Formules trigonométriques et fonctions arc : contrôle de maths en MPSI

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Voici un contrôle de maths en MPSI sur le thème « formules trigonométriques et fonctions arc », avec son barème et un corrigé détaillé.

Ce devoir surveillé de synthèse, prévu pour trois heures, croise la trigonométrie et l’étude de fonctions. Vous retrouverez d’abord des valeurs exactes grâce aux formules d’addition et à l’angle moitié. Ensuite, vous résoudrez des équations dans \(\mathbb{R}\), puis une inéquation trigonométrique sur un intervalle.

La seconde moitié du sujet porte sur les fonctions usuelles. Vous démontrerez une identité entre deux arctangentes, puis vous étudierez entièrement une fonction construite avec le sinus hyperbolique, jusqu’au tableau de variations et à la courbe. Enfin, le problème simplifie une composée de Arcsin selon les intervalles. Placez ce contrôle juste après le chapitre sur les fonctions réciproques, avant les développements limités.

Ce qu’évalue le contrôle : formules trigonométriques et fonctions arc

L’essentiel du sujet

  • NiveauMPSI
  • Durée3 heures
  • Calculatriceinterdite
  • Barèmesur 20

Chapitres : Formules de trigonométrie et équations trigonométriques et Étude de fonctions, fonctions réciproques et usuelles (5 exercices)

Ce que ce devoir vérifie :

  • Retrouver des valeurs exactes à partir des formules d’addition et de l’angle moitié
  • Résoudre une équation trigonométrique dans R et une inéquation sur un intervalle
  • Démontrer une identité entre fonctions Arctan par dérivation sur chaque intervalle
  • Mener l’étude complète d’une fonction construite avec sh, jusqu’au tableau de variations et à la courbe
  • Simplifier une composée de Arcsin par la substitution x = sin θ et étudier sa dérivabilité

Avant de commencer le devoir

Pour chaque équation trigonométrique, ramenez-vous à une égalité du type \(\cos a = \cos b\) ou \(\sin a = \sin b\), puis écrivez toutes les familles de solutions. Pour une identité entre fonctions arc, dérivez sur chaque intervalle séparément, car la constante peut changer. De plus, vérifiez chaque formule simplifiée en une valeur particulière. Enfin, dans le problème, contrôlez toujours que l’angle obtenu tombe bien dans l’intervalle où Arcsin est la réciproque de sinus.

Le sujet du contrôle : formules trigonométriques et fonctions arc

Exercice 1 – Valeurs exactes et angle moitié (3 points)

Les questions de cet exercice sont indépendantes. Aucune valeur approchée n’est acceptée.

  1. En écrivant \(\frac{\pi}{12} = \frac{\pi}{3} – \frac{\pi}{4}\), calculer \(\cos \frac{\pi}{12}\), puis montrer que \(\tan \frac{\pi}{12} = 2 – \sqrt{3}\). (1 point)
  2. Soit \(x\) un réel qui n’appartient pas à \(\pi\mathbb{Z}\). Démontrer que \(\frac{1 – \cos x}{\sin x} = \tan \frac{x}{2}\), puis en déduire la valeur exacte de \(\tan \frac{\pi}{8}\). (1 point)
  3. Prouver d’abord que \(\sin x \leq x\) pour tout \(x \geq 0\). Établir ensuite l’inégalité \(|\sin x| \leq |x|\) pour tout réel \(x\). (1 point)

Exercice 2 – Équations et inéquation trigonométriques (4 points)

On cherche les solutions sous forme de familles indexées par un entier \(k\). La figure représente la fonction \(g : x \mapsto \cos 2x + \cos x\) sur \([0\,;\,2\pi]\) ; elle sert seulement à contrôler la question c).

Courbe de la fonction g égale à cos 2x plus cos x sur l'intervalle de 0 à 2 pi, avec graduations en multiples de pi sur 3
  1. Résoudre dans \(\mathbb{R}\) l’équation \(\cos 2x = \sin\left(x + \frac{\pi}{6}\right)\). (1,5 point)
  2. Mettre \(\sqrt{3}\cos x – \sin x\) sous la forme \(r\cos(x + \varphi)\), avec \(r > 0\). Résoudre alors dans \(\mathbb{R}\) l’équation \(\sqrt{3}\cos x – \sin x = \sqrt{2}\). (1 point)
  3. Factoriser \(g(x)\) comme un polynôme en \(\cos x\). En déduire l’ensemble des réels \(x\) de \([0\,;\,2\pi]\) tels que \(\cos 2x + \cos x \leq 0\). (1,5 point)

Exercice 3 – Une identité entre deux arctangentes (4 points)

Pour tout réel \(x \neq -1\), on pose \(h(x) = \mathrm{Arctan}\,x + \mathrm{Arctan}\,\frac{1 – x}{1 + x}\).

  1. Justifier que \(h\) est dérivable sur \(]-\infty\,;\,-1[\) et sur \(]-1\,;\,+\infty[\), puis calculer \(h^{\prime}(x)\). (1,5 point)
  2. En déduire une expression simple de \(h(x)\) sur chacun de ces deux intervalles. (1 point)
  3. Montrer que \(\mathrm{Arctan}\,\frac{1}{2} + \mathrm{Arctan}\,\frac{1}{3} = \frac{\pi}{4}\). (0,5 point)
  4. Pour tout réel \(x\), exprimer \(\cos(\mathrm{Arctan}\,x)\) et \(\sin(2\,\mathrm{Arctan}\,x)\) sans fonction trigonométrique. (1 point)

Exercice 4 – Étude d’une fonction construite avec sh (4 points)

On étudie la fonction \(f\) définie sur \(\mathbb{R}\) par \(f(x) = \mathrm{sh}\,x – 2x\). On pose \(a = \ln\left(2 + \sqrt{3}\right)\), et on donne les encadrements \(7{,}3 < \mathrm{e}^2 < 7{,}4\) et \(20 < \mathrm{e}^3 < 20{,}1\).

  1. Étudier la parité de \(f\). Calculer ensuite \(\mathrm{ch}\,a\) et \(\mathrm{sh}\,a\), puis le signe de \(f^{\prime}(x)\) sur \([0\,;\,+\infty[\). (1 point)
  2. Dresser le tableau de variations complet de \(f\) sur \(\mathbb{R}\), avec les limites et la valeur exacte des extremums locaux. Préciser aussi la nature de la branche infinie en \(+\infty\). (1,5 point)
  3. Montrer que l’équation \(\mathrm{sh}\,x = 2x\) admet une unique solution \(\alpha\) dans \(]0\,;\,+\infty[\), puis que \(2 < \alpha < 3\). (1 point)
  4. Tracer l’allure de la courbe de \(f\) sur \([-3\,;\,3]\), avec ses tangentes horizontales. (0,5 point)

Exercice 5 – Problème : une composée de Arcsin (5 points)

On note \(\psi(x) = 2x\sqrt{1 – x^2}\) pour \(x\) dans \([-1\,;\,1]\), puis \(G(x) = \mathrm{Arcsin}\big(\psi(x)\big)\). La figure donne la courbe de \(\psi\), qui atteint son maximum en \(\frac{\sqrt{2}}{2}\).

Courbe de la fonction psi égale à 2x racine de 1 moins x carré sur l'intervalle de -1 à 1, maximum 1 atteint en racine de 2 sur 2
  1. Montrer que \(|\psi(x)| \leq 1\) pour tout \(x\) de \([-1\,;\,1]\). Justifier ainsi que \(G\) est définie sur \([-1\,;\,1]\), puis qu’elle est impaire. (1 point)
  2. Soit \(x \in [-1\,;\,1]\) et \(\theta = \mathrm{Arcsin}\,x\). Prouver que \(\psi(x) = \sin 2\theta\). (0,5 point)
  3. Établir que \(G(x) = 2\,\mathrm{Arcsin}\,x\) sur \(\left[-\frac{\sqrt{2}}{2}\,;\,\frac{\sqrt{2}}{2}\right]\) et que \(G(x) = \pi – 2\,\mathrm{Arcsin}\,x\) sur \(\left[\frac{\sqrt{2}}{2}\,;\,1\right]\). Donner ensuite \(G(x)\) sur \(\left[-1\,;\,-\frac{\sqrt{2}}{2}\right]\). (1,5 point)
  4. Étudier la dérivabilité de \(G\) sur \(]-1\,;\,1[\). En \(\frac{\sqrt{2}}{2}\), calculer les dérivées à gauche et à droite, puis conclure. (1 point)
  5. Tracer l’allure de la courbe de \(G\), puis résoudre l’équation \(G(x) = \frac{\pi}{3}\). (1 point)

Voir le corrigé du contrôle : formules trigonométriques et fonctions arc (MPSI)

Réviser formules trigonométriques et fonctions arc avant le contrôle

Si un exercice vous a bloqué, relisez le cours formules de trigonométrie et équations trigonométriques puis étude de fonctions, fonctions réciproques et usuelles ; entraînez-vous sur les exercices formules de trigonométrie et équations trigonométriques et étude de fonctions, fonctions réciproques et usuelles avant de retenter le sujet.

La page contrôles de maths en MPSI regroupe les 25 sujets de l’année, et la page maths post-bac permet de changer d’année.

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