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Évaluation de progression · Chapitre 12

Devoir sur 20 : Sinus et cosinus

Devoir d'une heure, noté sur 20 points. Calculatrice autorisée, réglée en radians. Seuil proposé : 10/20. Corrigé et barème à la fin.

Sujet

Exercice 1 (6 points)

  1. Donner la valeur exacte de cos⁡5π6\cos\dfrac{5\pi}{6}, sin⁡(−3π4)\sin\left(-\dfrac{3\pi}{4}\right) et cos⁡7π3\cos\dfrac{7\pi}{3}. (1,5 point)
  2. On sait que x∈[π2 ;π]x \in \left[\dfrac{\pi}{2}\,;\pi\right] et que sin⁡x=513\sin x = \dfrac{5}{13}. Calculer cos⁡x\cos x. (0,5 point)
  3. Résoudre sur [−π ;π][-\pi\,;\pi] :
    • a. cos⁡x=−32\cos x = -\dfrac{\sqrt3}{2} (1 point)
    • b. sin⁡x=22\sin x = \dfrac{\sqrt2}{2} (1 point)
    • c. 2cos⁡x−1>02\cos x - 1 > 0 (1 point)
    • d. sin⁡x≤−12\sin x \leq -\dfrac12 (1 point)

Exercice 2 (9 points)

Soit ff la fonction définie sur R\mathbb{R} par f(x)=sin⁡2x+cos⁡xf(x) = \sin^2 x + \cos x, et C\mathcal{C} sa courbe représentative.

  1. Montrer que ff est paire et périodique de période 2π2\pi. Sur quel intervalle suffit-il de l'étudier ? (1,5 point)
  2. Montrer que f′(x)=sin⁡x (2cos⁡x−1)f'(x) = \sin x\,(2\cos x - 1). (1,5 point)
  3. Étudier le signe de f′(x)f'(x) sur [0 ;π][0\,;\pi], puis dresser le tableau de variations de ff sur [0 ;π][0\,;\pi]. (2,5 points)
  4. Montrer que f(x)−1=cos⁡x (1−cos⁡x)f(x) - 1 = \cos x\,(1 - \cos x), puis résoudre f(x)=1f(x) = 1 sur [−π ;π][-\pi\,;\pi]. (1,5 point)
  5. Déterminer une équation de la tangente à C\mathcal{C} au point d'abscisse π2\dfrac{\pi}{2}. (1 point)
  6. Montrer que l'équation f(x)=0f(x) = 0 admet une unique solution sur [0 ;π][0\,;\pi], et en donner une valeur approchée au centième. (1 point)

Exercice 3 (5 points)

Un plombier doit faire passer un tube rigide d'un couloir à un autre. Les deux couloirs sont larges de 1,201{,}20 m et se rejoignent à angle droit. On tient le tube à plat. Dans une position où il touche le coin intérieur et les deux murs extérieurs, il fait un angle θ∈]0 ;π2[\theta \in \left]0\,;\dfrac{\pi}{2}\right[ avec le mur du premier couloir, et sa longueur vaut alors L(θ)=1,2sin⁡θ+1,2cos⁡θ.L(\theta) = \frac{1{,}2}{\sin\theta} + \frac{1{,}2}{\cos\theta}.

  1. Déterminer les limites de LL en 00 et en π2\dfrac{\pi}{2}. (1 point)
  2. Montrer que L′(θ)=1,2(sin⁡3θ−cos⁡3θ)sin⁡2θcos⁡2θL'(\theta) = \dfrac{1{,}2\left(\sin^3\theta - \cos^3\theta\right)}{\sin^2\theta\cos^2\theta}. (1,5 point)
  3. Justifier que, sur ]0 ;π2[\left]0\,;\dfrac{\pi}{2}\right[, L′(θ)L'(\theta) a le signe de sin⁡θ−cos⁡θ\sin\theta - \cos\theta, puis dresser le tableau de variations de LL. (1,5 point)
  4. Un tube passe le virage si sa longueur ne dépasse pas le minimum de LL. Un tube de 3,203{,}20 m passe-t-il ? Et un tube de 3,503{,}50 m ? (1 point)
Corrigé et barème (après avoir cherché)

Exercice 1

1. (1,5 pt) cos⁡5π6=−cos⁡π6=−32\cos\dfrac{5\pi}{6} = -\cos\dfrac{\pi}{6} = -\dfrac{\sqrt3}{2} ; sin⁡(−3π4)=−sin⁡3π4=−22\quad \sin\left(-\dfrac{3\pi}{4}\right) = -\sin\dfrac{3\pi}{4} = -\dfrac{\sqrt2}{2} ; cos⁡7π3=cos⁡(π3+2π)=12\quad \cos\dfrac{7\pi}{3} = \cos\left(\dfrac{\pi}{3} + 2\pi\right) = \dfrac12.

2. (0,5 pt) cos⁡2x=1−25169=144169\cos^2 x = 1 - \dfrac{25}{169} = \dfrac{144}{169}, et cos⁡x≤0\cos x \leq 0 sur [π2 ;π]\left[\dfrac{\pi}{2}\,;\pi\right] : cos⁡x=−1213\cos x = -\dfrac{12}{13}.

3.a. (1 pt) α=5π6\alpha = \dfrac{5\pi}{6}, donc S={−5π6 ;5π6}\mathcal{S} = \left\{-\dfrac{5\pi}{6}\,;\dfrac{5\pi}{6}\right\}.

3.b. (1 pt) S={π4 ;3π4}\mathcal{S} = \left\{\dfrac{\pi}{4}\,;\dfrac{3\pi}{4}\right\}.

3.c. (1 pt) cos⁡x>12\cos x > \dfrac12 : S=]−π3 ;π3[\mathcal{S} = \left]-\dfrac{\pi}{3}\,;\dfrac{\pi}{3}\right[.

3.d. (1 pt) On garde l'arc sous la droite d'ordonnée −12-\dfrac12 : S=[−5π6 ;−π6]\mathcal{S} = \left[-\dfrac{5\pi}{6}\,;-\dfrac{\pi}{6}\right].

Exercice 2

1. (1,5 pt) f(−x)=(−sin⁡x)2+cos⁡x=f(x)f(-x) = (-\sin x)^2 + \cos x = f(x) : ff est paire. f(x+2π)=f(x)f(x + 2\pi) = f(x), car sin⁡\sin et cos⁡\cos sont périodiques de période 2π2\pi. On étudie ff sur [−π ;π][-\pi\,;\pi], puis sur [0 ;π][0\,;\pi] par parité.

2. (1,5 pt) f′(x)=2cos⁡xsin⁡x−sin⁡x=sin⁡x (2cos⁡x−1)f'(x) = 2\cos x\sin x - \sin x = \sin x\,(2\cos x - 1).

3. (2,5 pt) Sur [0 ;π][0\,;\pi], sin⁡x≥0\sin x \geq 0, et 2cos⁡x−1≥0  ⟺  x≤π32\cos x - 1 \geq 0 \iff x \leq \dfrac{\pi}{3}.

xx 00 π3\dfrac{\pi}{3} π\pi
f′(x)f'(x) 00 ++ 00 −- 00
ff 11 croissante 54\dfrac54 décroissante −1-1

En effet, f(π3)=34+12=54f\left(\dfrac{\pi}{3}\right) = \dfrac34 + \dfrac12 = \dfrac54.

4. (1,5 pt) f(x)−1=1−cos⁡2x+cos⁡x−1=cos⁡x−cos⁡2x=cos⁡x (1−cos⁡x)f(x) - 1 = 1 - \cos^2 x + \cos x - 1 = \cos x - \cos^2 x = \cos x\,(1 - \cos x). Donc f(x)=1  ⟺  cos⁡x=0f(x) = 1 \iff \cos x = 0 ou cos⁡x=1\cos x = 1. Sur [−π ;π][-\pi\,;\pi] : S={−π2 ;0 ;π2}\mathcal{S} = \left\{-\dfrac{\pi}{2}\,;0\,;\dfrac{\pi}{2}\right\}.

5. (1 pt) f(π2)=1f\left(\dfrac{\pi}{2}\right) = 1 et f′(π2)=1×(0−1)=−1f'\left(\dfrac{\pi}{2}\right) = 1 \times (0 - 1) = -1. Tangente : y=−(x−π2)+1y = -\left(x - \dfrac{\pi}{2}\right) + 1, soit y=−x+π2+1y = -x + \dfrac{\pi}{2} + 1.

6. (1 pt) Sur [0 ;π3]\left[0\,;\dfrac{\pi}{3}\right], f(x)≥1>0f(x) \geq 1 > 0 : pas de solution. Sur [π3 ;π]\left[\dfrac{\pi}{3}\,;\pi\right], ff est continue et strictement décroissante, de 54\dfrac54 à −1-1, et 00 est compris entre ces valeurs : il y a une unique solution α\alpha, d'après le théorème des valeurs intermédiaires. La calculatrice donne f(2,23)>0>f(2,24)f(2{,}23) > 0 > f(2{,}24), soit α≈2,24\alpha \approx 2{,}24 au centième (plus précisément, α≈2,237\alpha \approx 2{,}237).

Exercice 3

1. (1 pt) Quand θ\theta tend vers 00 par valeurs positives, sin⁡θ\sin\theta tend vers 00 par valeurs positives et cos⁡θ\cos\theta vers 11 : lim⁡θ→0L(θ)=+∞\lim\limits_{\theta\to0} L(\theta) = +\infty. De même, quand θ\theta tend vers π2\dfrac{\pi}{2}, cos⁡θ\cos\theta tend vers 00 par valeurs positives : lim⁡θ→π/2L(θ)=+∞\lim\limits_{\theta\to\pi/2} L(\theta) = +\infty.

2. (1,5 pt) L′(θ)=−1,2cos⁡θsin⁡2θ+1,2sin⁡θcos⁡2θ=1,2(sin⁡3θ−cos⁡3θ)sin⁡2θcos⁡2θL'(\theta) = -\dfrac{1{,}2\cos\theta}{\sin^2\theta} + \dfrac{1{,}2\sin\theta}{\cos^2\theta} = \dfrac{1{,}2\left(\sin^3\theta - \cos^3\theta\right)}{\sin^2\theta\cos^2\theta}.

3. (1,5 pt) Le dénominateur est strictement positif. La fonction t↦t3t \mapsto t^3 est strictement croissante, donc sin⁡3θ−cos⁡3θ\sin^3\theta - \cos^3\theta a le signe de sin⁡θ−cos⁡θ\sin\theta - \cos\theta. Sur ]0 ;π2[\left]0\,;\dfrac{\pi}{2}\right[, sin⁡θ>cos⁡θ  ⟺  θ>π4\sin\theta > \cos\theta \iff \theta > \dfrac{\pi}{4}.

θ\theta 00 π4\dfrac{\pi}{4} π2\dfrac{\pi}{2}
L′(θ)L'(\theta) −- 00 ++
LL +∞+\infty décroissante 2,422{,}4\sqrt2 croissante +∞+\infty

En effet, L(π4)=2×1,22/2=2,42L\left(\dfrac{\pi}{4}\right) = 2 \times \dfrac{1{,}2}{\sqrt2/2} = 2{,}4\sqrt2.

4. (1 pt) Le minimum vaut 2,42≈3,392{,}4\sqrt2 \approx 3{,}39 m. Le tube de 3,203{,}20 m passe, celui de 3,503{,}50 m ne passe pas.

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