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Leçon 1

Du cercle aux fonctions sinus et cosinus

Vidéo 1 : Du cercle aux fonctions sinus et cosinus · 3 min 43 s · sous-titres en français

Le cours écrit

1.1 Le cercle trigonométrique

Dans un repère orthonormé d'origine OO, le cercle trigonométrique est le cercle de centre OO et de rayon 11, parcouru dans le sens direct, c'est-à-dire le sens inverse des aiguilles d'une montre. On note II le point de coordonnées (1 ;0)(1\,;0).

On enroule la droite des réels autour du cercle, en partant du point II. À chaque réel xx correspond ainsi un unique point MM du cercle, appelé image de xx. Si x>0x > 0, on tourne dans le sens direct ; si x<0x < 0, dans l'autre sens. La longueur de l'arc parcouru vaut ∣x∣|x| : c'est la mesure en radians.

Le périmètre du cercle vaut 2π2\pi : un tour complet mesure 2π2\pi radians, un demi-tour π\pi radians.

Degrés 3030 4545 6060 9090 180180 360360
Radians π6\dfrac{\pi}{6} π4\dfrac{\pi}{4} π3\dfrac{\pi}{3} π2\dfrac{\pi}{2} π\pi 2π2\pi

1.2 Cosinus et sinus d'un réel

Définition. Soit xx un réel et MM son image sur le cercle trigonométrique. Le cosinus de xx, noté cos⁡x\cos x ou cos⁡(x)\cos(x), est l'abscisse de MM. Le sinus de xx, noté sin⁡x\sin x ou sin⁡(x)\sin(x), est son ordonnée : M(cos⁡x ;sin⁡x).M(\cos x\,;\sin x).

Propriétés. Pour tout réel xx :

  • −1≤cos⁡x≤1-1 \leq \cos x \leq 1 et −1≤sin⁡x≤1-1 \leq \sin x \leq 1, car MM est sur un cercle de rayon 11 ;
  • cos⁡2x+sin⁡2x=1\cos^2 x + \sin^2 x = 1, par le théorème de Pythagore (la distance OMOM vaut 11).

Lien avec le triangle rectangle. Pour 0<x<π20 < x < \dfrac{\pi}{2}, soit HH le projeté orthogonal de MM sur l'axe des abscisses. Le triangle OHMOHM est rectangle en HH, avec OM=1OM = 1 : on retrouve cos⁡x=OHOM=OH\cos x = \dfrac{OH}{OM} = OH et sin⁡x=HMOM=HM\sin x = \dfrac{HM}{OM} = HM.

1.3 Valeurs remarquables

xx 00 π6\dfrac{\pi}{6} π4\dfrac{\pi}{4} π3\dfrac{\pi}{3} π2\dfrac{\pi}{2} π\pi
cos⁡x\cos x 11 32\dfrac{\sqrt3}{2} 22\dfrac{\sqrt2}{2} 12\dfrac12 00 −1-1
sin⁡x\sin x 00 12\dfrac12 22\dfrac{\sqrt2}{2} 32\dfrac{\sqrt3}{2} 11 00

Ces valeurs sont à connaître par cœur. Un repère : de 00 à π2\dfrac{\pi}{2}, le sinus prend les valeurs 02\dfrac{\sqrt0}{2}, 12\dfrac{\sqrt1}{2}, 22\dfrac{\sqrt2}{2}, 32\dfrac{\sqrt3}{2}, 42\dfrac{\sqrt4}{2}, et le cosinus prend les mêmes dans l'ordre inverse.

1.4 Angles associés

Les symétries du cercle donnent les autres valeurs. Pour tout réel xx :

Symétrie du point de xx Réel associé Cosinus Sinus
par rapport à l'axe des abscisses −x-x cos⁡(−x)=cos⁡x\cos(-x) = \cos x sin⁡(−x)=−sin⁡x\sin(-x) = -\sin x
par rapport à l'axe des ordonnées π−x\pi - x cos⁡(π−x)=−cos⁡x\cos(\pi - x) = -\cos x sin⁡(π−x)=sin⁡x\sin(\pi - x) = \sin x
par rapport à l'origine π+x\pi + x cos⁡(π+x)=−cos⁡x\cos(\pi + x) = -\cos x sin⁡(π+x)=−sin⁡x\sin(\pi + x) = -\sin x
par rapport à la droite y=xy = x π2−x\dfrac{\pi}{2} - x cos⁡(π2−x)=sin⁡x\cos\left(\dfrac{\pi}{2} - x\right) = \sin x sin⁡(π2−x)=cos⁡x\sin\left(\dfrac{\pi}{2} - x\right) = \cos x

On en déduit aussi cos⁡(π2+x)=−sin⁡x\cos\left(\dfrac{\pi}{2} + x\right) = -\sin x et sin⁡(π2+x)=cos⁡x\sin\left(\dfrac{\pi}{2} + x\right) = \cos x.

Exemple 1. cos⁡2π3=cos⁡(π−π3)=−cos⁡π3=−12\cos\dfrac{2\pi}{3} = \cos\left(\pi - \dfrac{\pi}{3}\right) = -\cos\dfrac{\pi}{3} = -\dfrac12 et sin⁡2π3=sin⁡π3=32\sin\dfrac{2\pi}{3} = \sin\dfrac{\pi}{3} = \dfrac{\sqrt3}{2}.

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

1.5 Parité

Définition. Une fonction ff définie sur R\mathbb{R} est paire si f(−x)=f(x)f(-x) = f(x) pour tout réel xx : sa courbe est alors symétrique par rapport à l'axe des ordonnées. Elle est impaire si f(−x)=−f(x)f(-x) = -f(x) pour tout réel xx : sa courbe est alors symétrique par rapport à l'origine du repère.

Propriété. Les fonctions cosinus et sinus sont définies sur R\mathbb{R}. La fonction cos⁡\cos est paire, la fonction sin⁡\sin est impaire : cos⁡(−x)=cos⁡xetsin⁡(−x)=−sin⁡x.\cos(-x) = \cos x \qquad\text{et}\qquad \sin(-x) = -\sin x.

Exemple 3. f:x↦x2cos⁡xf : x \mapsto x^2\cos x est paire, car f(−x)=(−x)2cos⁡(−x)=x2cos⁡xf(-x) = (-x)^2\cos(-x) = x^2\cos x. La fonction g:x↦xcos⁡xg : x \mapsto x\cos x est impaire, car g(−x)=−xcos⁡(−x)=−g(x)g(-x) = -x\cos(-x) = -g(x).

1.6 Périodicité

Définition. Soit T>0T > 0. Une fonction ff définie sur R\mathbb{R} est périodique de période TT si f(x+T)=f(x)f(x + T) = f(x) pour tout réel xx. Sa courbe se reproduit alors par la translation de vecteur T ı⃗T\,\vec{\imath}.

Propriété. Ajouter 2π2\pi à un réel, c'est faire un tour de plus : on revient au même point du cercle. Donc, pour tout réel xx, cos⁡(x+2π)=cos⁡xetsin⁡(x+2π)=sin⁡x.\cos(x + 2\pi) = \cos x \qquad\text{et}\qquad \sin(x + 2\pi) = \sin x. Les fonctions cos⁡\cos et sin⁡\sin sont périodiques de période 2π2\pi.

Il suffit donc de tracer leurs courbes sur un intervalle de longueur 2π2\pi, par exemple [−π ;π][-\pi\,;\pi], puis de les reproduire par translation.

Exemple 4. 13π3=π3+4π\dfrac{13\pi}{3} = \dfrac{\pi}{3} + 4\pi, donc cos⁡13π3=cos⁡π3=12\cos\dfrac{13\pi}{3} = \cos\dfrac{\pi}{3} = \dfrac12 : on a fait deux tours de plus.

Exemple 5. x↦cos⁡(2x)x \mapsto \cos(2x) est périodique de période π\pi, car cos⁡(2(x+π))=cos⁡(2x+2π)=cos⁡(2x)\cos\big(2(x + \pi)\big) = \cos(2x + 2\pi) = \cos(2x).

1.7 Du cercle aux courbes

Quand xx augmente, le point MM tourne sur le cercle.

  • Sa hauteur est sin⁡x\sin x. De 00 à π2\dfrac{\pi}{2}, elle monte de 00 à 11 ; de π2\dfrac{\pi}{2} à π\pi, elle redescend à 00 ; de π\pi à 3π2\dfrac{3\pi}{2}, elle descend à −1-1 ; de 3π2\dfrac{3\pi}{2} à 2π2\pi, elle revient à 00. Cette hauteur, reportée en face de xx, dessine la courbe de sinus.
  • Son abscisse est cos⁡x\cos x. Elle part de 11, passe par 00 en π2\dfrac{\pi}{2}, atteint −1-1 en π\pi, puis revient à 11 en 2π2\pi. Reportée de la même façon, elle dessine la courbe de cosinus.

La parité et la périodicité se voient sur le cercle : −x-x est le symétrique de xx par rapport à l'axe des abscisses, et x+2πx + 2\pi tombe sur le même point que xx.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 1 et 2

  • Exercice 1 : valeurs remarquables et angles associés
  • Exercice 2 : parité, périodicité, lecture sur le cercle

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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