Calcul intégral 201-SN3-RE (ancien 201-NYB) • Complément québécois de Terminale et cégep à Montréal
Fiche de révision : les coordonnées polaires
Cette fiche ne réexplique pas la conversion entre les deux systèmes de coordonnées : elle tient en deux lignes. Elle traite ce qui décide de la note, à savoir la non-unicité de la représentation polaire et ses conséquences sur les intersections, puis les trois facteurs que la formule de l'aire perd le plus souvent.
Elle s'adresse aux étudiants de cégep en Sciences de la nature à Montréal, et aux élèves de Terminale des lycées français qui suivent le complément québécois de mathématiques. La série d'exercices corrigés du même chapitre met ensuite chaque réflexe à l'épreuve.
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Le fil du chapitre
En polaires, r peut être NÉGATIF et l'angle se lit modulo 2π : un même point a une infinité de représentations. C'est de là que viennent toutes les pertes de points du chapitre, à commencer par les intersections que le système d'équations ne donne jamais.
•Conversion : x=rcosθ, y=rsinθ; réciproquement r2=x2+y2 et tanθ=xy, en surveillant le QUADRANT.
•(r,θ) et (r,θ+2kπ) désignent le même point.
•(−r,θ) et (r,θ+π) aussi : un rayon NÉGATIF se lit dans la direction opposée.
•Le PÔLE, origine du repère, s'écrit (0,θ) pour n'importe quel θ : c'est le point le plus ambigu du plan.
La rose r=cos2θ a QUATRE pétales : deux sont tracés par des valeurs positives de r, deux par des valeurs négatives, dans la direction opposée à l'angle.
Cette non-unicité n'est pas une curiosité : elle est la cause directe des deux pièges les plus coûteux du chapitre, les intersections manquées et les boucles comptées deux fois.
Les formules du chapitre, avec leurs facteurs
•AIRE d'un secteur : A=21∫αβ[r(θ)]2dθ. Le 21 ET le carré sont obligatoires.
•Aire ENTRE deux courbes polaires : 21∫(rext2−rint2)dθ, différence des carrés.
•LONGUEUR d'arc : L=∫αβ[r(θ)]2+[r′(θ)]2dθ.
•PENTE de la tangente : dxdy=r′cosθ−rsinθr′sinθ+rcosθ, obtenue en paramétrant par θ.
L'élément d'aire est un SECTEUR d'angle dθ et de rayon r, d'aire 21r2dθ : d'où le demi et le carré.
Le 21 de l'aire vient de l'aire d'un secteur circulaire, 21r2Δθ : la tranche est un triangle mince, pas un rectangle.
Les courbes à reconnaître d'un coup d'œil
•r=a : cercle centré au pôle. θ=α : droite passant par le pôle.
•r=2acosθ : cercle de rayon a centré en (a,0); r=2asinθ : cercle centré en (0,a).
•r=a(1±cosθ) ou a(1±sinθ) : CARDIOÏDE.
•r=acos(nθ) : rose à n pétales si n est IMPAIR, à 2n pétales si n est PAIR.
•r2=a2cos2θ : lemniscate, en forme de huit couché.
Quatre allures à reconnaître sans calcul : cercle centré au pôle, cercle passant par le pôle, cardioïde, rose.
Les pièges qui coûtent des points
Les erreurs ci-dessous sont celles que je corrige le plus souvent en séance. Chacune coûte des points sur une copie, même quand le raisonnement est juste.
1.Refuser un rayon négatif
toute la question de tracé, la moitié des pétales disparaissant
Ce qu'il ne faut pas écrire
« r=cos2θ devient négatif entre 4π et 43π, donc la courbe n'existe pas là. »
Ce qu'il faut écrire
« r<0 signifie que le point se place dans la direction OPPOSÉE à θ : ces valeurs tracent deux pétales supplémentaires. »
Pourquoi : Le rayon polaire est une coordonnée signée, pas une distance. Une rose à quatre pétales tracée avec deux pétales seulement signale exactement cette erreur, et elle se voit au premier regard sur la copie.
2.Oublier le pôle dans une intersection
toute la question, et une aire fausse si le découpage en dépend
Ce qu'il ne faut pas écrire
« 1+cosθ=1−cosθ donne θ=2π et 23π : deux points d'intersection. »
Ce qu'il faut écrire
« Il y en a TROIS : les deux du système, plus le PÔLE, atteint par la première courbe en θ=π et par la seconde en θ=0. »
Les deux cardioïdes se coupent en trois points visibles, mais le système n'en donne que deux : le PÔLE est atteint par chacune à un angle différent, donc il échappe à l'équation.
Pourquoi : Le système d'équations suppose que les deux courbes passent au même point POUR LE MÊME angle. Au pôle, ce n'est pas nécessaire, puisque (0,θ) est le même point pour tout θ. Il faut donc toujours tester le pôle SÉPARÉMENT, en résolvant r=0 pour chaque courbe.
3.Oublier le facteur un demi dans l'aire
toute la question, la réponse étant deux fois trop grande
Ce qu'il ne faut pas écrire
A=∫αβr2dθ
Ce qu'il faut écrire
A=21∫αβr2dθ
Pourquoi : La tranche élémentaire est un secteur circulaire d'aire 21r2Δθ, pas un rectangle. Contrôle immédiat sur le cercle r=a : la formule doit redonner πa2, ce que seule la version avec 21 fait.
4.Oublier le carré dans l'aire
toute la question
Ce qu'il ne faut pas écrire
A=21∫rdθ
Ce qu'il faut écrire
A=21∫r2dθ
Pourquoi : Sans le carré, l'expression n'a même pas la dimension d'une aire : rdθ est une longueur d'arc, pas une surface. Le contrôle dimensionnel suffit à écarter cette version, et il ne coûte rien.
5.Intégrer sur un tour complet là où une boucle suffit
toute la question, le résultat comptant les quatre pétales
Ce qu'il ne faut pas écrire
« Aire d'un pétale de r=cos2θ : 21∫02πcos22θdθ. »
Ce qu'il faut écrire
« Un pétale se parcourt pour θ∈[−4π,4π] : 21∫−π/4π/4cos22θdθ=8π. »
Un pétale de r=cos2θ est décrit pour θ∈[−4π,4π] : c'est là, et seulement là, qu'on intègre.
Pourquoi : Les bornes d'une aire polaire se trouvent en cherchant où r s'annule, c'est-à-dire où la courbe revient au pôle : ce sont ces angles qui délimitent une boucle. Intégrer au-delà recompte des régions déjà parcourues.
6.Se tromper de nombre de pétales
1 à 2 points sur le tracé
Ce qu'il ne faut pas écrire
« r=cos2θ a deux pétales, puisque le coefficient vaut 2. »
Ce qu'il faut écrire
« Coefficient PAIR donne 2n pétales, coefficient IMPAIR en donne n : ici n=2, donc QUATRE pétales. »
cos2θ (coefficient pair) donne quatre pétales, cos3θ (impair) en donne trois : la parité décide.
Pourquoi : La règle vient du signe de r : quand n est impair, la seconde moitié du tour retrace les mêmes pétales avec r<0; quand n est pair, elle en trace de nouveaux. Compter les zéros de r sur un tour donne la réponse sans avoir à retenir la règle.
7.Confondre la pente de la tangente et la dérivée du rayon
toute la question
Ce qu'il ne faut pas écrire
« La tangente a pour pente r′(θ). »
Ce qu'il faut écrire
« dxdy=r′cosθ−rsinθr′sinθ+rcosθ, obtenue en paramétrant x=rcosθ et y=rsinθ. »
Pourquoi : r′(θ) mesure la vitesse d'éloignement au pôle, pas l'inclinaison de la courbe. La pente s'obtient en traitant la courbe comme paramétrée par θ, ce qui fait apparaître deux termes en haut et deux en bas par la règle du produit.
8.Perdre le quadrant en convertissant vers les polaires
toute la question, le point obtenu étant le symétrique par rapport au pôle
Ce qu'il ne faut pas écrire
« x=−1, y=−1 donne tanθ=1, donc θ=4π. »
Ce qu'il faut écrire
« Le point est au TROISIÈME quadrant : θ=45π, et r=2. »
arctanxy=4π vise (1;1) (rouge) ; le point (−1;−1) est au troisième quadrant, en θ=45π (vert).
Pourquoi : La fonction arc tangente ne renvoie que des angles entre −2π et 2π : elle ne distingue pas le premier du troisième quadrant, ni le second du quatrième. Un dessin sommaire du point, avant tout calcul, règle la question.
Quelle méthode choisir
Comment trouver TOUTES les intersections de deux courbes polaires
Le système d'équations ne suffit jamais. Il faut trois vérifications, dans cet ordre.
Si on cherche les intersections « au même angle » → résoudre r1(θ)=r2(θ) sur un tour complet
Exemple : 1+cosθ=1−cosθ donne θ=2π et 23π
Si on cherche si le PÔLE est commun → résoudre r1=0 et r2=0 SÉPARÉMENT; si les deux ont une solution, le pôle est une intersection
Exemple : 1+cosθ=0 en π et 1−cosθ=0 en 0 : le pôle est commun
Si les deux courbes peuvent se rencontrer avec des rayons opposés → résoudre aussi r1(θ)=−r2(θ+π)
Exemple : utile sur les roses et les lemniscates
Si un doute persiste → TRACER les deux courbes : le dessin donne le nombre de points, l'algèbre donne leurs coordonnées
Exemple : trois points visibles pour deux solutions du système signale un pôle oublié
Le dessin n'est pas une preuve mais un compteur : il dit combien de points chercher, ce qui suffit à savoir si le système en a manqué.
Quelles symétries exploiter
Un test de symétrie coûte dix secondes et divise le tracé par deux ou par quatre.
Si remplacer θ par −θ ne change pas r → symétrie par rapport à l'AXE POLAIRE, l'axe des abscisses
Exemple : r=1+cosθ, puisque le cosinus est pair
Si remplacer θ par π−θ ne change pas r → symétrie par rapport à la droite θ=2π, l'axe des ordonnées
Exemple : r=1+sinθ
Si remplacer r par −r, ou θ par θ+π, ne change pas la courbe → symétrie par rapport au PÔLE
Exemple : r2=cos2θ
Si aucun test ne fonctionne → tracer point par point sur un tour, en tabulant r pour les angles remarquables
Exemple : toutes les 12π suffit pour une courbe d'examen
Un test de symétrie qui échoue ne prouve pas l'absence de symétrie : ces tests sont suffisants, pas nécessaires. On peut donc tester les trois sans crainte.
La rédaction attendue
Le correcteur coche des étapes. Les voici dans l'ordre, avec la phrase de conclusion qu'il attend mot pour mot.
Une aire polaire, rédigée pour le correcteur
Quand l'utiliser : Toute question demandant l'aire d'une boucle, d'un pétale ou d'une région entre deux courbes polaires.
1Déterminer les BORNES en résolvant r(θ)=0, ou en cherchant les angles d'intersection.
2Justifier que ces bornes délimitent bien UNE boucle, parcourue une seule fois.
3Écrire la formule complète avec le 21 et le carré.
4Linéariser le carré trigonométrique par les formules de duplication avant d'intégrer.
5Calculer et conclure avec l'unité d'aire.
Phrase de conclusion
L'aire de la cardioïde r=1+cosθ vaut 21∫02π(1+cosθ)2dθ=23π unités d'aire.
Le piège : Intégrer cos2θ sans linéariser. La table ne donne pas cette primitive directement : il faut passer par cos2θ=21+cos2θ, et cette ligne est attendue sur la copie.
Barème : En général 1 point pour les bornes justifiées, 1 point pour la formule complète, 1 point pour la linéarisation, 1 point pour le calcul final.
Vérifier avant de rendre
Cinq minutes de vérification récupèrent plus de points qu'un exercice de plus commencé à la hâte.
Vérifier une aire polaire sur un cercle
Appliquer la formule à r=a constante : elle doit redonner πa2. C'est le contrôle qui attrape le facteur 21 manquant.
21∫02πa2dθ=21a2(2π)=πa2 ✓. Sans le 21, on obtiendrait 2πa2, le double.
Compter les points d'intersection sur le dessin
Tracer sommairement les deux courbes et compter les croisements visibles, puis comparer au nombre de solutions du système.
Trois croisements visibles pour deux solutions algébriques : le pôle a été oublié, comme sur les deux cardioïdes opposées.
Contrôler le nombre de pétales par les zéros de r
Compter les valeurs de θ sur un tour où r s'annule : chaque paire de zéros consécutifs délimite une boucle.
cos2θ s'annule quatre fois sur [0;2π], en 4π, 43π, 45π et 47π : ces quatre zéros découpent le tour en quatre arcs, un par pétale, donc quatre pétales ✓.
Convertir un point trouvé et le replacer
Après avoir obtenu (r,θ), calculer x=rcosθ et y=rsinθ et vérifier que le point tombe dans le bon quadrant.
(2,45π) donne (−1;−1) ✓, troisième quadrant; (2,4π) aurait donné (1;1).
L'exercice type décortiqué
L'aire d'une cardioïde, de la borne à la linéarisation
Calculer l'aire de la région intérieure à la cardioïde r=1+cosθ.
La cardioïde r=1+cosθ atteint son maximum 2 en θ=0 et revient au pôle en θ=π : un tour complet la décrit exactement une fois.
Étape 1
Bornes : r=1+cosθ s'annule seulement en θ=π, et la courbe se referme après un tour complet. On intègre donc de 0 à 2π.
Pourquoi
Justifier que le tour est parcouru UNE seule fois est indispensable : sur une rose à quatre pétales, le même raisonnement conduirait à des bornes bien plus étroites, celles d'un seul pétale, et intégrer sur 2π compterait les quatre pétales au lieu d'un seul.
Étape 2
Symétrie : cos(−θ)=cosθ, donc r(−θ)=r(θ) : la courbe est symétrique par rapport à l'axe polaire. On peut intégrer de 0 à π et DOUBLER.
Pourquoi
Le test coûte dix secondes et divise le travail par deux. Il est facultatif ici mais indispensable sur les courbes où l'intégrale complète est lourde.
Étape 3
A=21∫02π(1+cosθ)2dθ=21∫02π(1+2cosθ+cos2θ)dθ.
Pourquoi
Le 21 et le carré sont écrits avant tout développement : c'est la seule protection contre les deux oublis les plus fréquents du chapitre.
Étape 4
Linéarisation : cos2θ=21+cos2θ, donc l'intégrande devient 23+2cosθ+2cos2θ.
Pourquoi
Aucune table ne donne la primitive de cos2 directement. La formule de duplication est la seule voie, et c'est la ligne que le barème attend explicitement.
Étape 5
Sur [0,2π], ∫cosθdθ=0 et ∫cos2θdθ=0 : il ne reste que 23×2π=3π. Donc A=21(3π)=23π.
Pourquoi
Les deux termes en cosinus s'annulent sur un tour complet, ce qui rend le calcul immédiat. Le remarquer avant d'intégrer économise deux lignes.
Étape 6
Contrôle : la cardioïde est contenue dans le disque de rayon 2, d'aire 4π≈12,57; la réponse 23π≈4,71 en représente un peu plus du tiers, ce qui correspond au dessin ✓.
Pourquoi
Un encadrement par un disque simple attrape le facteur 2 manquant : sans le 21, on aurait trouvé 3π≈9,42, presque toute l'aire du disque, ce qui est visiblement faux.
Conclusion rédigée
L'aire intérieure à la cardioïde r=1+cosθ vaut 23π≈4,71 unités d'aire, soit une fois et demie l'aire du disque unité.
L'erreur classique sur cet exercice : Intégrer (1+cosθ)2 sans linéariser cos2θ, ou pire, écrire (1+cosθ)2=1+cos2θ. Le double produit 2cosθ ne disparaît pas, même s'il finit par s'intégrer à zéro sur un tour complet.
À savoir par cœur
•x=rcosθ, y=rsinθ; et pour la réciproque, surveiller le QUADRANT.
•r peut être NÉGATIF : le point se place dans la direction opposée à θ.
•Le pôle s'écrit (0,θ) pour tout θ : il échappe toujours au système d'intersection.
•Aire : 21∫r2dθ. Le 21 et le carré, tous les deux.
•Bornes d'une boucle : les angles où r s'annule.
•Rose r=acos(nθ) : n pétales si n impair, 2n si n pair.
•Longueur : ∫r2+[r′]2dθ.
•Linéariser cos2 et sin2 avant d'intégrer : la table n'en donne pas la primitive.
Questions fréquentes
Le rayon polaire peut-il être négatif ?
Oui. Un rayon négatif signifie que le point se place dans la direction opposée à l'angle indiqué. C'est ce qui permet à une rose de coefficient pair d'avoir deux fois plus de pétales que son coefficient, la moitié d'entre eux étant tracés avec des valeurs négatives du rayon.
Pourquoi le système d'équations ne donne-t-il pas toutes les intersections ?
Parce qu'il suppose que les deux courbes passent au même point pour le même angle. Or le pôle porte une infinité de noms, un pour chaque angle, donc deux courbes peuvent y passer à des angles différents. Il faut donc résoudre séparément la nullité de chaque rayon pour tester le pôle.
D'où vient le facteur un demi dans l'aire polaire ?
De l'aire d'un secteur circulaire, qui vaut la moitié du carré du rayon multipliée par l'angle. La tranche élémentaire d'une région polaire est un secteur très mince, pas un rectangle. Le contrôle immédiat est d'appliquer la formule à un cercle de rayon constant, qui doit redonner pi fois le rayon au carré.
Comment trouver les bornes d'une aire polaire ?
En cherchant les angles où le rayon s'annule, car c'est là que la courbe revient au pôle et referme une boucle. Pour une aire entre deux courbes, les bornes sont les angles d'intersection. Intégrer au-delà recompte des régions déjà parcourues et double ou quadruple la réponse.
Combien de pétales a une rose polaire ?
Si le coefficient de l'angle est impair, la rose a exactement ce nombre de pétales. S'il est pair, elle en a le double. La raison tient au signe du rayon : avec un coefficient impair, la seconde moitié du tour retrace les mêmes pétales, alors qu'avec un coefficient pair elle en trace de nouveaux.
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Exercices corrigés : Les coordonnées polaires
Une méthode se prouve sur une copie, pas sur une fiche. La série du même chapitre reprend chacun de ces pièges dans un exercice, avec le corrigé rédigé étape par étape.
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