Résumé
Cette leçon résout les équations et les inéquations dans lesquelles l’inconnue figure à l’intérieur de fonctions trigonométriques. Elle démontre d’abord les solutions générales de , et sur toute la droite réelle, qui prolongent par périodicité les solutions sur un tour obtenues avec les fonctions réciproques, et elle compte combien d’entre elles tombent dans un intervalle donné. Elle enseigne ensuite à ramener à ces équations élémentaires celles qui se résolvent par des identités, par factorisation ou avec des angles multiples, au moyen de l’égalité de deux sinus ou de deux cosinus ; elle résout les équations linéaires en sinus et cosinus avec la forme harmonique, avec leur condition de résolubilité, ainsi que les équations homogènes, et elle montre comment diviser fait perdre des solutions et élever au carré en ajoute. Enfin, elle résout les inéquations sur un tour avec le cercle trigonométrique et avec des tableaux de signes, et les prolonge périodiquement.
Objectifs d’apprentissage
- Démontrer et appliquer les solutions générales des équations élémentaires du sinus, du cosinus et de la tangente, et compter leurs solutions dans un intervalle donné.
- Ramener une équation trigonométrique à des équations élémentaires au moyen d’identités, de la factorisation, de l’égalité de deux sinus ou de deux cosinus et de la forme harmonique, et décider quand une équation linéaire en sinus et cosinus a une solution.
- Reconnaître les solutions que l’on perd en divisant et celles que l’on ajoute en élevant au carré ou en multipliant, et vérifier chaque solution obtenue dans l’équation initiale.
- Résoudre des inéquations trigonométriques sur un tour avec le cercle trigonométrique et avec des tableaux de signes, et écrire leur solution générale.
Les solutions générales des équations élémentaires
Une équation trigonométrique est une équation dans laquelle l’inconnue figure dans l’argument de fonctions trigonométriques, comme ou ; la résoudre, c’est trouver l’ensemble de tous les nombres réels qui la vérifient. Dans la leçon sur les fonctions trigonométriques réciproques, on a démontré le théorème des équations élémentaires, qui donne les solutions de et de dans . Or le sinus et le cosinus ont pour période , et la tangente a pour période , d’après la leçon sur les fonctions trigonométriques et leurs courbes ; il s’ensuit que chaque solution se répète une infinité de fois, et que pour les décrire toutes il suffit de les connaître dans un intervalle dont la longueur est une période. Le fait qui permet de passer d’un tel intervalle à toute la droite est une variante du théorème de réduction au premier tour, démontré dans la leçon sur les angles et leur mesure.
Soient et des nombres réels. Pour tout réel , il existe un unique entier tel que .
Un changement d’échelle envoie l’intervalle sur le premier tour, , et le théorème de réduction au premier tour fournit l’entier cherché. La figure utilise , et .
Démonstration
Soit le nombre que l’on obtient à partir de en retranchant et en multipliant par . D’après le théorème de réduction au premier tour, il existe un unique entier et un unique dans tels que .
On multiplie par , qui est strictement positif et conserve les inégalités, et on ajoute : le nombre est dans l’intervalle demandé. Sur la figure, et .
Unicité : si un entier vérifie aussi , en retranchant et en multipliant par on obtient que est dans , de sorte que est une autre décomposition comme celle de la première étape ; par l’unicité que donne le théorème de réduction, .
Soit un nombre réel tel que . Les solutions de sont les nombres et , et celles de , les nombres et , où parcourt les entiers. Pour tout réel , les solutions de sont les nombres , avec entier. Si , les équations du sinus et du cosinus n’ont pas de solution.
Avec la notation des ensembles et des connecteurs logiques, le théorème s’écrit ainsi :
On travaille d’abord sur , qui est un tour, coupé en deux : sur , le sinus est strictement croissant, par le théorème de monotonie sur les intervalles principaux, que la leçon sur les fonctions réciproques déduit de l’axiome du parcours par longueur d’arc, et sur agit la symétrie des angles supplémentaires, , de la leçon sur les rapports trigonométriques. Le lemme étend le résultat à toute la droite, et l’équation du cosinus se ramène à celle du sinus. Les figures utilisent , avec .
Démonstration
Soit , qui est dans et vérifie . Comme le sinus est strictement croissant sur cet intervalle, il n’y prend pas deux fois la même valeur : est l’unique solution dans la première moitié du tour. Sur le cercle trigonométrique, est le point de la moitié droite qui se trouve à la hauteur .
Si est dans , l’angle est dans et a le même sinus que . D’après l’étape qui précède, est solution exactement lorsque : la droite horizontale de hauteur coupe la moitié gauche au point symétrique .
Soit maintenant un réel quelconque. D’après le lemme, avec et , on écrit avec dans le tour étudié, et par périodicité . Par conséquent, est solution si et seulement si vaut ou .
Réciproquement, tout nombre de ces deux familles est solution, là encore par périodicité. Sur la courbe du sinus, la droite coupe la courbe en deux points par période. Si ou , les deux familles coïncident, car diffère de d’un multiple de , et il y a un seul point d’intersection par période.
Pour le cosinus, on utilise la symétrie des angles complémentaires, , et le théorème des angles complémentaires de la leçon sur les fonctions réciproques, . En appliquant l’étape qui précède à l’angle , on obtient deux familles.
En exprimant , les familles sont et ; comme parcourt les entiers lorsque les parcourt, ce sont celles de l’énoncé. Sur le cercle, les points et , avec , sont les deux intersections de la droite verticale d’abscisse .
Pour la tangente, de période , on applique le lemme avec et : si avec dans , où la tangente est une bijection sur , l’unique solution est ; le point ne compte pas, car la tangente n’y est pas définie. Si , ni le sinus ni le cosinus n’atteignent la valeur , car leurs valeurs sont dans .
Par exemple, comme , les solutions de sont celles des deux familles ci-dessous ; avec dans la première et dans la seconde, on obtient les deux qui sont dans , à savoir et , comme dans la leçon sur les fonctions réciproques.
Les solutions de forment deux familles, et , qui sont ensemble les multiples entiers de ; celles de sont , qui sont ensemble les nombres . Ces deux descriptions compactes servent souvent :
Le nombre de solutions dans un intervalle
Les questions sur les équations trigonométriques se limitent d’ordinaire à un intervalle, presque toujours . Le lemme dit que chaque famille de la forme a exactement un élément dans , quel que soit ; il en découle le nombre de solutions des équations élémentaires sur un tour quelconque.
Soient et des nombres réels. Si , chacune des équations et a exactement deux solutions dans , et si , exactement une. L’équation a exactement une solution dans .
Chaque famille de solutions fournit un unique élément au tour, d’après le lemme ; il suffit de savoir quand les deux familles du sinus, ou les deux du cosinus, sont une même famille. Les figures utilisent , avec et .
Démonstration
Soit un nombre réel. D’après le lemme, avec , il existe un unique entier tel que soit dans : la famille des nombres , avec entier, a exactement un élément dans le tour.
Soit , dans . Si les deux familles du sinus ont un élément commun, elles sont la même famille, et cela se produit exactement lorsque vaut ou , c’est-à-dire lorsque . Par conséquent, si les deux familles fournissent deux solutions distinctes au tour, et si , une seule.
Soit , dans . Les deux familles du cosinus ont un élément commun exactement lorsque est un multiple entier de , c’est-à-dire lorsque vaut ou , ce qui équivaut à ; le décompte est le même que pour le sinus.
Pour la tangente, il y a une seule famille, d’écart entre deux éléments consécutifs, et le lemme, avec , lui donne exactement un élément dans . Cet élément est solution, car n’est jamais de la forme , où la tangente n’est pas définie : est dans .
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