Vidéo 4 : Résoudre cos x = a et sin x = a · 4 min 08 s · sous-titres en français
Le cours écrit
4.1 L'équation cosx=a
Sur le cercle, cosx est une abscisse. Résoudre cosx=a, c'est chercher les points du cercle d'abscisse a : on trace la droite verticale d'équation x=a.
Si a>1 ou a<−1, la droite ne coupe pas le cercle : il n'y a aucune solution.
Si −1<a<1, elle le coupe en deux points, symétriques par rapport à l'axe des abscisses.
Propriété. Pour tout a∈[−1;1], il existe un unique réel α∈[0;π] tel que cosα=a. Les solutions de cosx=a sur [−π;π] sont alors α et −α.
Pourquoi. La fonction cos est continue et strictement décroissante sur [0;π], de 1 à −1 : le théorème des valeurs intermédiaires, dans le cas des fonctions strictement monotones (chapitre 7), donne l'unique réel α. Par parité, cos(−α)=a, et il n'y a pas d'autre solution sur [−π;0], où cos est aussi strictement monotone.
Cas particuliers sur [−π;π].
a
Solutions
Remarque
1
0
une seule solution
0
−2π et 2π
−1
−π et π
un seul point du cercle, mais deux réels de l'intervalle
Exemple 17.cosx=21 : on sait que cos3π=21, donc α=3π. Sur [−π;π], les solutions sont −3π et 3π.
Exemple 18.cosx=−22 : ici, α=43π, car cos43π=−cos4π. Les solutions sont −43π et 43π.
Exemple 19.cosx=0,3 : ce n'est pas une valeur remarquable. La touche cos−1 de la calculatrice, en radians, donne α≈1,266. Les solutions sont x≈−1,266 et x≈1,266.
La touche cos−1 renvoie le réel α de [0;π]. Il faut donc toujours ajouter la seconde solution −α.
4.2 L'équation sinx=a
Le programme cite le cosinus ; la méthode est la même avec le sinus. Ici, sinx est une ordonnée : on trace la droite horizontale d'équation y=a.
Propriété. Pour tout a∈[−1;1], il existe un unique réel β∈[−2π;2π] tel que sinβ=a, car sin est continue et strictement croissante sur cet intervalle, de −1 à 1. C'est le réel donné par la touche sin−1.
Comme sin(π−β)=sinβ, le second point du cercle est celui de π−β. Pour rester dans [−π;π] :
si 0<a<1, les solutions sont β et π−β ;
si −1<a<0, les solutions sont β et −π−β ;
si a=1, l'unique solution est 2π ; si a=−1, l'unique solution est −2π ;
si a=0, il y a trois solutions : −π, 0 et π.
Plutôt que d'apprendre ces cas, on les lit sur le cercle.
Exemple 20.sinx=21 : les solutions sont 6π et π−6π=65π.
Exemple 21.sinx=−23 : on lit les deux points sous l'axe des abscisses. Les solutions sont −3π et −32π.
Exemple 22.sinx=0,4 : β≈0,412, et π−β≈2,730.
4.3 Sur tout R, ou sur un autre intervalle
La périodicité donne toutes les solutions. Si cosα=a et sinβ=a, alors, sur R :
cosx=a⟺x=α+2kπ ou x=−α+2kπ, avec k∈Z ;
sinx=a⟺x=β+2kπ ou x=π−β+2kπ, avec k∈Z.
Exemple 23. Sur R, cosx=21⟺x=3π+2kπ ou x=−3π+2kπ, avec k∈Z. Sur [0;2π], on garde 3π et −3π+2π=35π.
4.4 Des équations qui s'y ramènent
Exemple 24. Résolvons cos(2x)=21 sur [−π;π]. On pose X=2x : X=±3π+2kπ, donc x=±6π+kπ, avec k∈Z. Sur l'intervalle, on trouve quatre solutions : −65π, −6π, 6π et 65π.
Exemple 25. Résolvons 2cos2x−cosx−1=0 sur [−π;π]. On pose X=cosx : 2X2−X−1=(X−1)(2X+1). Donc cosx=1 ou cosx=−21. Les solutions sont 0, −32π et 32π.