Spécialité maths, Première • Exercices corrigés à Montréal

Exercices corrigés : la trigonométrie (Première spécialité)

Voici une série d'exercices corrigés de spécialité mathématiques sur la trigonométrie, au niveau de la classe de Première du programme français, tel qu'il est suivi au Lycée Marie de France et au Collège Stanislas à Montréal.

Deux réflexes coûtent des points à chaque contrôle : ne donner qu'une seule solution à une équation qui en a deux, et oublier de transformer l'intervalle quand l'inconnue est 2x2x. Les exercices 5 et 7 sont construits sur ces deux points précis.

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Ce chapitre fait partie de Spécialité mathématiques en Première
Avant de commencer Fiche de révision : les pièges et la méthode de ce chapitre

Avant ce chapitre

Ces notions sont supposées acquises ici. Si le premier exercice résiste, le blocage vient presque toujours de l'une d'elles, pas du chapitre lui-même.

Remonter plus loin : la chaîne complète (7 chapitres) ↓

Le chemin de remédiation, du plus ancien au plus proche. Un élève qui reprend ce chapitre de zéro le reprend dans cet ordre.

  1. 1Configurations et trigonométrieSeconde
  2. 2Proportionnalité et pourcentagesCinquième
  3. 3Géométrie de CinquièmeCinquième
  4. 4Pythagore et cosinusQuatrième
  5. 5Thalès et les agrandissementsQuatrième
  6. 6Trigonométrie : sinus et cosinusTroisième
  7. 7Thalès, réciproque et agrandissementsTroisième

Rappel de cours

  • Le radian est la mesure de l'angle qui intercepte un arc de longueur 1 sur le cercle de rayon 1. Conversion : 180=π180^{\circ}=\pi rad, donc 11 rad =180π57,30=\frac{180}{\pi}\approx 57{,}30^{\circ}.
  • Un réel xx est repéré sur le cercle trigonométrique par enroulement de la droite numérique. Le point associé a pour coordonnées (cosx ; sinx)\left(\cos x\ ;\ \sin x\right).
  • La mesure principale d'un angle est l'unique mesure appartenant à ]π ; π]]-\pi\ ;\ \pi]. On l'obtient en ajoutant ou en retranchant un multiple entier de 2π2\pi.
  • Relation fondamentale : cos2x+sin2x=1\cos^{2}x+\sin^{2}x=1, pour tout réel xx. Elle permet de retrouver l'un à partir de l'autre, au signe près, que le quadrant fixe.
  • 1cosx1-1\leq\cos x\leq 1 et 1sinx1-1\leq\sin x\leq 1 : une équation comme sinx=2\sin x=2 n'a aucune solution.
  • Angles associés : cos(x)=cosx\cos(-x)=\cos x et sin(x)=sinx\sin(-x)=-\sin x ; cos(πx)=cosx\cos(\pi-x)=-\cos x et sin(πx)=sinx\sin(\pi-x)=\sin x ; cos(π+x)=cosx\cos(\pi+x)=-\cos x et sin(π+x)=sinx\sin(\pi+x)=-\sin x ; cos(π2x)=sinx\cos\left(\frac{\pi}{2}-x\right)=\sin x et sin(π2x)=cosx\sin\left(\frac{\pi}{2}-x\right)=\cos x.
  • Les fonctions cosinus et sinus sont 2π2\pi-périodiques. Le cosinus est pair, le sinus est impair.
  • Sur un intervalle de longueur 2π2\pi, l'équation cosx=a\cos x=a avec 1<a<1-1<a<1 a exactement deux solutions, et il en va de même pour sinx=a\sin x=a.

Partie A : Les bases (/50)

Exercice 1 : Radians et mesure principale

On rappelle que 180180^{\circ} correspond à π\pi radians. Les réponses en radians sont attendues sous forme exacte.

  • a) Convertissez en radians les angles de 3030^{\circ}, 135135^{\circ} et 210210^{\circ}.
  • b) Convertissez en degrés l'angle de 2π5\frac{2\pi}{5} radians.
  • c) Déterminez la mesure principale de 27π4\frac{27\pi}{4}.
  • d) Déterminez la mesure principale de 31π6-\frac{31\pi}{6}.

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) π6\frac{\pi}{6}, 3π4\frac{3\pi}{4}, 7π6\frac{7\pi}{6}
  • b) 7272^{\circ}
  • c) 3π4\frac{3\pi}{4}
  • d) 5π6\frac{5\pi}{6}

a) Pour passer des degrés aux radians, on multiplie par π180\frac{\pi}{180} : 30=30π180=π630^{\circ}=\frac{30\pi}{180}=\frac{\pi}{6}, 135=135π180=3π4135^{\circ}=\frac{135\pi}{180}=\frac{3\pi}{4} et 210=210π180=7π6210^{\circ}=\frac{210\pi}{180}=\frac{7\pi}{6}. On SIMPLIFIE systématiquement la fraction plutôt que de laisser 135π180\frac{135\pi}{180} : le dénominateur simplifié, ici 44, indique immédiatement en combien de parts le demi-tour est découpé.

b) Dans l'autre sens, on multiplie par 180π\frac{180}{\pi}, ce qui fait disparaître le π\pi : 2π5×180π=2×1805=3605=72\frac{2\pi}{5}\times\frac{180}{\pi}=\frac{2\times 180}{5}=\frac{360}{5}=72^{\circ}. Contrôle de plausibilité : 2π5\frac{2\pi}{5} est un peu plus que π3=60\frac{\pi}{3}=60^{\circ} et moins que π2=90\frac{\pi}{2}=90^{\circ}, et 7272^{\circ} y est bien ✓.

c) La mesure PRINCIPALE est l'unique mesure appartenant à ]π;π]]-\pi\,;\,\pi]. On retranche donc des tours complets, c'est-à-dire des multiples de 2π2\pi, qu'il faut écrire au même dénominateur : 2π=8π42\pi=\frac{8\pi}{4}. On a 27π43×2π=27π424π4=3π4\frac{27\pi}{4}-3\times 2\pi=\frac{27\pi}{4}-\frac{24\pi}{4}=\frac{3\pi}{4}, qui appartient bien à ]π;π]]-\pi\,;\,\pi] ✓. La mesure principale est 3π4\frac{3\pi}{4}.

d) 31π6+3×2π=31π6+36π6=5π6-\frac{31\pi}{6}+3\times 2\pi=-\frac{31\pi}{6}+\frac{36\pi}{6}=\frac{5\pi}{6}, qui appartient à ]π;π]]-\pi\,;\,\pi] ✓. La mesure principale est 5π6\frac{5\pi}{6}. Ajouter un tour de trop donnerait 17π6\frac{17\pi}{6}, hors de l'intervalle : il faut TOUJOURS vérifier l'appartenance à la fin, c'est la seule étape que le correcteur cherche.

Une méthode rapide pour trouver du premier coup le bon nombre de tours : on divise le coefficient de π\pi par 22 et l'on regarde la partie entière. Pour 27π4\frac{27\pi}{4}, on calcule 274×2=3,375\frac{27}{4\times 2}=3{,}375, ce qui annonce trois tours à retrancher ✓. Pour 31π6-\frac{31\pi}{6}, on calcule 316×22,58\frac{-31}{6\times 2}\approx-2{,}58, ce qui annonce environ trois tours à ajouter ✓. Retenons enfin l'ordre de grandeur qui sert de garde-fou permanent : 11 radian vaut environ 57,357{,}3 degrés, donc un angle de quelques radians est déjà un angle considérable.

Exercice 2 : Valeurs remarquables sur le cercle

Donnez les valeurs exactes demandées, en précisant à chaque fois le quadrant du point associé.

-1.5-1-0.50.511.5-1.5-1-0.50.511.5π/6π/4π/35π/6-π/37π/4
  • a) cosπ6\cos\frac{\pi}{6}, sinπ6\sin\frac{\pi}{6}, cosπ4\cos\frac{\pi}{4} et sinπ3\sin\frac{\pi}{3}.
  • b) cos5π6\cos\frac{5\pi}{6} et sin5π6\sin\frac{5\pi}{6}.
  • c) cos(π3)\cos\left(-\frac{\pi}{3}\right) et sin(π3)\sin\left(-\frac{\pi}{3}\right).
  • d) cos7π4\cos\frac{7\pi}{4} et sin7π4\sin\frac{7\pi}{4}.

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) 32\frac{\sqrt{3}}{2}, 12\frac{1}{2}, 22\frac{\sqrt{2}}{2}, 32\frac{\sqrt{3}}{2} (premier quadrant)
  • b) 32-\frac{\sqrt{3}}{2} et 12\frac{1}{2} (deuxième quadrant)
  • c) 12\frac{1}{2} et 32-\frac{\sqrt{3}}{2} (quatrième quadrant)
  • d) 22\frac{\sqrt{2}}{2} et 22-\frac{\sqrt{2}}{2} (quatrième quadrant)

a) Ces quatre valeurs sont celles du PREMIER quadrant et doivent être sues sans hésitation : cosπ6=32\cos\frac{\pi}{6}=\frac{\sqrt{3}}{2}, sinπ6=12\sin\frac{\pi}{6}=\frac{1}{2}, cosπ4=22\cos\frac{\pi}{4}=\frac{\sqrt{2}}{2} et sinπ3=32\sin\frac{\pi}{3}=\frac{\sqrt{3}}{2}. Les deux coordonnées y sont positives. Un moyen de ne pas les confondre : à mesure que l'angle croît de 00 à π2\frac{\pi}{2}, le cosinus DESCEND de 11 à 00 et le sinus MONTE de 00 à 11, donc cosπ6\cos\frac{\pi}{6} est grand et sinπ6\sin\frac{\pi}{6} petit.

b) On écrit 5π6=ππ6\frac{5\pi}{6}=\pi-\frac{\pi}{6}, donc le point est le symétrique de celui de π6\frac{\pi}{6} par rapport à l'axe des ORDONNÉES, dans le deuxième quadrant. L'abscisse change de signe et l'ordonnée est conservée : cos5π6=cosπ6=32\cos\frac{5\pi}{6}=-\cos\frac{\pi}{6}=-\frac{\sqrt{3}}{2} et sin5π6=sinπ6=12\sin\frac{5\pi}{6}=\sin\frac{\pi}{6}=\frac{1}{2}.

c) Le point associé à π3-\frac{\pi}{3} est le symétrique de celui de π3\frac{\pi}{3} par rapport à l'axe des ABSCISSES, donc dans le quatrième quadrant. L'abscisse est conservée et l'ordonnée change de signe : cos(π3)=cosπ3=12\cos\left(-\frac{\pi}{3}\right)=\cos\frac{\pi}{3}=\frac{1}{2} et sin(π3)=sinπ3=32\sin\left(-\frac{\pi}{3}\right)=-\sin\frac{\pi}{3}=-\frac{\sqrt{3}}{2}.

d) On écrit 7π4=2ππ4\frac{7\pi}{4}=2\pi-\frac{\pi}{4}, ce qui revient au même que π4-\frac{\pi}{4} à un tour près : le point est le symétrique de celui de π4\frac{\pi}{4} par rapport à l'axe des abscisses, dans le quatrième quadrant. Donc cos7π4=22\cos\frac{7\pi}{4}=\frac{\sqrt{2}}{2} et sin7π4=22\sin\frac{7\pi}{4}=-\frac{\sqrt{2}}{2}.

La méthode est unique et il ne faut jamais s'en écarter : on ramène l'angle à son ANGLE DE RÉFÉRENCE du premier quadrant, on lit la valeur qu'on connaît par cœur, puis on lui applique le signe du QUADRANT. Le signe ne vient donc jamais du calcul, il vient de la position du point sur le cercle. Un moyen mnémotechnique classique, en parcourant les quadrants dans l'ordre : tout est positif au premier, seul le sinus au deuxième, seule la tangente au troisième, seul le cosinus au quatrième. Mais un cercle dessiné en marge vaut mieux que ce moyen mnémotechnique, car il donne aussi les valeurs et pas seulement les signes.

Exercice 3 : Les angles associés

Soit xx un réel de l'intervalle ]0 ; π2[\left]0\ ;\ \frac{\pi}{2}\right[ tel que cosx=35\cos x=\frac{3}{5}.

  • a) Déterminez sinx\sin x en justifiant le signe.
  • b) Calculez cos(x)\cos(-x) et sin(x)\sin(-x).
  • c) Calculez cos(πx)\cos(\pi-x) et sin(πx)\sin(\pi-x).
  • d) Calculez cos(π2x)\cos\left(\frac{\pi}{2}-x\right), sin(π2x)\sin\left(\frac{\pi}{2}-x\right) et cos(π+x)\cos(\pi+x).

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) sinx=45\sin x=\frac{4}{5}
  • b) 35\frac{3}{5} et 45-\frac{4}{5}
  • c) 35-\frac{3}{5} et 45\frac{4}{5}
  • d) 45\frac{4}{5}, 35\frac{3}{5} et 35-\frac{3}{5}

a) La relation fondamentale cos2x+sin2x=1\cos^{2}x+\sin^{2}x=1 donne sin2x=1(35)2=1925=1625\sin^{2}x=1-\left(\frac{3}{5}\right)^{2}=1-\frac{9}{25}=\frac{16}{25}, donc sinx=±45\sin x=\pm\frac{4}{5}. Il reste à TRANCHER le signe, ce que le calcul ne fait jamais : comme xx appartient à ]0;π2[\left]0\,;\,\frac{\pi}{2}\right[, le point est dans le premier quadrant et son ordonnée est positive, donc sinx=45\sin x=\frac{4}{5}. On reconnaît au passage le triplet (3;4;5)(3\,;\,4\,;\,5), ce qui est le signe que l'énoncé a choisi ses nombres.

b) Le cosinus est PAIR et le sinus IMPAIR, ce qui se lit directement sur le cercle : les points associés à xx et à x-x sont symétriques par rapport à l'axe des abscisses, donc de même abscisse et d'ordonnées opposées. D'où cos(x)=cosx=35\cos(-x)=\cos x=\frac{3}{5} et sin(x)=sinx=45\sin(-x)=-\sin x=-\frac{4}{5}.

c) Le point associé à πx\pi-x est le symétrique de celui de xx par rapport à l'axe des ORDONNÉES : l'abscisse change de signe, l'ordonnée est conservée. Donc cos(πx)=cosx=35\cos(\pi-x)=-\cos x=-\frac{3}{5} et sin(πx)=sinx=45\sin(\pi-x)=\sin x=\frac{4}{5}.

d) Le point associé à π2x\frac{\pi}{2}-x est le symétrique de celui de xx par rapport à la première BISSECTRICE, ce qui ÉCHANGE les deux coordonnées : cos(π2x)=sinx=45\cos\left(\frac{\pi}{2}-x\right)=\sin x=\frac{4}{5} et sin(π2x)=cosx=35\sin\left(\frac{\pi}{2}-x\right)=\cos x=\frac{3}{5}. Enfin le point associé à π+x\pi+x est le symétrique de celui de xx par rapport à l'ORIGINE, les deux coordonnées changeant de signe : cos(π+x)=cosx=35\cos(\pi+x)=-\cos x=-\frac{3}{5}.

Il vaut infiniment mieux retenir les quatre SYMÉTRIES que les huit formules qu'elles produisent, car une symétrie se redessine en trois secondes alors qu'une formule mal mémorisée se recopie fausse. Le tableau se résume ainsi : x-x est la symétrie par rapport à l'axe des abscisses, πx\pi-x celle par rapport à l'axe des ordonnées, π+x\pi+x celle par rapport à l'origine, et π2x\frac{\pi}{2}-x celle par rapport à la bissectrice, seule à échanger les coordonnées au lieu d'en changer le signe. Une vérification globale gratuite : toutes les valeurs trouvées doivent avoir pour valeur absolue soit 35\frac{3}{5} soit 45\frac{4}{5}, et c'est bien le cas ✓.

Exercice 4 : Utiliser la relation fondamentale

La relation cos2x+sin2x=1\cos^{2}x+\sin^{2}x=1 sert autant à calculer qu'à simplifier.

  • a) On sait que sinx=513\sin x=-\frac{5}{13} et que x]π2 ; 0[x\in\left]-\frac{\pi}{2}\ ;\ 0\right[. Calculez cosx\cos x.
  • b) On sait que sinx=0,6\sin x=0{,}6 et que x]π2 ; π[x\in\left]\frac{\pi}{2}\ ;\ \pi\right[. Calculez cosx\cos x.
  • c) Simplifiez A=cos4xsin4xA=\cos^{4}x-\sin^{4}x.
  • d) Démontrez que (cosx+sinx)2=1+2cosxsinx\left(\cos x+\sin x\right)^{2}=1+2\cos x\sin x, puis calculez cosxsinx\cos x\sin x sachant que cosx+sinx=12\cos x+\sin x=\frac{1}{2}.

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) cosx=1213\cos x=\frac{12}{13}
  • b) cosx=0,8\cos x=-0{,}8
  • c) A=cos2xsin2x=2cos2x1A=\cos^{2}x-\sin^{2}x=2\cos^{2}x-1
  • d) cosxsinx=38\cos x\sin x=-\frac{3}{8}

a) cos2x=1(513)2=125169=144169\cos^{2}x=1-\left(-\frac{5}{13}\right)^{2}=1-\frac{25}{169}=\frac{144}{169}, donc cosx=±1213\cos x=\pm\frac{12}{13}. Le signe se décide par le quadrant : sur ]π2;0[\left]-\frac{\pi}{2}\,;\,0\right[ le point est dans le QUATRIÈME quadrant, où le cosinus est positif, donc cosx=1213\cos x=\frac{12}{13}. On reconnaît le triplet (5;12;13)(5\,;\,12\,;\,13).

b) cos2x=10,62=10,36=0,64\cos^{2}x=1-0{,}6^{2}=1-0{,}36=0{,}64, donc cosx=±0,8\cos x=\pm 0{,}8. Sur ]π2;π[\left]\frac{\pi}{2}\,;\,\pi\right[ le point est dans le DEUXIÈME quadrant, où le cosinus est négatif : cosx=0,8\cos x=-0{,}8. Les deux premières questions donnent la même leçon sous deux habillages : le carré efface le signe, et seul le quadrant le restitue.

c) On reconnaît une différence de carrés, en voyant cos4x\cos^{4}x comme (cos2x)2\left(\cos^{2}x\right)^{2} : A=(cos2xsin2x)(cos2x+sin2x)=cos2xsin2xA=\left(\cos^{2}x-\sin^{2}x\right)\left(\cos^{2}x+\sin^{2}x\right)=\cos^{2}x-\sin^{2}x, puisque le second facteur vaut 11. On peut aller plus loin en remplaçant sin2x\sin^{2}x par 1cos2x1-\cos^{2}x : A=cos2x1+cos2x=2cos2x1A=\cos^{2}x-1+\cos^{2}x=2\cos^{2}x-1. Les deux écritures sont acceptées, et la seconde a l'avantage de ne faire intervenir qu'une seule fonction.

d) En développant le carré : (cosx+sinx)2=cos2x+2cosxsinx+sin2x=(cos2x+sin2x)+2cosxsinx=1+2cosxsinx\left(\cos x+\sin x\right)^{2}=\cos^{2}x+2\cos x\sin x+\sin^{2}x=\left(\cos^{2}x+\sin^{2}x\right)+2\cos x\sin x=1+2\cos x\sin x ✓. Si maintenant cosx+sinx=12\cos x+\sin x=\frac{1}{2}, alors 14=1+2cosxsinx\frac{1}{4}=1+2\cos x\sin x, d'où 2cosxsinx=141=342\cos x\sin x=\frac{1}{4}-1=-\frac{3}{4} et cosxsinx=38\cos x\sin x=-\frac{3}{8}. Le produit étant NÉGATIF, on en déduit sans autre calcul que cosx\cos x et sinx\sin x sont de signes contraires, donc que le point est dans le deuxième ou le quatrième quadrant.

La relation fondamentale sert donc à trois choses distinctes, et il faut savoir laquelle on emploie. Elle sert à CALCULER l'une des deux coordonnées à partir de l'autre, comme en a) et b), à condition de trancher le signe par le quadrant. Elle sert à SIMPLIFIER une expression en faisant disparaître un bloc, comme en c) où cos2x+sin2x\cos^{2}x+\sin^{2}x s'évapore. Et elle sert à RELIER somme et produit, comme en d), exactement comme les relations coefficients-racines du second degré relient x1+x2x_{1}+x_{2} et x1x2x_{1}x_{2}. Un contrôle de vraisemblance pour finir : le produit cosxsinx\cos x\sin x ne peut jamais sortir de [12;12]\left[-\frac{1}{2}\,;\,\frac{1}{2}\right], et 38-\frac{3}{8} y est bien ✓.

Exercice 5 : Résoudre une équation trigonométrique

Résolvez sur l'intervalle indiqué. Pensez à représenter le cercle trigonométrique : une équation en cosinus ou en sinus a presque toujours deux solutions par tour.

  • a) cosx=22\cos x=\frac{\sqrt{2}}{2} sur ]π ; π]]-\pi\ ;\ \pi].
  • b) sinx=12\sin x=\frac{1}{2} sur [0 ; 2π[[0\ ;\ 2\pi[.
  • c) cosx=1\cos x=-1 sur ]π ; π]]-\pi\ ;\ \pi].
  • d) sinx=2\sin x=2 sur R\mathbb{R}.

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) S={π4;π4}S=\left\{-\frac{\pi}{4};\frac{\pi}{4}\right\}
  • b) S={π6;5π6}S=\left\{\frac{\pi}{6};\frac{5\pi}{6}\right\}
  • c) S={π}S=\{\pi\}
  • d) S=S=\varnothing

a) On cherche les points du cercle d'ABSCISSE 22\frac{\sqrt{2}}{2}. Il y en a deux, symétriques par rapport à l'axe des abscisses : x=π4x=\frac{\pi}{4} et x=π4x=-\frac{\pi}{4}, tous deux dans ]π;π]]-\pi\,;\,\pi] ✓. Une équation en cosinus a toujours deux solutions symétriques par rapport à l'axe des abscisses, car le cosinus est pair.

b) On cherche cette fois les points d'ORDONNÉE 12\frac{1}{2}, qui sont symétriques par rapport à l'axe des ordonnées : x=π6x=\frac{\pi}{6} et x=ππ6=5π6x=\pi-\frac{\pi}{6}=\frac{5\pi}{6}, tous deux dans [0;2π[[0\,;\,2\pi[ ✓. Ne donner que π6\frac{\pi}{6}, la valeur renvoyée par la calculatrice, fait perdre la moitié des points, et c'est l'erreur la plus fréquente de tout le chapitre.

c) Un SEUL point du cercle a pour abscisse 1-1, c'est le point de coordonnées (1;0)(-1\,;\,0). La solution unique est donc x=πx=\pi. Les cas a=1a=1 et a=1a=-1 sont les seuls où l'équation cosx=a\cos x=a n'a qu'une solution par tour, parce que les deux solutions habituelles s'y confondent : le point est sur l'axe et son symétrique est lui-même.

d) Pour tout réel xx, le point du cercle a une ordonnée comprise entre 1-1 et 11, donc 1sinx1-1\leq\sin x\leq 1. L'équation sinx=2\sin x=2 est ainsi IMPOSSIBLE et l'ensemble des solutions est vide. Ce contrôle d'encadrement doit précéder toute résolution : il coûte deux secondes et évite de chercher une solution qui n'existe pas.

Le comptage des solutions se fait donc AVANT le calcul, et il ne dépend que de la valeur cherchée. Pour cosx=a\cos x=a ou sinx=a\sin x=a sur un intervalle de longueur 2π2\pi : aucune solution si a>1|a|>1, une seule si a=1|a|=1, et exactement deux si a<1|a|<1. Cette prévision sert de contrôle final, car une copie qui annonce une seule solution pour sinx=12\sin x=\frac{1}{2} se contredit elle-même. La différence entre a) et b) mérite enfin d'être notée : pour le cosinus les deux solutions sont OPPOSÉES, xx et x-x ; pour le sinus elles sont SUPPLÉMENTAIRES, xx et πx\pi-x. Confondre les deux est l'autre erreur classique.

Partie B : Niveau contrôle (/50)

Exercice 6 : Parité, périodicité et courbes

On note ff la fonction cosinus et gg la fonction sinus, définies sur R\mathbb{R}.

  • a) Démontrez, à l'aide du cercle trigonométrique, que ff est paire et que gg est impaire. Que peut-on en déduire pour leurs courbes ?
  • b) Calculez cos(2026π)\cos(2026\pi) et sin(2026π)\sin(2026\pi) en justifiant.
  • c) Donnez le sens de variation de ff sur [0 ; 2π][0\ ;\ 2\pi].
  • d) Expliquez pourquoi l'étude de ff sur [0 ; π][0\ ;\ \pi] suffit à connaître ff sur R\mathbb{R} tout entier.

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) Cosinus pair (symétrie d'axe (Oy)(Oy)), sinus impair (symétrie de centre OO)
  • b) cos(2026π)=1\cos(2026\pi)=1, sin(2026π)=0\sin(2026\pi)=0
  • c) Décroissante sur [0;π][0;\pi], croissante sur [π;2π][\pi;2\pi]
  • d) La périodicité ramène à [π;π][-\pi;\pi], la parité à [0;π][0;\pi]

a) Les points associés à xx et à x-x sont symétriques par rapport à l'axe des abscisses. Ils ont donc la MÊME abscisse et des ordonnées OPPOSÉES : cos(x)=cosx\cos(-x)=\cos x, ce qui signifie que ff est paire, et sin(x)=sinx\sin(-x)=-\sin x, ce qui signifie que gg est impaire. Sur les courbes, cela se traduit par une symétrie par rapport à l'axe des ordonnées pour ff, et par rapport à l'origine pour gg.

b) L'entier 20262026 est PAIR, donc 2026π=1013×2π2026\pi=1013\times 2\pi est un nombre entier de tours complets. Par 2π2\pi-périodicité, on revient exactement au point de départ : cos(2026π)=cos0=1\cos(2026\pi)=\cos 0=1 et sin(2026π)=sin0=0\sin(2026\pi)=\sin 0=0. Si l'entier avait été impair, on serait retombé sur π\pi et les réponses auraient été 1-1 et 00. La parité de l'entier est donc la seule chose à regarder.

c) Quand xx parcourt [0;π][0\,;\,\pi], le point tourne du point (1;0)(1\,;\,0) au point (1;0)(-1\,;\,0) en passant par le HAUT, et son abscisse diminue continûment : ff est décroissante de 11 à 1-1. Quand xx parcourt [π;2π][\pi\,;\,2\pi], le point revient par le bas et son abscisse remonte de 1-1 à 11 : ff est croissante. Le tableau comporte donc exactement deux plages sur une période.

d) La PÉRIODICITÉ ramène l'étude de R\mathbb{R} tout entier à un intervalle de longueur 2π2\pi, par exemple [π;π][-\pi\,;\,\pi], puisque tout réel s'y ramène en retranchant des tours. La PARITÉ ramène ensuite [π;0][-\pi\,;\,0] à [0;π][0\,;\,\pi], par symétrie. Les deux propriétés combinées réduisent donc l'étude à un intervalle de longueur π\pi, soit la moitié d'une période et un quart de ce que l'on aurait dû faire sans elles.

Ce raisonnement de réduction est l'un des plus rentables du programme, et il se rejoue à l'identique pour le sinus, à ceci près que l'imparité y remplace la parité et impose de changer le signe des valeurs. Notons enfin une conséquence pratique de b) qui déroute souvent : cos(2026π)\cos(2026\pi) n'exige aucune calculatrice, alors que cos(2026)\cos(2026), sans le π\pi, en exige une et vaut environ 0,947-0{,}947. Une expression contenant π\pi se ramène presque toujours à une valeur exacte du cercle ; une expression sans π\pi presque jamais.

Exercice 7 : Transformer l'intervalle avant de résoudre

Quand l'inconnue apparaît sous la forme 2x2x, ou quand l'équation se factorise, la première étape n'est jamais le calcul.

  • a) Résolvez cos(2x)=12\cos(2x)=\frac{1}{2} sur [0 ; 2π[[0\ ;\ 2\pi[.
  • b) Résolvez 2sinx1=02\sin x-1=0 sur ]π ; π]]-\pi\ ;\ \pi].
  • c) Résolvez cos2x=14\cos^{2}x=\frac{1}{4} sur [0 ; 2π[[0\ ;\ 2\pi[.
  • d) Résolvez sinx=cosx\sin x=\cos x sur [0 ; 2π[[0\ ;\ 2\pi[.

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) π6\frac{\pi}{6}, 5π6\frac{5\pi}{6}, 7π6\frac{7\pi}{6}, 11π6\frac{11\pi}{6}
  • b) π6\frac{\pi}{6} et 5π6\frac{5\pi}{6}
  • c) π3\frac{\pi}{3}, 2π3\frac{2\pi}{3}, 4π3\frac{4\pi}{3}, 5π3\frac{5\pi}{3}
  • d) π4\frac{\pi}{4} et 5π4\frac{5\pi}{4}

a) On pose X=2xX=2x, et surtout on TRANSFORME l'intervalle en même temps : quand xx parcourt [0;2π[[0\,;\,2\pi[, la variable XX parcourt [0;4π[[0\,;\,4\pi[, soit DEUX tours. L'équation cosX=12\cos X=\frac{1}{2} y admet donc quatre solutions, les deux du premier tour et leurs images au second : π3\frac{\pi}{3}, 5π3\frac{5\pi}{3}, puis π3+2π=7π3\frac{\pi}{3}+2\pi=\frac{7\pi}{3} et 5π3+2π=11π3\frac{5\pi}{3}+2\pi=\frac{11\pi}{3}. En divisant par 22 : x=π6x=\frac{\pi}{6}, 5π6\frac{5\pi}{6}, 7π6\frac{7\pi}{6} et 11π6\frac{11\pi}{6}. Quatre solutions, pas deux : c'est l'intervalle doublé qui les produit, et oublier de le doubler en fait perdre la moitié.

b) L'équation équivaut à sinx=12\sin x=\frac{1}{2}, dont les solutions sur ]π;π]]-\pi\,;\,\pi] sont x=π6x=\frac{\pi}{6} et x=ππ6=5π6x=\pi-\frac{\pi}{6}=\frac{5\pi}{6}, toutes deux dans l'intervalle ✓. Ici l'inconnue est xx seul, il n'y a donc aucun intervalle à transformer.

c) L'équation cos2x=14\cos^{2}x=\frac{1}{4} équivaut à cosx=12\cos x=\frac{1}{2} OU cosx=12\cos x=-\frac{1}{2}, un carré ayant deux racines carrées opposées. Le premier cas donne x=π3x=\frac{\pi}{3} et x=2ππ3=5π3x=2\pi-\frac{\pi}{3}=\frac{5\pi}{3}, le second x=2π3x=\frac{2\pi}{3} et x=4π3x=\frac{4\pi}{3}. Il y a donc QUATRE solutions. N'écrire que cosx=12\cos x=\frac{1}{2} en oubliant la racine négative est l'erreur classique de cette question.

d) Si cosx\cos x était nul, alors sinx\sin x vaudrait ±1\pm 1 et l'égalité serait impossible : aucune solution n'est perdue en divisant par cosx\cos x. L'équation devient alors sinxcosx=1\frac{\sin x}{\cos x}=1, c'est-à-dire que le point du cercle a ses deux coordonnées ÉGALES. Cela se produit exactement sur la première bissectrice, en x=π4x=\frac{\pi}{4} et x=5π4x=\frac{5\pi}{4}, l'un dans le premier quadrant avec deux coordonnées positives, l'autre dans le troisième avec deux coordonnées négatives.

Le point commun aux quatre questions est qu'AUCUNE ne commence par un calcul. En a) on transforme l'intervalle, en b) on isole, en c) on factorise mentalement en deux cas, en d) on justifie une division avant de l'effectuer. La règle générale à retenir pour a) : une équation en cos(kx)\cos(kx) posée sur un intervalle de longueur \ell revient à une équation en cosX\cos X sur un intervalle kk fois plus long, donc à 2k2k solutions en général. Le contrôle final consiste toujours à COMPTER les solutions attendues, puis à vérifier qu'on en a bien ce nombre, ici quatre en a) et en c), deux en b) et en d).

Exercice 8 : Un point mobile sur le cercle

Dans un repère orthonormé, un point MM part du point de coordonnées (1 ; 0)(1\ ;\ 0) et parcourt le cercle trigonométrique dans le sens direct à la vitesse constante de 1 radian par seconde.

Après tt secondes, MM a donc pour coordonnées (cost ; sint)\left(\cos t\ ;\ \sin t\right). Les valeurs numériques seront arrondies au millième.

-1.5-1-0.50.511.5-1.5-1-0.50.511.5departM2 rad
  • a) Donnez les coordonnées de MM après 2 secondes, et précisez son quadrant.
  • b) Au bout de combien de temps MM atteint-il pour la première fois le point de coordonnées (0 ; 1)(0\ ;\ 1) ?
  • c) Combien de tours complets MM a-t-il effectués au bout de 10 secondes ?
  • d) Donnez la mesure principale de l'angle parcouru en 10 secondes, et le quadrant où se trouve alors MM.

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) (0,416;0,909)(-0{,}416\,;0{,}909), deuxième quadrant
  • b) π21,571\frac{\pi}{2}\approx 1{,}571 s
  • c) 11 tour complet
  • d) 104π2,56610-4\pi\approx-2{,}566, troisième quadrant

a) Après 22 secondes, l'angle parcouru vaut 22 radians et MM a pour coordonnées (cos2;sin2)(0,416;0,909)\left(\cos 2\,;\,\sin 2\right)\approx\left(-0{,}416\,;\,0{,}909\right). L'abscisse est négative et l'ordonnée positive : MM est dans le DEUXIÈME quadrant. C'est cohérent, car 22 radians est compris entre π21,571\frac{\pi}{2}\approx 1{,}571 et π3,142\pi\approx 3{,}142, ce qui est précisément la définition du deuxième quadrant. Ce contrôle par encadrement vaut mieux que la lecture des signes, qu'il permet de prédire.

b) Le point (0;1)(0\,;\,1) est le sommet du cercle, atteint après un quart de tour, soit un angle de π2\frac{\pi}{2} radians. À la vitesse de 11 radian par seconde, l'angle en radians et le temps en secondes coïncident numériquement, donc il faut π21,571\frac{\pi}{2}\approx 1{,}571 seconde. La première fois, car MM y repassera ensuite toutes les 2π6,2832\pi\approx 6{,}283 secondes.

c) Un tour complet correspond à 2π6,2832\pi\approx 6{,}283 radians. En 1010 secondes, MM a parcouru 1010 radians, soit 102π1,592\frac{10}{2\pi}\approx 1{,}592 tour. Le nombre de tours COMPLETS est donc 11, et MM a entamé le suivant sans l'achever. La partie décimale, 0,5920{,}592 tour, est ce qui reste à convertir en angle.

d) On retranche des tours entiers tant que le résultat n'appartient pas à ]π;π]]-\pi\,;\,\pi]. D'abord 102π3,71710-2\pi\approx 3{,}717, encore supérieur à π3,142\pi\approx 3{,}142, donc insuffisant ; puis 104π2,56610-4\pi\approx-2{,}566, qui convient ✓. Ce nombre est compris entre π-\pi et π2-\frac{\pi}{2} : MM se trouve donc dans le TROISIÈME quadrant, ce que confirment cos100,839\cos 10\approx-0{,}839 et sin100,544\sin 10\approx-0{,}544, tous deux négatifs ✓.

La question d) illustre un piège d'arithmétique qui coûte des points chaque année : après avoir constaté à la question c) qu'il y a 11 tour complet, on est tenté de retrancher UN seul tour, ce qui donne 3,7173{,}717, hors de l'intervalle principal. La raison est que la mesure principale n'est pas celle qui reste après les tours complets, mais celle qui tombe dans ]π;π]]-\pi\,;\,\pi], intervalle CENTRÉ sur zéro et non commençant à zéro. Un angle de 0,5920{,}592 tour dépasse le demi-tour, il vaut donc mieux le compter comme 0,408-0{,}408 tour dans l'autre sens. Cet exercice fait aussi le pont avec la physique : un mouvement circulaire uniforme de vitesse angulaire ω\omega donne un point de coordonnées (Rcos(ωt);Rsin(ωt))\left(R\cos(\omega t)\,;\,R\sin(\omega t)\right), ce que l'exercice 10 exploitera sur une grande roue.

Exercice 9 : Quatre erreurs à corriger

Chacune des affirmations suivantes est fausse. Corrigez-la et donnez un contre-exemple chiffré.

  • a) « cos(πx)=cosx\cos(\pi-x)=\cos x. »
  • b) « Puisque cos2x+sin2x=1\cos^{2}x+\sin^{2}x=1, on a cosx+sinx=1\cos x+\sin x=1. »
  • c) « L'équation sinx=0,5\sin x=0{,}5 admet exactement une solution dans [0 ; 2π[[0\ ;\ 2\pi[. »
  • d) « Un angle de 2 radians mesure environ 2 degrés. »

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a)
b)
c)
d)
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Réponses

  • a) cos(πx)=cosx\cos(\pi-x)=-\cos x ; cos2π3=12\cos\frac{2\pi}{3}=-\frac{1}{2}
  • b) cosπ4+sinπ4=21\cos\frac{\pi}{4}+\sin\frac{\pi}{4}=\sqrt{2}\neq 1
  • c) Deux solutions : π6\frac{\pi}{6} et 5π6\frac{5\pi}{6}
  • d) 22 rad 114,59\approx 114{,}59^{\circ}

a) Faux : la bonne relation est cos(πx)=cosx\cos(\pi-x)=-\cos x. Le point associé à πx\pi-x est le symétrique de celui de xx par rapport à l'axe des ORDONNÉES, donc son abscisse change de signe, tandis que son ordonnée est conservée, d'où sin(πx)=sinx\sin(\pi-x)=\sin x. Contre-exemple avec x=π3x=\frac{\pi}{3} : cos2π3=12\cos\frac{2\pi}{3}=-\frac{1}{2} alors que cosπ3=12\cos\frac{\pi}{3}=\frac{1}{2}, les deux valeurs sont opposées et non égales. La confusion vient probablement avec la relation vraie cos(x)=cosx\cos(-x)=\cos x, qui porte sur une symétrie différente.

b) Faux : c'est la somme des CARRÉS qui vaut 11, pas la somme. On a en réalité (cosx+sinx)2=1+2cosxsinx\left(\cos x+\sin x\right)^{2}=1+2\cos x\sin x, comme l'a établi l'exercice 4, quantité qui varie entre 00 et 22 : la somme cosx+sinx\cos x+\sin x parcourt donc tout l'intervalle [2;2]\left[-\sqrt{2}\,;\,\sqrt{2}\right]. Contre-exemple avec x=π4x=\frac{\pi}{4} : cosx+sinx=22+22=21,414\cos x+\sin x=\frac{\sqrt{2}}{2}+\frac{\sqrt{2}}{2}=\sqrt{2}\approx 1{,}414, ce qui est bien différent de 11.

c) Faux : il y en a DEUX, π6\frac{\pi}{6} et 5π6\frac{5\pi}{6}, symétriques par rapport à l'axe des ordonnées. La calculatrice n'en renvoie qu'une, celle qui appartient à [π2;π2]\left[-\frac{\pi}{2}\,;\,\frac{\pi}{2}\right], car la fonction arcsinus est définie ainsi : c'est à l'élève de produire l'autre. La règle générale, rappelée à l'exercice 5, est qu'il y a deux solutions par tour dès que la valeur cherchée est strictement comprise entre 1-1 et 11.

d) Faux, et l'écart est énorme. Comme π\pi radians valent 180180^{\circ}, un radian vaut 180π57,30\frac{180}{\pi}\approx 57{,}30^{\circ}, donc 22 radians valent environ 114,59114{,}59^{\circ}. Un angle de 22 radians est donc OBTUS, presque un angle plat, alors qu'un angle de 22^{\circ} est presque nul. La confusion vient de ce que les deux unités portent le même nombre sans jamais porter la même mesure.

Ces quatre erreurs se répartissent en deux familles. Les affirmations a) et c) relèvent d'une lecture incomplète du CERCLE : on retient une symétrie pour une autre, ou l'on s'arrête à ce que renvoie la calculatrice. Le remède est unique et tient en un geste : dessiner le cercle en marge de la copie, ce qui prend dix secondes et rend les deux erreurs impossibles. Les affirmations b) et d) relèvent d'une confusion de NATURE, entre une somme et une somme de carrés, puis entre deux unités. Le remède est le contrôle numérique sur une valeur simple, x=π4x=\frac{\pi}{4} pour la première et 11 radian pour la seconde, qui démolit chacune en cinq secondes.

Exercice 10 : Problème de synthèse : la grande roue

Une grande roue de 25 mètres de rayon tourne à vitesse constante dans le sens direct et effectue un tour complet en 12 minutes. Son centre est situé à 30 mètres du sol.

Une nacelle part du point le plus bas de la roue à l'instant t=0t=0. On note h(t)h(t) sa hauteur au-dessus du sol, en mètres, après tt minutes.

  • a) Justifiez que h(t)=3025cos(πt6)h(t)=30-25\cos\left(\frac{\pi t}{6}\right), et vérifiez les hauteurs aux instants t=0t=0 et t=6t=6.
  • b) Calculez la hauteur de la nacelle après 2 minutes.
  • c) Déterminez les instants du premier tour où la nacelle se trouve à la hauteur du centre de la roue.
  • d) Résolvez h(t)42,5h(t)\geq 42{,}5 sur [0 ; 12][0\ ;\ 12] et interprétez le résultat en fraction de tour.

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a)
b)
c)
d)
Ensemble solution ;
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Réponses

  • a) Angle πt6\frac{\pi t}{6}, départ par le bas ; h(0)=5h(0)=5 m, h(6)=55h(6)=55 m
  • b) h(2)=17,5h(2)=17{,}5 m
  • c) t=3t=3 et t=9t=9 min
  • d) t[4;8]t\in[4;8] : un tiers du tour

a) La nacelle décrit un cercle de rayon 2525 mètres dont le centre est à 3030 mètres du sol. Un tour de 2π2\pi radians prenant 1212 minutes, l'angle parcouru après tt minutes vaut 2πt12=πt6\frac{2\pi t}{12}=\frac{\pi t}{6} radians. En partant du point le plus BAS, la hauteur s'obtient en retranchant au centre la projection verticale du rayon, d'où h(t)=3025cos(πt6)h(t)=30-25\cos\left(\frac{\pi t}{6}\right). Le signe moins encode le départ par le bas ; un départ par le haut aurait donné un plus. Vérifications : h(0)=3025×1=5h(0)=30-25\times 1=5 mètres, le point le plus bas ✓, et h(6)=3025cosπ=30+25=55h(6)=30-25\cos\pi=30+25=55 mètres, le point le plus haut, atteint à la demi-période ✓.

b) h(2)=3025cos2π6=3025cosπ3=3025×12=3012,5=17,5h(2)=30-25\cos\frac{2\pi}{6}=30-25\cos\frac{\pi}{3}=30-25\times\frac{1}{2}=30-12{,}5=17{,}5 mètres. La nacelle a donc gagné 12,512{,}5 mètres en deux minutes, soit un sixième de tour.

c) La hauteur du centre est de 3030 mètres. On résout 3025cos(πt6)=3030-25\cos\left(\frac{\pi t}{6}\right)=30, ce qui donne 25cos(πt6)=025\cos\left(\frac{\pi t}{6}\right)=0, soit cos(πt6)=0\cos\left(\frac{\pi t}{6}\right)=0. En posant X=πt6X=\frac{\pi t}{6}, qui parcourt [0;2π][0\,;\,2\pi] quand tt parcourt [0;12][0\,;\,12], on obtient X=π2X=\frac{\pi}{2} ou X=3π2X=\frac{3\pi}{2}, donc t=3t=3 et t=9t=9 minutes. La nacelle passe à hauteur du centre DEUX fois par tour, une fois en montant et une fois en descendant, ce qui est géométriquement évident sur un cercle.

d) h(t)42,5h(t)\geq 42{,}5 équivaut à 25cos(πt6)12,5-25\cos\left(\frac{\pi t}{6}\right)\geq 12{,}5, soit, en divisant par 25-25 ce qui INVERSE le sens, cos(πt6)12\cos\left(\frac{\pi t}{6}\right)\leq-\frac{1}{2}. Avec X=πt6[0;2π]X=\frac{\pi t}{6}\in[0\,;\,2\pi], le cosinus est inférieur ou égal à 12-\frac{1}{2} sur [2π3;4π3]\left[\frac{2\pi}{3}\,;\,\frac{4\pi}{3}\right], donc t[4;8]t\in[4\,;\,8]. La nacelle passe ainsi 44 minutes par tour au-dessus de 42,542{,}5 mètres, soit exactement un TIERS du tour.

Ce dernier résultat surprend et mérite d'être expliqué, car c'est là que se joue la note. La hauteur 42,542{,}5 mètres se situe aux trois quarts de la course entre le point bas et le point haut, et l'on s'attendrait donc à y passer moins du quart du temps. Il s'en faut de beaucoup : la nacelle y passe le tiers du tour, parce que sa vitesse VERTICALE n'est pas constante. Près du sommet, le mouvement circulaire est presque horizontal, la nacelle monte et redescend très lentement, et elle s'y attarde. Près de la hauteur du centre, à l'inverse, le mouvement est presque vertical et le passage est rapide. C'est le même phénomène qui fait s'attarder un pendule à ses positions extrêmes, et il se lit directement sur la courbe du cosinus, plate en ses extremums et raide en son milieu.

Partie C : les classiques (/50)

Exercice 11 : Longueur d'arc et aire d'un secteur

Sur un cercle de rayon rr, un angle au centre de θ\theta radians intercepte un arc de longueur =rθ\ell=r\theta et délimite un secteur d'aire A=r2θ2\mathcal{A}=\frac{r^{2}\theta}{2}.

Ces deux formules simples sont la vraie raison d'être du radian : elles seraient encombrées d'un facteur π180\frac{\pi}{180} en degrés.

  • a) Calculez la longueur de l'arc intercepté par un angle de 1,21{,}2 radian sur un cercle de rayon 55 cm.
  • b) Sur un cercle de rayon 66 cm, quel angle intercepte un arc de 1515 cm ? Donnez-le en radians puis en degrés, au centième.
  • c) Calculez l'aire du secteur d'angle π3\frac{\pi}{3} d'un disque de rayon 44 cm, en valeur exacte puis au centième.
  • d) Deux villes sont situées sur le même méridien, aux latitudes 4545^{\circ} Nord et 3030^{\circ} Nord. En assimilant la Terre à une sphère de rayon 63716\,371 km, calculez la distance qui les sépare le long du méridien, au kilomètre près.
  • e) L'aiguille des minutes d'une horloge mesure 1212 cm. Quelle distance parcourt sa pointe en 2020 minutes ? Donnez la valeur exacte et une valeur au centième.

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) 66 cm
  • b) 2,52{,}5 rad 143,24\approx 143{,}24^{\circ}
  • c) 8π38,38\frac{8\pi}{3}\approx 8{,}38 cm²
  • d) 6371×π1216686\,371\times\frac{\pi}{12}\approx 1\,668 km
  • e) 8π25,138\pi\approx 25{,}13 cm

a) =rθ=5×1,2=6\ell=r\theta=5\times 1{,}2=6 cm. L'angle doit être en RADIANS : c'est la condition d'emploi de la formule.

b) θ=r=156=2,5\theta=\frac{\ell}{r}=\frac{15}{6}=2{,}5 rad. En degrés : 2,5×180π143,242{,}5\times\frac{180}{\pi}\approx 143{,}24^{\circ}. Contrôle : l'arc de 1515 cm est un peu moins de la moitié du périmètre 12π37,712\pi\approx 37{,}7 cm, et l'angle un peu moins de 180180^{\circ} ✓.

c) A=42×π32=16π6=8π38,38\mathcal{A}=\frac{4^{2}\times\frac{\pi}{3}}{2}=\frac{16\pi}{6}=\frac{8\pi}{3}\approx 8{,}38 cm². C'est bien le sixième de l'aire du disque, 16π16\pi, puisque π3\frac{\pi}{3} est le sixième d'un tour.

d) L'écart de latitude est de 1515^{\circ}, soit 15π180=π12\frac{15\pi}{180}=\frac{\pi}{12} rad. La distance est un arc de grand cercle : 6371×π1216686\,371\times\frac{\pi}{12}\approx 1\,668 km. Convertir l'angle en radians AVANT d'appliquer =rθ\ell=r\theta évite la réponse absurde 6371×156\,371\times 15.

e) En 2020 minutes, l'aiguille fait un tiers de tour, soit un angle de 2π3\frac{2\pi}{3} rad. La pointe parcourt 12×2π3=8π25,1312\times\frac{2\pi}{3}=8\pi\approx 25{,}13 cm.

Un radian est l'angle qui intercepte un arc de longueur égale au rayon : c'est pourquoi =rθ\ell=r\theta n'a pas de coefficient. Toute question de longueur d'arc, de vitesse sur un cercle ou de distance sur la Terre commence par une conversion en radians.

Exercice 12 : Toutes les solutions sur ℝ

L'équation cosx=cosa\cos x=\cos a a pour solutions dans R\mathbb{R} les réels x=a+2kπx=a+2k\pi et x=a+2kπx=-a+2k\pi, avec kk entier ; l'équation sinx=sina\sin x=\sin a a pour solutions x=a+2kπx=a+2k\pi et x=πa+2kπx=\pi-a+2k\pi.

  • a) Résolvez dans R\mathbb{R} l'équation cosx=cosπ5\cos x=\cos\frac{\pi}{5}.
  • b) Résolvez dans R\mathbb{R} l'équation sinx=sin2π7\sin x=\sin\frac{2\pi}{7}.
  • c) Combien l'équation cosx=12\cos x=\frac{1}{2} a-t-elle de solutions dans l'intervalle [0;20][0\,;20] ?
  • d) Déterminez la plus petite solution strictement positive de sinx=12\sin x=-\frac{1}{2}.
  • e) À la calculatrice, résolvez cosx=0,3\cos x=0{,}3 sur ]π;π]]-\pi\,;\pi], au millième.

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) x=π5+2kπx=\frac{\pi}{5}+2k\pi ou x=π5+2kπx=-\frac{\pi}{5}+2k\pi
  • b) x=2π7+2kπx=\frac{2\pi}{7}+2k\pi ou x=5π7+2kπx=\frac{5\pi}{7}+2k\pi
  • c) 77 solutions
  • d) 7π6\frac{7\pi}{6}
  • e) x1,266x\approx-1{,}266 ou x1,266x\approx 1{,}266

a) Les solutions sont x=π5+2kπx=\frac{\pi}{5}+2k\pi et x=π5+2kπx=-\frac{\pi}{5}+2k\pi, kZk\in\mathbb{Z}. Deux familles, car deux points du cercle ont la même abscisse.

b) Les solutions sont x=2π7+2kπx=\frac{2\pi}{7}+2k\pi et x=π2π7+2kπ=5π7+2kπx=\pi-\frac{2\pi}{7}+2k\pi=\frac{5\pi}{7}+2k\pi, kZk\in\mathbb{Z}. Écrire 2π7-\frac{2\pi}{7} pour la seconde famille confondrait le sinus avec le cosinus : sin(2π7)=sin2π7\sin\left(-\frac{2\pi}{7}\right)=-\sin\frac{2\pi}{7}.

c) 12=cosπ3\frac{1}{2}=\cos\frac{\pi}{3} : les solutions sont π3+2kπ\frac{\pi}{3}+2k\pi et 5π3+2kπ\frac{5\pi}{3}+2k\pi (avec 5π3=π3+2π\frac{5\pi}{3}=-\frac{\pi}{3}+2\pi). Dans [0;20][0\,;20] : π3+2kπ20\frac{\pi}{3}+2k\pi\leq 20 pour k=0,1,2,3k=0,1,2,3, la dernière valant 19π319,90\frac{19\pi}{3}\approx 19{,}90 ; 5π3+2kπ20\frac{5\pi}{3}+2k\pi\leq 20 pour k=0,1,2k=0,1,2, la suivante valant 23π324,1\frac{23\pi}{3}\approx 24{,}1. Il y a 4+3=74+3=7 solutions. L'intervalle couvre 202π3,18\frac{20}{2\pi}\approx 3{,}18 tours : on attendait un peu plus de six solutions, le contrôle est cohérent.

d) 12=sin(π6)-\frac{1}{2}=\sin\left(-\frac{\pi}{6}\right). Les solutions sont π6+2kπ-\frac{\pi}{6}+2k\pi et π+π6+2kπ=7π6+2kπ\pi+\frac{\pi}{6}+2k\pi=\frac{7\pi}{6}+2k\pi. Les valeurs positives les plus petites de chaque famille sont 11π6\frac{11\pi}{6} et 7π6\frac{7\pi}{6} : la plus petite est 7π6\frac{7\pi}{6}.

e) La calculatrice donne arccos(0,3)1,266\arccos(0{,}3)\approx 1{,}266, qui appartient à [0;π][0\,;\pi]. Par parité du cosinus, 1,266-1{,}266 est l'autre solution dans ]π;π]]-\pi\,;\pi]. S={1,266;1,266}S=\{-1{,}266\,;1{,}266\} environ.

Les deux familles viennent des deux symétries déjà vues : axe des abscisses pour le cosinus (aa et a-a), axe des ordonnées pour le sinus (aa et πa\pi-a). Pour compter les solutions dans un intervalle, on écrit les inégalités sur kk famille par famille, puis on vérifie l'ordre de grandeur par le nombre de tours.

Exercice 13 : Distance et aire sur le cercle trigonométrique

Dans un repère orthonormé d'origine OO, on note AA le point (1;0)(1\,;0) et MM le point du cercle trigonométrique associé au réel θ]π;π]\theta\in\,]-\pi\,;\pi], de coordonnées (cosθ;sinθ)(\cos\theta\,;\sin\theta).

  • a) Montrez que AM2=22cosθAM^{2}=2-2\cos\theta.
  • b) Déterminez les valeurs de θ\theta pour lesquelles AM=1AM=1. Quelle figure obtient-on avec OO, AA et MM ?
  • c) Déterminez les valeurs de θ\theta pour lesquelles AM=3AM=\sqrt{3}.
  • d) Pour θ]0;π[\theta\in\,]0\,;\pi[, montrez que l'aire du triangle OAMOAM vaut sinθ2\frac{\sin\theta}{2}, puis donnez l'aire maximale et la valeur de θ\theta correspondante.
  • e) Pour quelles valeurs de θ]0;π[\theta\in\,]0\,;\pi[ cette aire vaut-elle 14\frac{1}{4} ?

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b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) AM2=(cosθ1)2+sin2θ=22cosθAM^{2}=(\cos\theta-1)^{2}+\sin^{2}\theta=2-2\cos\theta
  • b) θ=±π3\theta=\pm\frac{\pi}{3} : triangle équilatéral
  • c) θ=±2π3\theta=\pm\frac{2\pi}{3}
  • d) Aire sinθ2\frac{\sin\theta}{2}, maximale 12\frac{1}{2} pour θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}
  • e) θ=π6\theta=\frac{\pi}{6} ou θ=5π6\theta=\frac{5\pi}{6}

a) AM2=(cosθ1)2+(sinθ0)2=cos2θ2cosθ+1+sin2θAM^{2}=(\cos\theta-1)^{2}+(\sin\theta-0)^{2}=\cos^{2}\theta-2\cos\theta+1+\sin^{2}\theta. Comme cos2θ+sin2θ=1\cos^{2}\theta+\sin^{2}\theta=1, on obtient AM2=22cosθAM^{2}=2-2\cos\theta.

b) AM=1    22cosθ=1    cosθ=12    θ=π3AM=1\iff 2-2\cos\theta=1\iff\cos\theta=\frac{1}{2}\iff\theta=\frac{\pi}{3} ou θ=π3\theta=-\frac{\pi}{3} sur ]π;π]]-\pi\,;\pi]. Le triangle OAMOAM a alors trois côtés de longueur 11 (OA=OM=1OA=OM=1 comme rayons) : il est ÉQUILATÉRAL, ce qui est cohérent avec l'angle π3=60\frac{\pi}{3}=60^{\circ} en OO.

c) AM=3    22cosθ=3    cosθ=12    θ=2π3AM=\sqrt{3}\iff 2-2\cos\theta=3\iff\cos\theta=-\frac{1}{2}\iff\theta=\frac{2\pi}{3} ou θ=2π3\theta=-\frac{2\pi}{3}. On retrouve le côté du triangle équilatéral inscrit dans le cercle de rayon 11, qui vaut 3\sqrt{3}.

d) On prend [OA][OA] pour base, de longueur 11. La hauteur issue de MM est la distance de MM à l'axe des abscisses, soit sinθ\sin\theta, positif sur ]0;π[]0\,;\pi[. L'aire vaut 1×sinθ2=sinθ2\frac{1\times\sin\theta}{2}=\frac{\sin\theta}{2}. Comme sinθ1\sin\theta\leq 1 avec égalité pour θ=π2\theta=\frac{\pi}{2}, l'aire maximale vaut 12\frac{1}{2}, atteinte quand le triangle est rectangle en OO.

e) sinθ2=14    sinθ=12    θ=π6\frac{\sin\theta}{2}=\frac{1}{4}\iff\sin\theta=\frac{1}{2}\iff\theta=\frac{\pi}{6} ou θ=5π6\theta=\frac{5\pi}{6}, les deux dans ]0;π[]0\,;\pi[. Deux positions de MM, symétriques par rapport à l'axe des ordonnées, donnent la même hauteur donc la même aire.

Les coordonnées (cosθ;sinθ)(\cos\theta\,;\sin\theta) transforment une question de géométrie en équation trigonométrique : une distance fait apparaître le cosinus, par la relation fondamentale, et une hauteur fait apparaître le sinus. Le cercle permet ensuite de lire toutes les solutions, sans en oublier.

Exercice 14 : Les aiguilles d'une horloge

À midi, les deux aiguilles d'une horloge sont superposées sur le chiffre 1212. On mesure les angles en radians, à partir de la direction de 1212, dans le sens de rotation des aiguilles. On note tt le temps écoulé depuis midi, en minutes.

  • a) Quelle est la vitesse angulaire de chaque aiguille, en radians par minute ?
  • b) Exprimez l'angle entre l'aiguille des minutes et celle des heures en fonction de tt, tant que cet angle ne dépasse pas 2π2\pi.
  • c) À quel instant, après midi, les aiguilles sont-elles de nouveau superposées pour la première fois ? Donnez tt au centième de minute et l'heure correspondante.
  • d) Combien de fois les aiguilles se superposent-elles entre midi (exclu) et minuit (inclus) ?
  • e) À quel instant les aiguilles sont-elles perpendiculaires pour la première fois après midi ? Donnez tt au centième.
  • f) L'aiguille des minutes mesure 1010 cm. Dans un repère centré sur l'axe de l'horloge, d'axe des ordonnées dirigé vers 1212 et d'axe des abscisses vers 33, donnez les coordonnées de sa pointe à 1212 h 2020.

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a)
b)
c)
d)
e)
f)
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Réponses

  • a) π30\frac{\pi}{30} et π360\frac{\pi}{360} rad/min
  • b) 11πt360\frac{11\pi t}{360}
  • c) t=7201165,45t=\frac{720}{11}\approx 65{,}45 min, vers 1313 h 0505 min 2727 s
  • d) 1111 fois
  • e) t=1801116,36t=\frac{180}{11}\approx 16{,}36 min
  • f) (53;5)(8,66;5)(5\sqrt{3}\,;-5)\approx(8{,}66\,;-5)

a) L'aiguille des minutes fait un tour, 2π2\pi rad, en 6060 min : 2π60=π30\frac{2\pi}{60}=\frac{\pi}{30} rad/min. L'aiguille des heures fait un tour en 1212 h, soit 720720 min : 2π720=π360\frac{2\pi}{720}=\frac{\pi}{360} rad/min.

b) Après tt minutes, l'aiguille des minutes a tourné de πt30\frac{\pi t}{30} et celle des heures de πt360\frac{\pi t}{360}. L'écart vaut πt30πt360=12πtπt360=11πt360\frac{\pi t}{30}-\frac{\pi t}{360}=\frac{12\pi t-\pi t}{360}=\frac{11\pi t}{360}.

c) Les aiguilles se superposent quand l'écart vaut un tour complet : 11πt360=2π\frac{11\pi t}{360}=2\pi, soit t=7201165,45t=\frac{720}{11}\approx 65{,}45 min. C'est à environ 1313 h 0505 min 2727 s, et non à 1313 h 0505 pile : pendant les cinq minutes, l'aiguille des heures a encore avancé.

d) Les superpositions ont lieu tous les 72011\frac{720}{11} min, donc aux instants 720k11\frac{720k}{11}. Dans ]0;720]]0\,;720], kk va de 11 à 1111 : 1111 superpositions, la dernière à minuit. On en compte 1111 et non 1212, parce que l'aiguille des minutes ne fait que 1111 tours de PLUS que l'aiguille des heures en douze heures.

e) L'écart vaut π2\frac{\pi}{2} : 11πt360=π2\frac{11\pi t}{360}=\frac{\pi}{2}, soit t=1801116,36t=\frac{180}{11}\approx 16{,}36 min, vers 1212 h 1616 min 2222 s.

f) À 1212 h 2020, l'aiguille des minutes a tourné de π30×20=2π3\frac{\pi}{30}\times 20=\frac{2\pi}{3} depuis la direction de 1212. Avec cet axe vertical de référence, les coordonnées de la pointe sont (10sin2π3;10cos2π3)=(53;5)(8,66;5)\left(10\sin\frac{2\pi}{3}\,;10\cos\frac{2\pi}{3}\right)=(5\sqrt{3}\,;-5)\approx(8{,}66\,;-5). Les rôles de cos\cos et sin\sin sont échangés par rapport au cercle trigonométrique, parce qu'on part de la verticale et qu'on tourne dans le sens horaire : le point est bien en bas à droite, sur le chiffre 44.

Le problème des aiguilles est un problème de POURSUITE : seule compte la vitesse RELATIVE 11π360\frac{11\pi}{360} rad/min, et chaque superposition correspond à un tour d'avance de plus. Les radians rendent les calculs linéaires, et la périodicité fait le reste.

Exercice 15 : La marée dans un port

Dans un port, la hauteur d'eau, en mètres, tt heures après une pleine mer survenue à 66 h du matin, est modélisée par h(t)=4+3cos(πt6,2)h(t)=4+3\cos\left(\frac{\pi t}{6{,}2}\right), pour t[0;12,4]t\in[0\,;12{,}4].

  • a) Calculez la hauteur d'eau à la pleine mer, puis l'instant et la hauteur de la basse mer suivante.
  • b) Justifiez que la fonction hh est périodique de période 12,412{,}4 h. À quelle heure a lieu la pleine mer suivante ?
  • c) Calculez la hauteur d'eau deux heures après la pleine mer, au centième.
  • d) Un voilier a besoin d'au moins 2,52{,}5 m d'eau pour entrer au port. Pendant quelle période de la matinée et du début d'après-midi l'entrée lui est-elle interdite ? Donnez les bornes au centième d'heure, puis en heures et minutes.
  • e) Calculez au centième la baisse de la hauteur d'eau pendant la première heure, puis pendant la troisième heure après la pleine mer. Commentez.

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a)
b)
c)
d)
e)
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Réponses

  • a) Pleine mer 77 m ; basse mer 11 m à t=6,2t=6{,}2 h (1212 h 1212)
  • b) Période 2ππ/6,2=12,4\frac{2\pi}{\pi/6{,}2}=12{,}4 h ; pleine mer suivante à 1818 h 2424
  • c) h(2)5,59h(2)\approx 5{,}59 m
  • d) t]4,13;8,27[t\in\,]4{,}13;8{,}27[ : de 1010 h 0808 à 1414 h 1616 environ
  • e) 0,380{,}38 m puis 1,431{,}43 m : la mer baisse plus vite à mi-marée

a) h(0)=4+3cos0=7h(0)=4+3\cos 0=7 m. La basse mer correspond au minimum du cosinus, 1-1, atteint quand πt6,2=π\frac{\pi t}{6{,}2}=\pi, soit t=6,2t=6{,}2 h, donc à 1212 h 1212 : h(6,2)=43=1h(6{,}2)=4-3=1 m. Le marnage, écart entre pleine et basse mer, vaut 66 m.

b) h(t+12,4)=4+3cos(πt6,2+2π)=h(t)h(t+12{,}4)=4+3\cos\left(\frac{\pi t}{6{,}2}+2\pi\right)=h(t), par 2π2\pi-périodicité du cosinus. La pleine mer suivante a lieu 12,412{,}4 h après la première, soit 1212 h 2424 min plus tard : à 1818 h 2424.

c) h(2)=4+3cos(2π6,2)4+3×0,52995,59h(2)=4+3\cos\left(\frac{2\pi}{6{,}2}\right)\approx 4+3\times 0{,}5299\approx 5{,}59 m. La calculatrice doit être en RADIANS : en degrés, elle donnerait 6,99956{,}9995, une marée qui n'aurait presque pas bougé.

d) L'entrée est interdite quand h(t)<2,5h(t)<2{,}5, soit 3cos(πt6,2)<1,53\cos\left(\frac{\pi t}{6{,}2}\right)<-1{,}5, c'est-à-dire cosX<12\cos X<-\frac{1}{2} avec X=πt6,2[0;2π]X=\frac{\pi t}{6{,}2}\in[0\,;2\pi]. Sur le cercle, cela correspond à X]2π3;4π3[X\in\left]\frac{2\pi}{3}\,;\frac{4\pi}{3}\right[, donc t]2×6,23;4×6,23[t\in\left]\frac{2\times 6{,}2}{3}\,;\frac{4\times 6{,}2}{3}\right[, soit environ ]4,13;8,27[]4{,}13\,;8{,}27[. En heures et minutes, 4,134{,}13 h 4\approx 4 h 0808 et 8,278{,}27 h 8\approx 8 h 1616 : l'entrée est interdite de 1010 h 0808 à 1414 h 1616 environ, pendant 44 h 0808.

e) Première heure : h(0)h(1)=3(1cosπ6,2)0,38h(0)-h(1)=3\left(1-\cos\frac{\pi}{6{,}2}\right)\approx 0{,}38 m. Troisième heure : h(2)h(3)=3(cos2π6,2cos3π6,2)1,43h(2)-h(3)=3\left(\cos\frac{2\pi}{6{,}2}-\cos\frac{3\pi}{6{,}2}\right)\approx 1{,}43 m. La mer baisse près de quatre fois plus vite à mi-marée qu'au début : la courbe du cosinus est plate près de ses extremums et raide au milieu. C'est ce que les marins résument par la règle des douzièmes.

Le modèle est d'abord LU : la constante 44 est le niveau moyen, le coefficient 33 la demi-amplitude, et π6,2\frac{\pi}{6{,}2} fixe la période 2ππ/6,2=12,4\frac{2\pi}{\pi/6{,}2}=12{,}4 h. L'inéquation de d) se résout ensuite comme toute équation trigonométrique : on isole le cosinus, on transforme l'intervalle, et l'on lit la solution sur le cercle.

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