Formules trigonométriques et fonctions arc : corrigé du contrôle de maths en MPSI

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Voici le corrigé du contrôle de maths en MPSI sur le thème « formules trigonométriques et fonctions arc », question par question.

Cette correction présente une copie de MPSI telle qu’un correcteur aime la lire. Chaque équation trigonométrique se ramène à une égalité de cosinus, puis la correction écrit toutes les familles de solutions et les vérifie. Pour l’inéquation, un cercle trigonométrique montre l’arc solution.

Ensuite, l’identité entre arctangentes illustre un point essentiel : une dérivée nulle ne donne une constante que sur un intervalle. L’étude de la fonction hyperbolique contient le tableau de variations dessiné et la courbe. De plus, le problème explique comment la substitution \(x = \sin \theta\) découpe le domaine en trois morceaux. Cherchez d’abord seul, puis comparez votre rédaction au barème placé sous chaque exercice.

L’énoncé complet se trouve ici : Formules trigonométriques et fonctions arc : contrôle de maths en MPSI.

Barème du contrôle corrigé : formules trigonométriques et fonctions arc

Exercice Points
1. Valeurs exactes et angle moitié 3 points
2. Équations et inéquation trigonométriques 4 points
3. Une identité entre deux arctangentes 4 points
4. Étude d’une fonction construite avec sh 4 points
5. Problème : une composée de Arcsin 5 points
Total 20 points

Le corrigé détaillé : formules trigonométriques et fonctions arc

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

  1. La formule d’addition donne \(\cos \frac{\pi}{12} = \cos \frac{\pi}{3}\cos \frac{\pi}{4} + \sin \frac{\pi}{3}\sin \frac{\pi}{4} = \frac{1}{2} \times \frac{\sqrt{2}}{2} + \frac{\sqrt{3}}{2} \times \frac{\sqrt{2}}{2}\). Ainsi, \(\cos \frac{\pi}{12} = \frac{\sqrt{6} + \sqrt{2}}{4}\).

    Pour la tangente, \(\tan \frac{\pi}{12} = \frac{\tan \frac{\pi}{3} – \tan \frac{\pi}{4}}{1 + \tan \frac{\pi}{3}\tan \frac{\pi}{4}} = \frac{\sqrt{3} – 1}{\sqrt{3} + 1}\). On multiplie alors par la quantité conjuguée : \(\frac{\left(\sqrt{3} – 1\right)^2}{3 – 1} = \frac{4 – 2\sqrt{3}}{2}\), donc \(\tan \frac{\pi}{12} = 2 – \sqrt{3}\).

  2. Comme \(x \notin \pi\mathbb{Z}\), on a \(\sin x \neq 0\). Or \(\sin x = 2\sin \frac{x}{2}\cos \frac{x}{2}\), donc \(\cos \frac{x}{2}\) et \(\sin \frac{x}{2}\) sont non nuls. De plus, \(1 – \cos x = 2\sin^2 \frac{x}{2}\).

    Il vient \(\frac{1 – \cos x}{\sin x} = \frac{2\sin^2 \frac{x}{2}}{2\sin \frac{x}{2}\cos \frac{x}{2}}\), soit \(\frac{1 – \cos x}{\sin x} = \tan \frac{x}{2}\). Avec \(x = \frac{\pi}{4}\), on obtient \(\tan \frac{\pi}{8} = \frac{1 – \frac{\sqrt{2}}{2}}{\frac{\sqrt{2}}{2}} = \frac{2 – \sqrt{2}}{\sqrt{2}}\), d’où \(\tan \frac{\pi}{8} = \sqrt{2} – 1\).

  3. Posons \(\varphi(x) = x – \sin x\) sur \([0\,;\,+\infty[\). Cette fonction est dérivable, avec \(\varphi^{\prime}(x) = 1 – \cos x \geq 0\). Elle est donc croissante, et \(\varphi(0) = 0\) : par conséquent, \(\sin x \leq x\) pour tout \(x \geq 0\).

    Ensuite, si \(0 \leq x \leq 1\), alors \(x \in [0\,;\,\pi]\), donc \(\sin x \geq 0\) et \(|\sin x| = \sin x \leq x\). Si \(x > 1\), on a directement \(|\sin x| \leq 1 < x\). Enfin, pour \(x < 0\), l’imparité du sinus donne \(|\sin x| = |\sin(-x)| \leq -x = |x|\). Ainsi, \(|\sin x| \leq |x|\) pour tout réel \(x\).

Barème : a) 1 point, 0,5 pour le cosinus et 0,5 pour la tangente ; b) 1 point, dont 0,25 pour la justification des dénominateurs non nuls ; c) 1 point, dont 0,5 pour l’étude de \(\varphi\) et 0,5 pour la discussion selon \(x\).

Exercice 2 – Équations et inéquation trigonométriques (4 points)

  1. D’abord, \(\sin\left(x + \frac{\pi}{6}\right) = \cos\left(\frac{\pi}{2} – x – \frac{\pi}{6}\right) = \cos\left(\frac{\pi}{3} – x\right)\). L’équation devient donc \(\cos 2x = \cos\left(\frac{\pi}{3} – x\right)\).

    Elle équivaut à \(2x = \frac{\pi}{3} – x + 2k\pi\) ou à \(2x = x – \frac{\pi}{3} + 2k\pi\), avec \(k \in \mathbb{Z}\). L’ensemble des solutions est donc \(\left\{\frac{\pi}{9} + \frac{2k\pi}{3}\right\} \cup \left\{-\frac{\pi}{3} + 2k\pi\right\}\), où \(k\) parcourt \(\mathbb{Z}\). Par exemple, \(x = -\frac{\pi}{3}\) donne bien \(\cos\left(-\frac{2\pi}{3}\right) = -\frac{1}{2} = \sin\left(-\frac{\pi}{6}\right)\).

  2. On écrit \(\sqrt{3}\cos x – \sin x = 2\left(\frac{\sqrt{3}}{2}\cos x – \frac{1}{2}\sin x\right) = 2\left(\cos \frac{\pi}{6}\cos x – \sin \frac{\pi}{6}\sin x\right)\). Ainsi, \(\sqrt{3}\cos x – \sin x = 2\cos\left(x + \frac{\pi}{6}\right)\).

    L’équation s’écrit alors \(\cos\left(x + \frac{\pi}{6}\right) = \frac{\sqrt{2}}{2} = \cos \frac{\pi}{4}\). Elle équivaut donc à \(x + \frac{\pi}{6} = \frac{\pi}{4} + 2k\pi\) ou à \(x + \frac{\pi}{6} = -\frac{\pi}{4} + 2k\pi\). Les solutions sont \(x = \frac{\pi}{12} + 2k\pi\) et \(x = -\frac{5\pi}{12} + 2k\pi\), avec \(k \in \mathbb{Z}\).

  3. Avec \(\cos 2x = 2\cos^2 x – 1\), on obtient \(g(x) = 2\cos^2 x + \cos x – 1\). Ce trinôme en \(\cos x\) a pour racines \(\frac{1}{2}\) et \(-1\), donc \(g(x) = (2\cos x – 1)(\cos x + 1)\).

    Le facteur \(\cos x + 1\) est positif, et il ne s’annule qu’en \(x = \pi\) sur \([0\,;\,2\pi]\). Par conséquent, \(g(x) \leq 0\) équivaut à \(\cos x \leq \frac{1}{2}\), car \(x = \pi\) vérifie déjà cette condition. Sur le cercle trigonométrique, on lit alors l’ensemble des solutions : \(\left[\frac{\pi}{3}\,;\,\frac{5\pi}{3}\right]\). Ce résultat concorde avec la courbe de l’énoncé, qui touche l’axe en \(\pi\) sans le traverser.

Cercle trigonométrique avec la droite verticale cos x = 1/2 et l'arc solution de pi sur 3 à 5 pi sur 3 en orange

Barème : a) 1,5 point, dont 0,5 pour la conversion en cosinus et 0,5 par famille ; b) 1 point, 0,5 pour la forme \(r\cos(x + \varphi)\) et 0,5 pour les solutions ; c) 1,5 point, dont 0,5 pour la factorisation et 0,5 pour le cas \(x = \pi\).

Piège classique : diviser par \(\cos x + 1\) sans précaution fait disparaître la solution \(x = \pi\) ; ici, elle est heureusement contenue dans l’intervalle trouvé.

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

  1. La fonction \(u : x \mapsto \frac{1 – x}{1 + x}\) est dérivable sur chacun des deux intervalles, comme quotient de fonctions dérivables dont le dénominateur ne s’annule pas. Comme \(\mathrm{Arctan}\) est dérivable sur \(\mathbb{R}\), la fonction \(h\) est dérivable sur ces intervalles.

    On calcule \(u^{\prime}(x) = \frac{-(1 + x) – (1 – x)}{(1 + x)^2} = \frac{-2}{(1 + x)^2}\). Par ailleurs, \(1 + u(x)^2 = \frac{(1 + x)^2 + (1 – x)^2}{(1 + x)^2} = \frac{2\left(1 + x^2\right)}{(1 + x)^2}\).

    Le quotient \(\frac{u^{\prime}(x)}{1 + u(x)^2}\) vaut donc \(-\frac{1}{1 + x^2}\). Finalement, \(h^{\prime}(x) = \frac{1}{1 + x^2} – \frac{1}{1 + x^2}\), soit \(h^{\prime}(x) = 0\).

  2. Une fonction de dérivée nulle sur un intervalle y est constante. Sur \(]-1\,;\,+\infty[\), on évalue en \(0\) : \(h(0) = 0 + \mathrm{Arctan}\,1\), donc \(h(x) = \frac{\pi}{4}\).

    Sur \(]-\infty\,;\,-1[\), on passe à la limite en \(-\infty\). En effet, \(\mathrm{Arctan}\,x\) tend vers \(-\frac{\pi}{2}\), tandis que \(u(x)\) tend vers \(-1\). Par continuité de \(\mathrm{Arctan}\), la constante vaut \(-\frac{\pi}{2} – \frac{\pi}{4}\), donc \(h(x) = -\frac{3\pi}{4}\).

  3. Le réel \(\frac{1}{2}\) appartient à \(]-1\,;\,+\infty[\), et \(u\left(\frac{1}{2}\right) = \frac{1/2}{3/2} = \frac{1}{3}\). Par conséquent, \(\mathrm{Arctan}\,\frac{1}{2} + \mathrm{Arctan}\,\frac{1}{3} = \frac{\pi}{4}\).

  4. Posons \(\theta = \mathrm{Arctan}\,x\), qui appartient à \(\left]-\frac{\pi}{2}\,;\,\frac{\pi}{2}\right[\). Alors \(\cos \theta > 0\) et \(1 + \tan^2 \theta = \frac{1}{\cos^2 \theta}\), donc \(\cos(\mathrm{Arctan}\,x) = \frac{1}{\sqrt{1 + x^2}}\).

    Ensuite, \(\sin 2\theta = 2\sin \theta\cos \theta = 2\tan \theta\cos^2 \theta\). On obtient ainsi \(\sin(2\,\mathrm{Arctan}\,x) = \frac{2x}{1 + x^2}\).

Barème : a) 1,5 point, dont 0,5 pour la dérivabilité et 1 pour le calcul ; b) 1 point, 0,5 par intervalle ; c) 0,5 point ; d) 1 point, dont 0,25 pour le signe du cosinus.

Piège classique : conclure que \(h\) vaut \(\frac{\pi}{4}\) partout est faux, car le domaine n’est pas un intervalle. Pour \(x = -2\), on trouve d’ailleurs \(-\mathrm{Arctan}\,2 – \mathrm{Arctan}\,3\), qui est négatif.

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

  1. Les fonctions \(\mathrm{sh}\) et \(x \mapsto 2x\) sont impaires, donc \(f\) est impaire. Ensuite, \(\frac{1}{2 + \sqrt{3}} = 2 – \sqrt{3}\), donc \(\mathrm{ch}\,a = \frac{(2 + \sqrt{3}) + (2 – \sqrt{3})}{2}\), soit \(\mathrm{ch}\,a = 2\). De même, \(\mathrm{sh}\,a = \sqrt{3}\).

    La fonction \(f\) est dérivable, avec \(f^{\prime}(x) = \mathrm{ch}\,x – 2\). Or \(\mathrm{ch}\) est strictement croissante sur \([0\,;\,+\infty[\) et vaut \(2\) en \(a\). Par conséquent, \(f^{\prime} < 0\) sur \([0\,;\,a[\), \(f^{\prime}(a) = 0\) et \(f^{\prime} > 0\) sur \(]a\,;\,+\infty[\).

  2. D’abord, \(f(a) = \sqrt{3} – 2a\), et l’imparité donne \(f(-a) = 2a – \sqrt{3}\). Ensuite, \(f(x) = x\left(\frac{\mathrm{sh}\,x}{x} – 2\right)\) pour \(x > 0\). Les croissances comparées donnent \(\frac{\mathrm{sh}\,x}{x} \to +\infty\), donc \(f(x) \to +\infty\) en \(+\infty\), puis \(f(x) \to -\infty\) en \(-\infty\) par imparité.

    De plus, \(\frac{f(x)}{x}\) tend vers \(+\infty\) : la courbe admet donc une branche parabolique de direction \((Oy)\). Enfin, \(f\) décroît sur \([0\,;\,a]\) et \(f(0) = 0\), donc \(f(a) < 0\). Le tableau de variations complet figure ci-dessous.

Tableau de variations de f : croissante jusqu'à 2a moins racine de 3 en moins a, décroissante jusqu'à racine de 3 moins 2a en a, puis croissante
  1. Sur \(]0\,;\,a]\), la fonction \(f\) est strictement décroissante et \(f(0) = 0\), donc \(f < 0\) : elle ne s’y annule pas. Sur \([a\,;\,+\infty[\), elle est continue et strictement croissante, avec \(f(a) < 0\) et une limite \(+\infty\). Le théorème de la bijection fournit alors une unique solution \(\alpha\) dans \(]0\,;\,+\infty[\).

    Ensuite, \(f(2) = \mathrm{sh}\,2 – 4 < \frac{\mathrm{e}^2}{2} – 4 < 3{,}7 – 4 < 0\). De même, \(f(3) = \mathrm{sh}\,3 – 6 > \frac{\mathrm{e}^3 – 1}{2} – 6 > \frac{19}{2} – 6 > 0\), car \(\mathrm{e}^{-3} < 1\). Le théorème des valeurs intermédiaires donne un zéro dans \(]2\,;\,3[\), qui ne peut être que \(\alpha\). Ainsi, \(2 < \alpha < 3\).

  2. La courbe passe par l’origine avec une pente \(f^{\prime}(0) = -1\). Elle admet des tangentes horizontales en \(-a\) et en \(a\), puis coupe l’axe des abscisses en \(-\alpha\), \(0\) et \(\alpha\).

Courbe de f égale à sh x moins 2x sur l'intervalle de -3 à 3, avec ses tangentes horizontales en -a et a et ses zéros

Barème : a) 1 point, dont 0,5 pour \(\mathrm{ch}\,a\) et \(\mathrm{sh}\,a\) ; b) 1,5 point, dont 0,5 pour les limites et 0,5 pour la branche parabolique ; c) 1 point, 0,5 pour l’unicité et 0,5 pour l’encadrement ; d) 0,5 point.

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

  1. Pour \(x \in [-1\,;\,1]\), on développe \(\left(|x| – \sqrt{1 – x^2}\right)^2 \geq 0\). On obtient \(2|x|\sqrt{1 – x^2} \leq x^2 + \left(1 – x^2\right) = 1\), donc \(|\psi(x)| \leq 1\). Le réel \(\psi(x)\) appartient alors au domaine de \(\mathrm{Arcsin}\), si bien que \(G\) est définie sur \([-1\,;\,1]\).

    De plus, \(\psi\) est impaire, de même que \(\mathrm{Arcsin}\). Par composition, \(G(-x) = \mathrm{Arcsin}\big(-\psi(x)\big) = -G(x)\) : \(G\) est impaire.

  2. Par définition, \(\theta \in \left[-\frac{\pi}{2}\,;\,\frac{\pi}{2}\right]\) et \(\sin \theta = x\). Sur cet intervalle, le cosinus est positif, donc \(\cos \theta = \sqrt{1 – \sin^2 \theta} = \sqrt{1 – x^2}\). Il vient alors \(\psi(x) = 2\sin \theta\cos \theta\), soit \(\psi(x) = \sin 2\theta\).

  3. Si \(|x| \leq \frac{\sqrt{2}}{2}\), la croissance de \(\mathrm{Arcsin}\) donne \(\theta \in \left[-\frac{\pi}{4}\,;\,\frac{\pi}{4}\right]\), donc \(2\theta \in \left[-\frac{\pi}{2}\,;\,\frac{\pi}{2}\right]\). Dans cet intervalle, \(\mathrm{Arcsin}(\sin 2\theta) = 2\theta\), d’où \(G(x) = 2\,\mathrm{Arcsin}\,x\).

    Si \(\frac{\sqrt{2}}{2} \leq x \leq 1\), alors \(\theta \in \left[\frac{\pi}{4}\,;\,\frac{\pi}{2}\right]\). Cette fois, c’est \(\pi – 2\theta\) qui appartient à \(\left[0\,;\,\frac{\pi}{2}\right]\). Comme \(\sin(\pi – 2\theta) = \sin 2\theta\), on obtient \(G(x) = \pi – 2\,\mathrm{Arcsin}\,x\).

    Enfin, pour \(-1 \leq x \leq -\frac{\sqrt{2}}{2}\), on utilise l’imparité : \(G(x) = -G(-x) = -\pi + 2\,\mathrm{Arcsin}(-x)\). Ainsi, \(G(x) = -\pi – 2\,\mathrm{Arcsin}\,x\). Pour \(x = -1\), on retrouve bien \(G(-1) = -\pi + \pi = 0 = \mathrm{Arcsin}\,0\).

  4. La fonction \(\mathrm{Arcsin}\) est dérivable sur \(]-1\,;\,1[\). Sur \(\left]-\frac{\sqrt{2}}{2}\,;\,\frac{\sqrt{2}}{2}\right[\), on a donc \(G^{\prime}(x) = \frac{2}{\sqrt{1 – x^2}}\). Sur les deux autres morceaux ouverts, on obtient \(G^{\prime}(x) = -\frac{2}{\sqrt{1 – x^2}}\).

    En \(\frac{\sqrt{2}}{2}\), les deux expressions valent \(\frac{\pi}{2}\), donc \(G\) est continue. À gauche, le taux d’accroissement tend vers la dérivée de \(2\,\mathrm{Arcsin}\), soit \(\frac{2}{\sqrt{1/2}} = 2\sqrt{2}\). À droite, il tend vers \(-2\sqrt{2}\). Ces deux nombres diffèrent, donc \(G\) n’est pas dérivable en \(\pm\frac{\sqrt{2}}{2}\), et sa courbe y présente un point anguleux.

  5. Sur \([-1\,;\,0]\), les formules montrent que \(G \leq 0\). Toute solution de \(G(x) = \frac{\pi}{3}\) se trouve donc dans \([0\,;\,1]\). Sur \(\left[0\,;\,\frac{\sqrt{2}}{2}\right]\), l’égalité \(2\,\mathrm{Arcsin}\,x = \frac{\pi}{3}\) donne \(x = \sin \frac{\pi}{6} = \frac{1}{2}\), qui convient.

    Sur \(\left[\frac{\sqrt{2}}{2}\,;\,1\right]\), l’égalité \(\pi – 2\,\mathrm{Arcsin}\,x = \frac{\pi}{3}\) donne \(\mathrm{Arcsin}\,x = \frac{\pi}{3}\), soit \(x = \frac{\sqrt{3}}{2}\). Ce réel convient aussi, car \(\sqrt{3} > \sqrt{2}\). L’ensemble des solutions est donc \(\left\{\frac{1}{2}\,;\,\frac{\sqrt{3}}{2}\right\}\), comme le confirme la courbe.

Courbe de G sur l'intervalle de -1 à 1, avec deux points anguleux en plus ou moins racine de 2 sur 2 et la droite y = pi sur 3

Barème : 1) 1 point, 0,5 pour l’inégalité et 0,5 pour l’imparité ; 2) 0,5 point ; 3) 1,5 point, 0,5 par morceau ; 4) 1 point, dont 0,5 pour les dérivées latérales ; 5) 1 point, 0,5 pour la courbe et 0,5 pour les deux solutions.

Piège classique : écrire \(\mathrm{Arcsin}(\sin 2\theta) = 2\theta\) sans condition ; cette égalité exige que \(2\theta\) reste dans \(\left[-\frac{\pi}{2}\,;\,\frac{\pi}{2}\right]\).

À retenir de ce contrôle

  • L’égalité cos a = cos b équivaut à a = b ou a = −b modulo 2π : oublier la seconde famille fait perdre la moitié des solutions.
  • Une fonction de dérivée nulle est constante sur chaque intervalle de son domaine, mais la constante peut changer d’un intervalle à l’autre.
  • La formule a cos x + b sin x = r cos(x − φ) transforme une équation en une simple égalité de cosinus.
  • Arcsin(sin t) ne vaut t que pour t dans [−π/2, π/2] ; ailleurs, il faut se ramener dans cet intervalle par symétrie.
  • Pour une étude de fonction, la parité réduit le travail de moitié, et le théorème de la bijection donne l’existence et l’unicité d’un zéro.

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Consolider formules trigonométriques et fonctions arc après ce corrigé

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