\sin^{2} x = 1 - \dfrac{1}{9} = \dfrac{8}{9}$, donc $\sin x = \pm\dfrac{2\sqrt{2}}{3}$. Comme $x \in \left]-\dfrac{\pi}{2} \,;\, 0\right[$, le sinus est négatif : $\sin x = -\dfrac{2\sqrt{2}}{3}$.
  4. $\cos^{2} x = 1 - \dfrac{9}{25} = \dfrac{16}{25}$, donc $\cos x = \pm\dfrac{4}{5}$. Dans $\left]\dfrac{\pi}{2} \,;\, \pi\right[$ le cosinus est négatif : $\cos x = -\dfrac{4}{5}$.
Les fonctions cosinus et sinus (Tle)
Définition :
$\cos : x \mapsto \cos x$ et $\sin : x \mapsto \sin x$ sont définies sur $\mathbb{R}$, à valeurs dans $[-1 \,;\, 1]$, et périodiques de période $2\pi$.
Parité :
$\cos$ est paire (courbe symétrique par rapport à l'axe des ordonnées), $\sin$ est impaire (courbe symétrique par rapport à l'origine).
Dérivées :
$\cos' = -\sin$ et $\sin' = \cos$. Plus généralement $\left(\cos(ax + b)\right)' = -a\sin(ax + b)$ et $\left(\sin(ax + b)\right)' = a\cos(ax + b)$.
Variations sur $[0 \,;\, \pi]$ :
$\cos$ est décroissante de $1$ à $-1$ ; $\sin$ est croissante sur $\left[0 \,;\, \dfrac{\pi}{2}\right]$ (de $0$ à $1$) puis décroissante sur $\left[\dfrac{\pi}{2} \,;\, \pi\right]$ (de $1$ à $0$).
Méthode : étudier une fonction trigonométrique
  1. Repérer la période et la parité pour réduire l'intervalle d'étude (souvent $[0 \,;\, \pi]$).
  2. Dériver avec $\cos' = -\sin$ et $\sin' = \cos$, puis factoriser $f'$ (au besoin, remplacer $\sin^{2} x$ par $1 - \cos^{2} x$).
  3. Étudier le signe de chaque facteur sur l'intervalle d'étude à l'aide du cercle, dresser le tableau, puis étendre par symétrie et périodicité.
Exercice 3 — Dériver des fonctions trigonométriques (Tle)
  1. Calculer la dérivée de chaque fonction.

    • a) $f(x) = 3\cos x - 2\sin x$
    • b) $g(x) = \sin(2x)$
    • c) $h(x) = \cos\left(3x + \dfrac{\pi}{4}\right)$
    • d) $k(x) = x\sin x$
    • e) $m(x) = \cos^{2} x$
    • f) $p(x) = \dfrac{\sin x}{x}$ sur $\mathopen{]}0 \,;\, +\infty\mathclose{[}$
  2. Déterminer l'équation de la tangente à la courbe de $\sin$ au point d'abscisse $0$, puis celle de la tangente à la courbe de $\cos$ au point d'abscisse $\dfrac{\pi}{2}$.
▶ Solution — Exercice 3
  1.  

    1. $f'(x) = -3\sin x - 2\cos x$.
    2. $g'(x) = 2\cos(2x)$.
    3. $h'(x) = -3\sin\left(3x + \dfrac{\pi}{4}\right)$.
    4. Produit : $k'(x) = \sin x + x\cos x$.
    5. $m = u^{2}$ avec $u = \cos$ : $m'(x) = 2\cos x \times (-\sin x) = -2\sin x\cos x$.
    6. Quotient : $p'(x) = \dfrac{x\cos x - \sin x}{x^{2}}$.
  2. $\sin 0 = 0$ et $\sin' 0 = \cos 0 = 1$ : tangente $y = x$. $\cos\dfrac{\pi}{2} = 0$ et $\cos'\dfrac{\pi}{2} = -\sin\dfrac{\pi}{2} = -1$ : tangente $y = -\left(x - \dfrac{\pi}{2}\right) = -x + \dfrac{\pi}{2}$.
Équations trigonométriques (Tle)

Pour tout réel $a$ et tout entier $k$ :

Cosinus :
$\cos x = \cos a \iff x = a + 2k\pi$ ou $x = -a + 2k\pi$.
Sinus :
$\sin x = \sin a \iff x = a + 2k\pi$ ou $x = \pi - a + 2k\pi$.
Lecture :
deux points du cercle ont le même cosinus s'ils sont symétriques par rapport à l'axe des abscisses ; le même sinus s'ils sont symétriques par rapport à l'axe des ordonnées. Il y a donc en général deux familles de solutions.
Méthode : résoudre une équation trigonométrique
  1. Isoler $\cos x$ ou $\sin x$ et reconnaître une valeur remarquable : écrire $\cos x = \cos a$ ou $\sin x = \sin a$.
  2. Écrire les deux familles de solutions dans $\mathbb{R}$ (avec $k \in \mathbb{Z}$).
  3. Si un intervalle est imposé, donner à $k$ les valeurs qui y ramènent, en s'aidant du cercle.

$\cos x = \dfrac{1}{2} = \cos\dfrac{\pi}{3}$, donc $x = \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi$ ou $x = -\dfrac{\pi}{3} + 2k\pi$. Dans $\mathopen{]}-\pi \,;\, \pi]$ : $x = -\dfrac{\pi}{3}$ ou $x = \dfrac{\pi}{3}$. Dans $[0 \,;\, 2\pi\mathclose{[}$ : $x = \dfrac{\pi}{3}$ ou $x = \dfrac{5\pi}{3}$.

Exercice 4 — Résoudre des équations trigonométriques (Tle)
  1. Résoudre dans $\mathbb{R}$ puis dans $\mathopen{]}-\pi \,;\, \pi]$ : $\sin x = -\dfrac{\sqrt{2}}{2}$.
  2. Résoudre dans $\mathopen{]}-\pi \,;\, \pi]$ : $2\cos x + \sqrt{3} = 0$.
  3. Résoudre dans $[0 \,;\, \pi]$ : $\sin(2x) = \dfrac{1}{2}$.
  4. Résoudre dans $\mathopen{]}-\pi \,;\, \pi]$ l'inéquation $\cos x \geqslant \dfrac{1}{2}$, à l'aide du cercle.
▶ Solution — Exercice 4
  1. $-\dfrac{\sqrt{2}}{2} = \sin\left(-\dfrac{\pi}{4}\right)$, donc $x = -\dfrac{\pi}{4} + 2k\pi$ ou $x = \pi + \dfrac{\pi}{4} + 2k\pi = \dfrac{5\pi}{4} + 2k\pi$. Dans $\mathopen{]}-\pi \,;\, \pi]$ : $x = -\dfrac{\pi}{4}$ ou $x = \dfrac{5\pi}{4} - 2\pi = -\dfrac{3\pi}{4}$. Les deux points sont dans la moitié inférieure du cercle, symétriques par rapport à l'axe des ordonnées. ✓
  2. $\cos x = -\dfrac{\sqrt{3}}{2} = \cos\dfrac{5\pi}{6}$, donc $x = \dfrac{5\pi}{6}$ ou $x = -\dfrac{5\pi}{6}$ dans $\mathopen{]}-\pi \,;\, \pi]$.
  3. $\sin(2x) = \sin\dfrac{\pi}{6}$ donne $2x = \dfrac{\pi}{6} + 2k\pi$ ou $2x = \dfrac{5\pi}{6} + 2k\pi$, soit $x = \dfrac{\pi}{12} + k\pi$ ou $x = \dfrac{5\pi}{12} + k\pi$. Dans $[0 \,;\, \pi]$, seul $k = 0$ convient : $x = \dfrac{\pi}{12}$ ou $x = \dfrac{5\pi}{12}$ (pour $k = 1$, $\dfrac{13\pi}{12} > \pi$).
  4. Sur le cercle, les points d'abscisse supérieure ou égale à $\dfrac{1}{2}$ forment l'arc allant de $-\dfrac{\pi}{3}$ à $\dfrac{\pi}{3}$ en passant par $I$ : l'ensemble des solutions est $\left[-\dfrac{\pi}{3} \,;\, \dfrac{\pi}{3}\right]$.
Exercice 5 — Étude complète d'une fonction trigonométrique (Tle)

Soit $f$ définie sur $\mathbb{R}$ par $f(x) = \sin x\,(1 + \cos x)$.

  1. Montrer que $f$ est impaire et périodique de période $2\pi$. En déduire qu'il suffit d'étudier $f$ sur $[0 \,;\, \pi]$.
  2. Montrer que $f'(x) = 2\cos^{2} x + \cos x - 1$, puis que $f'(x) = (2\cos x - 1)(\cos x + 1)$.
  3. Étudier le signe de $f'$ sur $[0 \,;\, \pi]$ et dresser le tableau de variations de $f$ sur cet intervalle.
  4. En déduire le maximum de $f$ sur $\mathbb{R}$ et les réels où il est atteint.
▶ Solution — Exercice 5
  1. $f(-x) = \sin(-x)\,(1 + \cos(-x)) = -\sin x\,(1 + \cos x) = -f(x)$ : $f$ est impaire. $f(x + 2\pi) = f(x)$ car $\cos$ et $\sin$ sont $2\pi$-périodiques. La courbe sur $[-\pi \,;\, 0]$ se déduit de celle sur $[0 \,;\, \pi]$ par symétrie centrale, puis on translate de $2\pi$ : l'étude sur $[0 \,;\, \pi]$ suffit.
  2. Produit : $f'(x) = \cos x\,(1 + \cos x) + \sin x\,(-\sin x) = \cos x + \cos^{2} x - \sin^{2} x$. Avec $\sin^{2} x = 1 - \cos^{2} x$ : $f'(x) = 2\cos^{2} x + \cos x - 1$. En posant $X = \cos x$, $2X^{2} + X - 1$ a pour racines $\dfrac{1}{2}$ et $-1$, donc $2X^{2} + X - 1 = 2\left(X - \dfrac{1}{2}\right)(X + 1) = (2X - 1)(X + 1)$.
  3. Sur $[0 \,;\, \pi]$, $\cos x + 1 \geqslant 0$ (nul seulement en $\pi$). Le signe de $f'$ est celui de $2\cos x - 1$ : positif si $\cos x > \dfrac{1}{2}$, c'est-à-dire sur $\left[0 \,;\, \dfrac{\pi}{3}\right[$, négatif sur $\left]\dfrac{\pi}{3} \,;\, \pi\right]$. Valeurs : $f(0) = 0$, $f\left(\dfrac{\pi}{3}\right) = \dfrac{\sqrt{3}}{2}\left(1 + \dfrac{1}{2}\right) = \dfrac{3\sqrt{3}}{4} \approx 1{,}30$, $f(\pi) = 0$.

  4. Sur $[0 \,;\, \pi]$ le maximum est $\dfrac{3\sqrt{3}}{4}$ en $\dfrac{\pi}{3}$. Sur $[-\pi \,;\, 0]$, par imparité, $f \leqslant 0$. Par périodicité, le maximum de $f$ sur $\mathbb{R}$ est $\dfrac{3\sqrt{3}}{4}$, atteint en $x = \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi$, $k \in \mathbb{Z}$.
Exercice 6 — Problème en contexte : hauteur d'eau dans un port (Tle)

Dans un port, la hauteur d'eau (en mètres) $t$ heures après minuit est modélisée sur $[0 \,;\, 24]$ par $h(t) = 4 + 1{,}5\cos\left(\dfrac{\pi t}{6}\right)$.

  1. Calculer $h(0)$, $h(3)$ et $h(6)$. Quelle est la période de $h$ ? Interpréter.
  2. Déterminer les hauteurs maximale et minimale et les instants où elles sont atteintes sur $[0 \,;\, 24]$.
  3. Un bateau ne peut entrer que si la hauteur d'eau est au moins $4{,}75$ m. Résoudre $h(t) \geqslant 4{,}75$ sur $[0 \,;\, 24]$ et donner les créneaux d'entrée.
  4. Calculer $h'(t)$ et déterminer à quels instants la hauteur diminue le plus vite. Quelle est alors cette vitesse ?
▶ Solution — Exercice 6
  1. $h(0) = 4 + 1{,}5 = 5{,}5$ ; $h(3) = 4 + 1{,}5\cos\dfrac{\pi}{2} = 4$ ; $h(6) = 4 + 1{,}5\cos\pi = 2{,}5$. La période est $T$ telle que $\dfrac{\pi T}{6} = 2\pi$, soit $T = 12$ h : deux marées hautes par jour.
  2. Le cosinus est compris entre $-1$ et $1$ : $h$ varie entre $2{,}5$ m et $5{,}5$ m. Maximum $5{,}5$ m quand $\cos\dfrac{\pi t}{6} = 1$, soit $\dfrac{\pi t}{6} = 2k\pi$, $t = 12k$ : à $0$ h, $12$ h et $24$ h. Minimum $2{,}5$ m quand $\dfrac{\pi t}{6} = \pi + 2k\pi$, $t = 6 + 12k$ : à $6$ h et $18$ h.
  3. $h(t) \geqslant 4{,}75 \iff \cos\dfrac{\pi t}{6} \geqslant \dfrac{1}{2} \iff -\dfrac{\pi}{3} + 2k\pi \leqslant \dfrac{\pi t}{6} \leqslant \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi \iff -2 + 12k \leqslant t \leqslant 2 + 12k$. Sur $[0 \,;\, 24]$ : $t \in [0 \,;\, 2] \cup [10 \,;\, 14] \cup [22 \,;\, 24]$. Le bateau peut entrer de minuit à 2 h, de 10 h à 14 h et de 22 h à minuit.
  4. $h'(t) = -1{,}5 \times \dfrac{\pi}{6}\sin\dfrac{\pi t}{6} = -\dfrac{\pi}{4}\sin\dfrac{\pi t}{6}$. La hauteur diminue le plus vite quand $\sin\dfrac{\pi t}{6} = 1$, soit $\dfrac{\pi t}{6} = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi$, $t = 3 + 12k$ : à $3$ h et $15$ h, la vitesse vaut $-\dfrac{\pi}{4} \approx -0{,}79$ m/h, soit une baisse d'environ $79$ cm par heure.
Exercice 7 — Problème en contexte : température d'une journée (Tle)

La température extérieure (en degrés Celsius) $t$ heures après minuit est modélisée sur $[0 \,;\, 24]$ par $T(t) = 15 - 6\cos\left(\dfrac{\pi t}{12}\right)$.

  1. À quelle heure la température est-elle minimale ? maximale ? Donner ces températures.
  2. Pendant quelle plage horaire la température est-elle supérieure ou égale à $18$ °C ?
  3. Calculer $T'(t)$. À quelle heure la température augmente-t-elle le plus vite, et de combien de degrés par heure ?
  4. Un capteur relève $12$ °C. À quelles heures cela peut-il se produire ? (Valeur exacte, puis arrondie au quart d'heure.)
▶ Solution — Exercice 7
  1. $T$ est minimale quand $\cos\dfrac{\pi t}{12} = 1$, soit $t = 0$ (et $t = 24$) : $T = 9$ °C à minuit. Maximale quand $\cos\dfrac{\pi t}{12} = -1$, soit $\dfrac{\pi t}{12} = \pi$, $t = 12$ : $T = 21$ °C à midi.
  2. $T(t) \geqslant 18 \iff -6\cos\dfrac{\pi t}{12} \geqslant 3 \iff \cos\dfrac{\pi t}{12} \leqslant -\dfrac{1}{2} \iff \dfrac{2\pi}{3} \leqslant \dfrac{\pi t}{12} \leqslant \dfrac{4\pi}{3}$ (sur un tour, avec $\dfrac{\pi t}{12} \in [0 \,;\, 2\pi]$), soit $8 \leqslant t \leqslant 16$ : de 8 h à 16 h.
  3. $T'(t) = 6 \times \dfrac{\pi}{12}\sin\dfrac{\pi t}{12} = \dfrac{\pi}{2}\sin\dfrac{\pi t}{12}$. Maximum quand $\sin\dfrac{\pi t}{12} = 1$, soit $t = 6$ : à 6 h, la température augmente de $\dfrac{\pi}{2} \approx 1{,}57$ °C par heure.
  4. $T(t) = 12 \iff \cos\dfrac{\pi t}{12} = \dfrac{1}{2} \iff \dfrac{\pi t}{12} = \dfrac{\pi}{3}$ ou $\dfrac{\pi t}{12} = 2\pi - \dfrac{\pi}{3} = \dfrac{5\pi}{3}$ (dans $[0 \,;\, 2\pi]$), soit $t = 4$ ou $t = 20$ : à 4 h et à 20 h exactement.
Erreurs classiques à éviter
ErreurExemple fauxCorrection
Oublier la seconde famille de solutions« $\cos x = \dfrac{1}{2}$ donc $x = \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi$ »aussi $x = -\dfrac{\pi}{3} + 2k\pi$ : deux points du cercle ont le même cosinus
Oublier le $+ 2k\pi$« $\sin x = 1$ donc $x = \dfrac{\pi}{2}$ »$x = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi$, sauf si un intervalle est imposé
Confondre les symétries« $\sin(\pi - x) = -\sin x$ »$\sin(\pi - x) = \sin x$ (symétrie d'axe vertical) ; c'est $\sin(\pi + x)$ qui vaut $-\sin x$
Oublier le coefficient en dérivant« $(\sin(2x))' = \cos(2x)$ »$(\sin(2x))' = 2\cos(2x)$ : dérivée de la fonction intérieure
Calculatrice en degrés« $\cos 1 \approx 0{,}9998$ »en radians, $\cos 1 \approx 0{,}54$ : vérifier le mode avant tout calcul
Exercice 8 — QCM (Tle)

Pour chaque question, une seule réponse est correcte.

  1. Un angle de $150$° mesure, en radians :

    • A. $\dfrac{5\pi}{3}$
    • B. $\dfrac{3\pi}{4}$
    • C. $\dfrac{5\pi}{6}$
    • D. $\dfrac{2\pi}{3}$
  2. Pour tout réel $x$, $\cos(\pi - x)$ est égal à :

    • A. $-\cos x$
    • B. $\cos x$
    • C. $\sin x$
    • D. $-\sin x$
  3. La dérivée de $x \mapsto \sin(3x)$ est :

    • A. $x \mapsto \cos(3x)$
    • B. $x \mapsto -3\cos(3x)$
    • C. $x \mapsto 3\sin(3x)$
    • D. $x \mapsto 3\cos(3x)$
  4. Dans $\mathopen{]}-\pi \,;\, \pi]$, l'équation $\sin x = \dfrac{1}{2}$ a pour solutions :

    • A. $\dfrac{\pi}{6}$ seulement
    • B. $\dfrac{\pi}{6}$ et $\dfrac{5\pi}{6}$
    • C. $\dfrac{\pi}{6}$ et $-\dfrac{\pi}{6}$
    • D. $\dfrac{\pi}{3}$ et $\dfrac{2\pi}{3}$
▶ Solution — Exercice 8
  1. Réponse C. $150 \times \dfrac{\pi}{180} = \dfrac{5\pi}{6}$.

    • A : $\dfrac{5\pi}{3}$ correspond à $300$°.
    • B : $\dfrac{3\pi}{4}$ correspond à $135$°.
    • D : $\dfrac{2\pi}{3}$ correspond à $120$°.
  2. Réponse A. Les points associés à $x$ et $\pi - x$ sont symétriques par rapport à l'axe des ordonnées : même sinus, cosinus opposés.

    • B : c'est $\cos(-x)$ qui vaut $\cos x$.
    • C : c'est $\cos\left(\dfrac{\pi}{2} - x\right)$ qui vaut $\sin x$.
    • D : c'est $\cos\left(\dfrac{\pi}{2} + x\right)$ qui vaut $-\sin x$.
  3. Réponse D. $(\sin(ax))' = a\cos(ax)$ avec $a = 3$.

    • A : le coefficient $3$ de la fonction intérieure a été oublié.
    • B : le signe moins apparaît en dérivant un cosinus, pas un sinus.
    • C : la dérivée de $\sin$ est $\cos$, pas $\sin$.
  4. Réponse B. $\sin x = \sin\dfrac{\pi}{6}$ donne $x = \dfrac{\pi}{6}$ ou $x = \pi - \dfrac{\pi}{6} = \dfrac{5\pi}{6}$.

    • A : la seconde famille de solutions manque.
    • C : $\sin\left(-\dfrac{\pi}{6}\right) = -\dfrac{1}{2}$ ; ce serait la réponse pour une équation en cosinus.
    • D : $\sin\dfrac{\pi}{3} = \dfrac{\sqrt{3}}{2}$, pas $\dfrac{1}{2}$.
Exercice 9 — Vrai ou faux ?

Pour chaque affirmation, dire si elle est vraie ou fausse et justifier :

  1. Pour tout réel $x$, $\cos(x + 2\pi) = \cos x$.
  2. La fonction sinus est paire.
  3. Pour tout réel $x$, $\cos\left(\dfrac{\pi}{2} - x\right) = \sin x$.
  4. L'équation $\cos x = 0$ a pour unique solution $x = \dfrac{\pi}{2}$.
  5. La dérivée de la fonction sinus est $-\cos$.
  6. Pour tout réel $x$, $-1 \leqslant \cos x \leqslant 1$.
  7. La fonction cosinus est décroissante sur $[0 \,;\, \pi]$.
  8. $\sin x = \sin a$ équivaut à $x = a + 2k\pi$ avec $k \in \mathbb{Z}$.
▶ Solution — Exercice 9
  1. Vrai. $x$ et $x + 2\pi$ correspondent au même point du cercle : la fonction cosinus est $2\pi$-périodique.
  2. Faux. $\sin(-x) = -\sin x$ : la fonction sinus est impaire. C'est le cosinus qui est pair.
  3. Vrai. Angles complémentaires : le cosinus de l'un est le sinus de l'autre.
  4. Faux. $\cos x = 0$ pour $x = \dfrac{\pi}{2} + k\pi$, $k \in \mathbb{Z}$ (par exemple $-\dfrac{\pi}{2}$ et $\dfrac{3\pi}{2}$ conviennent).
  5. Faux. $\sin' = \cos$ ; c'est $\cos' = -\sin$ qui comporte un signe moins.
  6. Vrai. $\cos x$ est l'abscisse d'un point du cercle de rayon $1$.
  7. Vrai. Quand $x$ parcourt $[0 \,;\, \pi]$, le point $M$ va de $I$ au point $(-1 \,;\, 0)$ par le haut du cercle et son abscisse décroît de $1$ à $-1$. On peut aussi noter que $\cos' = -\sin \leqslant 0$ sur $[0 \,;\, \pi]$.
  8. Faux. Il manque la seconde famille $x = \pi - a + 2k\pi$. Par exemple $\sin\dfrac{5\pi}{6} = \sin\dfrac{\pi}{6}$ alors que $\dfrac{5\pi}{6} \neq \dfrac{\pi}{6} + 2k\pi$.

Tu bloques sur un exercice ? Consulte la fiche Que faire quand je bloque ?
Tu veux retenir durablement ces méthodes ? Consulte la fiche Mémorisation et sciences cognitives.
Tu fais souvent les mêmes erreurs ? Remplis ton Carnet d'erreurs.