Soit $\alpha$ un nombre réel et soit $M$ le point du cercle trigonométrique d'abscisse curviligne $\alpha$.
Dans le repère orthonormé $(O,\vec{i},\vec{j})$, le cosinus de $\alpha$, noté $\cos(\alpha)$ est l'abscisse de $M$ et le sinus de $\alpha$ noté $\sin`(\alpha)$
est l'ordonnée de $M$, on a:
$\overrightarrow{OM}=\cos(\alpha)\vec{i}+\sin(\alpha)\vec{j}$.
Par définition, $\tan(\alpha)=\displaystyle\frac{\sin(\alpha)}{\cos(\alpha)}$ pour tout $\alpha\not=\frac{\pi}{2}+k\pi$ avec $k\in\mathbb{Z}$.
Interprétation Géomètrique du nombre $\tan(\alpha)$.
La droite $(OT)$ a pour vecteur directeur $\overrightarrow{u}\begin{pmatrix}\cos(\alpha)\\\sin(\alpha)\\ \end{pmatrix}$. Donc l'équation cartésienne de la droite $(OT)$ est:
$\sin(\alpha)x-cos(\alpha)y=0$. Pour tout $\alpha\not=\frac{\pi}{2}+k\pi$ avec $k\in\mathbb{Z}$ le nombre $\cos(\alpha)\not=0$.
Pour tout $\alpha\not=\frac{\pi}{2}+k\pi$ avec $k\in\mathbb{Z}$ la droite $(OT)$ a donc pour équation réduite $y=\tan(\alpha)x$. Le point $T$ a pour abscisse 1, donc $y_T=\tan(\alpha)$.
Proposition.
$-1\leq\cos x\leq 1$ et $-1\leq\sin x\leq 1$.
$\cos^2x+\sin^2 x=1$.
$\cos(x+2k\pi)=\cos x$ et $\sin(x+2k\pi)=\sin x$ pour tout $k\in\mathbb{Z}$.
Fonctions sinus et cosinus.
Définition.
La fonction sinus est la fonction définie sur $\mathbb{R}$ qui à tout réel $x$ associe le nombre $\sin(x)$.
La fonction cosinus est la fonction définie sur $\mathbb{R}$ qui à tout réel $x$ associe le nombre $\cos(x)$.
Proposition.
Les fonctions sinus et cosinus sont continues sur $\mathbb{R}$.
Les fonctions sinus et cosinus sont dérivables sur $\mathbb{R}$ et pour tout $x\in\mathbb{R}$ on a:
$\cos^{'}(x)=-\sin(x)$.
$\sin^{'}(x)=\cos(x)$.
Soient $a$ et $b$ deux réels et soit $f$ la fonction définie sur $\mathbb{R}$ par $f(x)=\sin(ax+b)$, alors $f$ est dérivable sur $\mathbb{R}$ et pour tout $x\in\mathbb{R}$ on a:
$f'(x)=a\cos(ax+b)$.
Soient $a$ et $b$ deux réels et soit $g$ la fonction définie sur $\mathbb{R}$ par $g(x)=\cos(ax+b)$, alors $f$ est dérivable sur $\mathbb{R}$ et pour tout $x\in\mathbb{R}$ on a:
$g'(x)=-a\sin(ax+b)$.
Exemples.
Calculer la fonction dérivée des fonctions $f$ suivantes:
$f(x)=\cos(3x+\pi)$ on a $f'(x)=-3\sin(3x+\pi)$.
$f(x)=\sin(2x-\frac{\pi}{2})$ on a $f'(x)=2\cos(2x-\frac{\pi}{2})$.
Courbes représentatives des fonctions sinus et cosinus.
Courbe représentative de $x\to\sin(x)$.
Courbe représentative de $x\to\cos(x)$.
Propriétés géomètrique des courbes de sinus et cosinus.
Fonctions paires, fonctions impaires.
Soit $f$ une fonction définie sur une partie $\mathcal{D}$ de $\mathbb{R}$.
La fonction $f$ est paire si les deux conditions sont vérifiées:
Pour tout $x\in\mathcal{D}$ le nombre $-x\in\mathcal{D}$.
Pour tout $x\in\mathcal{D}$, $f(-x)=f(x)$.
La fonction $f$ est impaire si les deux conditions sont vérifiées:
Pour tout $x\in\mathcal{D}$ le nombre $-x\in\mathcal{D}$.
Pour tout $x\in\mathcal{D}$ le nombre $f(-x)=-f(x)$.
Parité des fonctions trigonométriques.
La fonction sinus est impaire.
La fonction cosinus est paire.
Théorème.
Soit $f$ une fonction représentée par la courbe $\mathcal{C}_f$ dans un repère orthonormé $(O;\overrightarrow{i};\overrightarrow{j})$.
Si la fonction $f$ est paire, alors la courbe $\mathcal{C}_f$ admet l'axe des ordonnées comme axe de symétrie. On a
$\mathcal{C}_f=S_(oy)(\mathcal{C}_f)$.
Si la fonction $f$ est impaire, alors la courbe $\mathcal{C}_f$ admet l'origine $O$ comme centre de symétrie. On a
$\mathcal{C}_f=S_O(\mathcal{C}_f)$.
Fonctions périodiques.
Définition.
Soit $f$ une fonction définie sur $\mathbb{R}$, soit $T$ un nombre réel positif.
On dit que $f$ est une fonction périodique de période $T$ si et seulement si pour tout $x\in\mathbb{R}$ on a:
$f(x+T)=f(x)$.
Exemples.
les fonctions sinus et cosinus sont périodiques, de périodes $2\pi$. En effet on a:
$\sin(x+2\pi)=\sin(x)$ et $\cos(x+2\pi)=\cos(x)$.
La fonction $x\to\sin(2x)$ est périodique, de période $\pi$.En effet on a:
$\sin(2(x+\pi))=\sin(2x+2\pi)$ $=\sin(2x)$.
La fonction $x\to\cos(4x)$ a pour période $\dfrac{\pi}{2}$. En effet on a:
$\cos(4(x+\frac{\pi}{2}))=\cos(4x+2\pi)$ $=\cos(4x)$.
Exemples d'inéquations trigonométriques.
Exemple1:
Résoudre l'inéquation $\cos(x)\geq\dfrac{\sqrt{2}}{2}$ et $x\in[0,2\pi]$.
Considérons le point $M(\cos(x);\sin(x))$ du cercle trigonométrique.
Résolution graphique avec le cercle trigonométrique.
$\cos(x)\geq\dfrac{\sqrt{2}}{2}$ $\Leftrightarrow$ $M$ appartient à l'arc $AA'$ colorié en rouge.
Donc $x\in[0;\dfrac{\pi}{4}]\cup[\dfrac{7\pi}{4};2\pi]$.
Donc nous avons l'équivalence:
$\cos(x)\geq\dfrac{\sqrt{2}}{2}$ et $x\in[0,2\pi]$ $\Leftrightarrow$ $x\in[0;\dfrac{\pi}{4}]\cup[\dfrac{7\pi}{4};2\pi]$.
Exemple2:
Résoudre l'inéquation $\sin(x) < \dfrac{\sqrt{3}}{2}$ et $x\in[-\pi,2\pi[$.
Considérons le point $M(\cos(x);\sin(x))$ du cercle trigonométrique.
Résolution graphique avec le cercle trigonométrique.
$\sin(x) < \dfrac{\sqrt{3}}{2}$ $\Leftrightarrow$ $M$ appartient à l'arc $AA'$ colorié en rouge.
Donc $x\in[-\pi;\dfrac{\pi}{3}[\cup]\dfrac{2\pi}{3};2\pi[$.
Donc nous avons l'équivalence:
$\sin(x) < \dfrac{\sqrt{3}}{2}$ et $x\in[-\pi,2\pi[$ $\Leftrightarrow$ $x\in[-\pi;\dfrac{\pi}{3}[\cup]\dfrac{2\pi}{3};2\pi[$.
Etudier le signe d'une expression trigonométrique.
Méthode.
Comme pour les expressions algébriques, pour étudier facilement le signe d'une expression trigonométrique,
il faut la mettre si possible sous la forme de facteurs de la forme $a\cos(x)+b$ ou $a'\sin(x)+b'$.
Exemple.
Etudions le signe de $f(x)=\sin(x)\times\cos(x)$ sur l'intervalle $[-\pi;\pi]$.
$\cos(x)\geq 0$ et $x\in[-\pi;\pi]$ $\Leftrightarrow$ $x\in[-\dfrac{\pi}{2};\dfrac{\pi}{2}]$.
$\sin(x)\geq 0$ et $x\in[-\pi;\pi]$ $\Leftrightarrow$ $x\in[0;\pi]$. Ces deux équivalence permettent de remplir les lignes du tableaux de signes ci-contre.
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Dériver une expression trigonométrique.
Exemple.
Soit $f$ la fonction définie sur $[-\dfrac{\pi}{2};\dfrac{\pi}{2}]$ par $f(x)=\dfrac{\sin(x)}{\cos(x)+1}$.
Calculer $f'(x)$.
$f(x)=\dfrac{u(x)}{v(x)}$ avec $u(x)=\sin(x)$ et $v(x)=\cos(x)+1$, on a $u'(x)=\cos(x)$ et $v'(x)=-\sin(x)$.
Donc $f'(x)=\dfrac{u'(x)v(x)-u(x)v'(x)}{v(x)^2}$ $=\dfrac{\cos(x)(\cos(x)+1)-\sin(x)(-\sin(x))}{(\cos(x)+1)^2}$
$=\dfrac{\cos^2(x)+\cos(x)+\sin^2(x)}{(\cos(x)+1)^2}$ $=\dfrac{1+\cos(x)}{(1+\cos(x))^2}$ $=\dfrac{1}{1+\cos(x)}$.
Une limite importante à connaître!
$\displaystyle\lim_{x\to 0}\frac{\sin(x)}{x}=1.$
Etude d'une fonction trigonométrique.
Méthode.
Pour étudier une fonction trigonométrique sur $\mathbb{R}$.
On étudie la parité de $f$.
On étudie la périodicité de $f$.
On étudie les variations de $f$ sur $I$ l'intervalle réduit obtenu précédemment.
On trace la courbe représentative de $f$ sur $I$.
Par des considérations de symétries on complète la courbe représentative de $f$ sur $\mathbb{R}$.
Exercice.
Soit $f$ la fonction définie sur $\mathbb{R}$ par $f(x)=\cos(2x)$. Etudier la fonction $f$.
Montrons que $f$ est paire.
Pour tout $x\in\mathbb{R}$ le nombre $-x\in\mathbb{R}$.
Pour tout $x\in\mathbb{R}$ le nombre $f(-x)=\cos(-2x)=\cos(2x)=f(x)$.
Conclusion: Comme la fonction est paire il suffit d'étudier la fonction sur $[0;+\infty[$.
Nous déduirons le reste par symétrie axiale par rapport à l'axe $(oy)$.
Montrons que la fonction est $\pi$ périodique.
$f(x+\pi)=\cos(2(x+\pi))=\cos(2x+2\pi)$ $=\cos(x)$. Conclusion: Comme la fonction est $\pi$ périodique il suffit d'étudier la fonction sur $[0;\pi]$.
Calcul des variations de $f$. $f'(x)=-2\sin(x)$. Etudions le signe de $f'(x)$.
Pour tout $x\in[0;\pi]$ on a $\sin(x)\geq 0$, donc $f'(x)=-2\sin(x)\leq 0$. Donc la fonction $f$ est décroissante sur $[0;\pi]$.