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Leçon 6

Étudier une fonction trigonométrique

Vidéo 6 : Étudier une fonction trigonométrique · 3 min 34 s · sous-titres en français

Le cours écrit

6.1 La méthode

Pour étudier une fonction définie à partir de sinus et de cosinus :

  1. Préciser l'intervalle d'étude, en utilisant la parité et la périodicité si besoin.
  2. Calculer la dérivée, avec les règles de calcul et les composées.
  3. Factoriser, pour isoler un sinus ou un cosinus. La relation sin⁡2x=1−cos⁡2x\sin^2 x = 1 - \cos^2 x fait souvent apparaître un polynôme en cos⁡x\cos x.
  4. Résoudre l'inéquation qui reste, sur le cercle.
  5. Dresser le tableau de variations, et conclure en revenant à la question posée.

6.2 Un problème de géométrie : la gouttière

Une bande de zinc large de 3030 cm est pliée en trois parties égales pour faire une gouttière. Le fond mesure 1010 cm, et chaque bord aussi, relevé d'un angle θ∈[0 ;π2]\theta \in \left[0\,;\dfrac{\pi}{2}\right] par rapport à l'horizontale. Quel angle donne la plus grande section ?

Modéliser. La section est un trapèze. Sa hauteur vaut 10sin⁡θ10\sin\theta. Sa petite base vaut 1010, et sa grande base 10+2×10cos⁡θ=10+20cos⁡θ10 + 2 \times 10\cos\theta = 10 + 20\cos\theta. Son aire, en cm², est donc A(θ)=10+(10+20cos⁡θ)2×10sin⁡θ=100 (1+cos⁡θ)sin⁡θ.A(\theta) = \frac{10 + (10 + 20\cos\theta)}{2} \times 10\sin\theta = 100\,(1 + \cos\theta)\sin\theta.

Dériver. On étudie f(θ)=(1+cos⁡θ)sin⁡θf(\theta) = (1 + \cos\theta)\sin\theta. Avec la dérivée d'un produit, f′(θ)=−sin⁡θ×sin⁡θ+(1+cos⁡θ)cos⁡θ=−sin⁡2θ+cos⁡θ+cos⁡2θ.f'(\theta) = -\sin\theta \times \sin\theta + (1 + \cos\theta)\cos\theta = -\sin^2\theta + \cos\theta + \cos^2\theta. On remplace sin⁡2θ\sin^2\theta par 1−cos⁡2θ1 - \cos^2\theta : f′(θ)=2cos⁡2θ+cos⁡θ−1=(2cos⁡θ−1)(cos⁡θ+1).f'(\theta) = 2\cos^2\theta + \cos\theta - 1 = (2\cos\theta - 1)(\cos\theta + 1).

Le signe. Sur l'intervalle, cos⁡θ+1>0\cos\theta + 1 > 0. Le signe de f′(θ)f'(\theta) est donc celui de 2cos⁡θ−12\cos\theta - 1, et sur [0 ;π2]\left[0\,;\dfrac{\pi}{2}\right], cos⁡θ≥12  ⟺  θ≤π3\cos\theta \geq \dfrac12 \iff \theta \leq \dfrac{\pi}{3}.

θ\theta 00 π3\dfrac{\pi}{3} π2\dfrac{\pi}{2}
f′(θ)f'(\theta) ++ 00 −-
ff 00 croissante 334\dfrac{3\sqrt3}{4} décroissante 11

Conclure. La section est maximale pour θ=π3\theta = \dfrac{\pi}{3}, soit 6060 degrés. Elle vaut 100×334≈129,9100 \times \dfrac{3\sqrt3}{4} \approx 129{,}9 cm². Avec des bords verticaux, elle ne vaudrait que 100100 cm² : on gagne près de 30 %30\,\%.

6.3 Une étude sans géométrie

Exemple 37. Étudions f(x)=x+2cos⁡xf(x) = x + 2\cos x sur [−π ;π][-\pi\,;\pi]. On a f′(x)=1−2sin⁡xf'(x) = 1 - 2\sin x, et f′(x)≥0  ⟺  sin⁡x≤12  ⟺  x∈[−π ;π6]∪[5π6 ;π]f'(x) \geq 0 \iff \sin x \leq \dfrac12 \iff x \in \left[-\pi\,;\dfrac{\pi}{6}\right] \cup \left[\dfrac{5\pi}{6}\,;\pi\right].

xx −π-\pi π6\dfrac{\pi}{6} 5π6\dfrac{5\pi}{6} π\pi
f′(x)f'(x) ++ 00 −- 00 ++
ff −π−2-\pi - 2 croissante π6+3\dfrac{\pi}{6} + \sqrt3 décroissante 5π6−3\dfrac{5\pi}{6} - \sqrt3 croissante π−2\pi - 2

La fonction ff a un maximum local en π6\dfrac{\pi}{6}, environ 2,2562{,}256, et un minimum local en 5π6\dfrac{5\pi}{6}, environ 0,8860{,}886. Sur l'intervalle, son minimum est f(−π)=−π−2≈−5,142f(-\pi) = -\pi - 2 \approx -5{,}142, et f(π)=π−2≈1,142f(\pi) = \pi - 2 \approx 1{,}142.

6.4 Une étude avec parité et périodicité

Exemple 38. Soit f(x)=sin⁡x2+cos⁡xf(x) = \dfrac{\sin x}{2 + \cos x} sur R\mathbb{R}. Elle est périodique de période 2π2\pi et impaire : on l'étudie sur [0 ;π][0\,;\pi]. D'après l'exemple 10, f′(x)=2cos⁡x+1(2+cos⁡x)2f'(x) = \dfrac{2\cos x + 1}{(2 + \cos x)^2}, du signe de 2cos⁡x+12\cos x + 1. Sur [0 ;π][0\,;\pi], f′(x)≥0  ⟺  x≤2π3f'(x) \geq 0 \iff x \leq \dfrac{2\pi}{3}.

xx 00 2π3\dfrac{2\pi}{3} π\pi
f′(x)f'(x) ++ 00 −-
ff 00 croissante 33\dfrac{\sqrt3}{3} décroissante 00

Le maximum de ff vaut 33≈0,577\dfrac{\sqrt3}{3} \approx 0{,}577, atteint en 2π3\dfrac{2\pi}{3}.

6.5 Un second problème : le jet d'eau

Exemple 39. Un jet d'eau sort à l'angle θ∈[0 ;π2]\theta \in \left[0\,;\dfrac{\pi}{2}\right] avec le sol. Pour une vitesse donnée, sa portée, en mètres, est modélisée par d(θ)=10sin⁡(2θ)d(\theta) = 10\sin(2\theta). On a d′(θ)=20cos⁡(2θ)d'(\theta) = 20\cos(2\theta). Pour θ∈[0 ;π2]\theta \in \left[0\,;\dfrac{\pi}{2}\right], 2θ∈[0 ;π]2\theta \in [0\,;\pi], donc d′(θ)≥0  ⟺  2θ≤π2  ⟺  θ≤π4d'(\theta) \geq 0 \iff 2\theta \leq \dfrac{\pi}{2} \iff \theta \leq \dfrac{\pi}{4}. La portée est maximale pour θ=π4\theta = \dfrac{\pi}{4}, soit 4545 degrés, et vaut 1010 mètres. Les angles de 3030 et 6060 degrés donnent la même portée, 53≈8,665\sqrt3 \approx 8{,}66 mètres.

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Exercices 11 et 12

  • Exercice 11 : avec l'exponentielle
  • Exercice 12 : la poutre taillée dans un tronc

Exercices du chapitre (PDF, 137 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 160 Ko)

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