Chapitres de Terminale

Fonctions sinus et cosinus

  1. 1

    Exercice 1

    Facile

    Calculer les dérivées des fonctions suivantes, définies sur R\mathbb{R} :

    1. f(x)=3sin(x)2cos(x)f(x) = 3\sin(x) - 2\cos(x)
    2. g(x)=sin(2x)g(x) = \sin(2x)
    3. h(x)=xcos(x)h(x) = x\cos(x)
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    On utilise (sin)=cos(\sin)' = \cos, (cos)=sin(\cos)' = -\sin, ainsi que la dérivée d'un produit et la formule (u(ax+b))=au(ax+b)(u(ax+b))' = a\,u'(ax+b).

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    1. f(x)=3cos(x)2×(sin(x))=3cos(x)+2sin(x)f'(x) = 3\cos(x) - 2\times(-\sin(x)) = 3\cos(x) + 2\sin(x).

    2. Avec g=sin(u)g = \sin(u)u(x)=2xu(x) = 2x, on a g(x)=u(x)cos(u(x))=2cos(2x)g'(x) = u'(x)\cos(u(x)) = 2\cos(2x).

    3. hh est un produit u×vu\times v avec u(x)=xu(x)=x et v(x)=cos(x)v(x)=\cos(x). Donc

    h(x)=u(x)v(x)+u(x)v(x)=1×cos(x)+x×(sin(x))=cos(x)xsin(x).h'(x) = u'(x)v(x) + u(x)v'(x) = 1\times\cos(x) + x\times(-\sin(x)) = \cos(x) - x\sin(x).
  2. 2

    Exercice 2

    Facile

    Résoudre dans l'intervalle [π;π][-\pi\,;\,\pi] l'équation cos(x)=12\cos(x) = \dfrac{1}{2}, puis l'équation sin(x)=22\sin(x) = -\dfrac{\sqrt{2}}{2}.

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    On connaît les valeurs remarquables : cos(π3)=12\cos\left(\dfrac{\pi}{3}\right) = \dfrac{1}{2} et sin(π4)=22\sin\left(\dfrac{\pi}{4}\right) = \dfrac{\sqrt{2}}{2}. On utilise la parité du cosinus et l'imparité du sinus.

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    Équation cos(x)=12\cos(x) = \frac{1}{2}. On sait que cos(π3)=12\cos\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{1}{2}. Comme cos\cos est paire, cos(π3)=12\cos\left(-\frac{\pi}{3}\right) = \frac{1}{2} aussi. Sur [π;π][-\pi\,;\,\pi], les solutions sont donc

    x=π3oux=π3.x = \frac{\pi}{3} \quad \text{ou} \quad x = -\frac{\pi}{3}.

    Équation sin(x)=22\sin(x) = -\frac{\sqrt{2}}{2}. On sait que sin(π4)=22\sin\left(\frac{\pi}{4}\right) = \frac{\sqrt{2}}{2}, donc sin(π4)=22\sin\left(-\frac{\pi}{4}\right) = -\frac{\sqrt{2}}{2} (imparité). L'autre solution sur [π;π][-\pi\,;\,\pi] vérifie sin(x)=22\sin(x) = -\frac{\sqrt{2}}{2} avec x=π+π4=3π4x = -\pi + \frac{\pi}{4} = -\frac{3\pi}{4}. Les solutions sont donc

    x=π4oux=3π4.x = -\frac{\pi}{4} \quad \text{ou} \quad x = -\frac{3\pi}{4}.
  3. 3

    Exercice 3

    Facile

    Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=cos(x)+sin(x)f(x) = \cos(x) + \sin(x).

    1. Montrer que ff est 2π2\pi-périodique.
    2. Calculer f(x)f'(x) et déterminer le signe de ff' sur [0;2π][0\,;\,2\pi].
    3. Dresser le tableau de variations de ff sur [0;2π][0\,;\,2\pi].
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    Pour la périodicité, utiliser cos(x+2π)=cos(x)\cos(x+2\pi) = \cos(x) et sin(x+2π)=sin(x)\sin(x+2\pi)=\sin(x). Pour le signe de ff', résoudre f(x)=0f'(x)=0, c'est-à-dire cos(x)=sin(x)\cos(x) = \sin(x).

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    1. Pour tout réel xx, f(x+2π)=cos(x+2π)+sin(x+2π)=cos(x)+sin(x)=f(x)f(x+2\pi) = \cos(x+2\pi) + \sin(x+2\pi) = \cos(x) + \sin(x) = f(x). Donc ff est 2π2\pi-périodique.

    2. f(x)=sin(x)+cos(x)f'(x) = -\sin(x) + \cos(x). On résout f(x)=0    cos(x)=sin(x)f'(x) = 0 \iff \cos(x) = \sin(x). Sur [0;2π][0\,;\,2\pi], cela donne x=π4x = \frac{\pi}{4} et x=5π4x = \frac{5\pi}{4}.

    On a f(x)>0    cos(x)>sin(x)f'(x) > 0 \iff \cos(x) > \sin(x). Sur [0;π4[[0\,;\,\frac{\pi}{4}[, f>0f'>0 ; sur ]π4;5π4[]\frac{\pi}{4}\,;\,\frac{5\pi}{4}[, f<0f'<0 ; sur ]5π4;2π]]\frac{5\pi}{4}\,;\,2\pi], f>0f'>0.

    1. ff est croissante sur [0;π4][0\,;\,\frac{\pi}{4}], décroissante sur [π4;5π4][\frac{\pi}{4}\,;\,\frac{5\pi}{4}], croissante sur [5π4;2π][\frac{5\pi}{4}\,;\,2\pi]. Le maximum vaut f(π4)=22+22=2f\left(\frac{\pi}{4}\right) = \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{2}}{2} = \sqrt{2} et le minimum vaut f(5π4)=2222=2f\left(\frac{5\pi}{4}\right) = -\frac{\sqrt{2}}{2} - \frac{\sqrt{2}}{2} = -\sqrt{2}.
  4. 4

    Exercice 4

    Facile

    En utilisant la limite limx0sin(x)x=1\displaystyle\lim_{x\to 0}\dfrac{\sin(x)}{x} = 1, calculer les limites suivantes :

    1. limx0sin(3x)x\displaystyle\lim_{x\to 0}\dfrac{\sin(3x)}{x}
    2. limx0sin(x)5x\displaystyle\lim_{x\to 0}\dfrac{\sin(x)}{5x}
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    Faire apparaître le quotient sin(u)u\dfrac{\sin(u)}{u} en multipliant et divisant par la bonne quantité.

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    1. Pour x0x\neq 0 :
    sin(3x)x=3×sin(3x)3x.\frac{\sin(3x)}{x} = 3\times\frac{\sin(3x)}{3x}.

    Posons u=3xu = 3x ; quand x0x\to 0, u0u\to 0 et sin(u)u1\dfrac{\sin(u)}{u}\to 1. Donc

    limx0sin(3x)x=3×1=3.\lim_{x\to 0}\frac{\sin(3x)}{x} = 3\times 1 = 3.
    1. Pour x0x\neq 0 :
    sin(x)5x=15×sin(x)xx015×1=15.\frac{\sin(x)}{5x} = \frac{1}{5}\times\frac{\sin(x)}{x} \xrightarrow[x\to 0]{} \frac{1}{5}\times 1 = \frac{1}{5}.
  5. 5

    Inégalité sinxx\sin x \leq x

    Moyen

    On considère la fonction ff définie sur R\mathbb{R} par f(x)=sin(x)xf(x) = \sin(x) - x.

    1. Étudier la parité de ff.
    2. Calculer f(x)f'(x) et déterminer son signe.
    3. En déduire le sens de variation de ff et le signe de f(x)f(x) pour x0x\geq 0. Conclure que sin(x)x\sin(x)\leq x pour tout x0x\geq 0.
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    Pour le signe de ff', se rappeler que 1cos(x)1-1\leq\cos(x)\leq 1. Pour le signe de ff, utiliser f(0)f(0) et le sens de variation.

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  6. 6

    Aire maximale d'un rectangle inscrit

    Moyen

    Un rectangle ABCDABCD est inscrit dans un demi-cercle de rayon 11 de la manière suivante : le côté [AB][AB] est porté par le diamètre, et les sommets CC et DD sont sur le demi-cercle. On note θ\theta l'angle tel que, en plaçant le centre OO au milieu de [AB][AB], on ait OB=cos(θ)OB = \cos(\theta) et BC=sin(θ)BC = \sin(\theta) avec θ]0;π2[\theta\in\left]0\,;\,\dfrac{\pi}{2}\right[. L'aire du rectangle est alors A(θ)=2cos(θ)sin(θ)\mathcal{A}(\theta) = 2\cos(\theta)\sin(\theta).

    1. Justifier que A(θ)=sin(2θ)\mathcal{A}(\theta) = \sin(2\theta).
    2. Déterminer la valeur de θ\theta qui rend l'aire maximale, et donner cette aire maximale.
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    Utiliser la formule de duplication sin(2θ)=2sin(θ)cos(θ)\sin(2\theta) = 2\sin(\theta)\cos(\theta), ou bien dériver A\mathcal{A}. Le sinus atteint son maximum 11 en π2\frac{\pi}{2}.

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  7. 7

    Étude de cos(2x)+2cosx\cos(2x)+2\cos x

    Moyen

    Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=cos(2x)+2cos(x)f(x) = \cos(2x) + 2\cos(x).

    1. Montrer que ff est paire et 2π2\pi-périodique. On pourra donc l'étudier sur [0;π][0\,;\,\pi].
    2. Calculer f(x)f'(x) et montrer que f(x)=2sin(x)(2cos(x)+1)f'(x) = -2\sin(x)\big(2\cos(x)+1\big).

    On rappelle que sin(2x)=2sin(x)cos(x)\sin(2x) = 2\sin(x)\cos(x).

    1. Étudier le signe de ff' sur [0;π][0\,;\,\pi] et dresser le tableau de variations de ff sur cet intervalle.
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    Pour la factorisation, exprimer sin(2x)\sin(2x) en fonction de sin(x)\sin(x) et cos(x)\cos(x). Sur [0;π][0\,;\,\pi], sin(x)0\sin(x)\geq 0, donc le signe de ff' dépend de celui de 2cos(x)+12\cos(x)+1.

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  8. 8

    Exercice 8

    Difficile

    On étudie la fonction tangente définie par tan(x)=sin(x)cos(x)\tan(x) = \dfrac{\sin(x)}{\cos(x)} sur ]π2;π2[\left]-\dfrac{\pi}{2}\,;\,\dfrac{\pi}{2}\right[.

    1. Montrer que tan(x)=1+tan2(x)=1cos2(x)\tan'(x) = 1 + \tan^2(x) = \dfrac{1}{\cos^2(x)}.
    2. En déduire le sens de variation de tan\tan sur ]π2;π2[\left]-\dfrac{\pi}{2}\,;\,\dfrac{\pi}{2}\right[.
    3. Déterminer limx0tan(x)x\displaystyle\lim_{x\to 0}\dfrac{\tan(x)}{x}.
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  9. 9

    Exercice 9

    Difficile

    En admettant que limx0sin(x)x=1\displaystyle\lim_{x\to 0}\dfrac{\sin(x)}{x} = 1, on veut établir que limx01cos(x)x2=12\displaystyle\lim_{x\to 0}\dfrac{1-\cos(x)}{x^2} = \dfrac{1}{2}.

    1. Montrer que pour tout réel xx, 1cos(x)=2sin2(x2)1 - \cos(x) = 2\sin^2\left(\dfrac{x}{2}\right).
    2. En déduire la limite demandée.
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