Résumé
Cette leçon ouvre la trigonométrie analytique, qui étudie les relations algébriques entre les fonctions trigonométriques. Elle définit avec précision ce qu’est une identité, une égalité vraie sur tout l’ensemble de définition commun de ses deux membres, et réunit les identités fondamentales : les identités des inverses, du quotient, pythagoriciennes, de parité et des cofonctions, qui se lisent en outre comme longueurs de segments sur le cercle trigonométrique. Elle enseigne la méthode pour démontrer une identité, en transformant un membre en l’autre ou les deux en une même expression, et montre pourquoi il n’est pas valide de partir de l’identité et de l’élever au carré ; une seule exception, un contre-exemple, suffit à réfuter une identité fausse. Elle exprime chaque fonction en fonction d’une autre, avec le signe que fixe le quadrant, simplifie des expressions en veillant à l’ensemble de définition, convertit des racines algébriques en fonctions trigonométriques au moyen de substitutions et, en éliminant le paramètre, reconnaît dans le point une ellipse et dans le point une hyperbole.
Objectifs d’apprentissage
- Définir avec précision une identité trigonométrique, déterminer son ensemble de définition commun et la distinguer d’une équation, et réunir et démontrer les identités fondamentales, aussi dans leur lecture géométrique comme segments.
- Démontrer des identités en transformant un membre en l’autre ou les deux en une expression commune, reconnaître des raisonnements non valides et réfuter une identité fausse par un contre-exemple.
- Exprimer chaque fonction trigonométrique en fonction d’une autre, avec le signe qui correspond au quadrant, et simplifier des expressions en conservant leur ensemble de définition.
- Employer des substitutions trigonométriques pour transformer des expressions avec des racines, et éliminer le paramètre dans les paramétrages trigonométriques de l’ellipse et de l’hyperbole.
Ce qu’est une identité
Certaines égalités entre fonctions trigonométriques sont vraies pour tout nombre réel, comme , démontrée dans la leçon sur les rapports trigonométriques et le cercle trigonométrique ; d’autres, comme , seulement pour certaines valeurs, que la leçon sur les fonctions trigonométriques réciproques a appris à trouver. La différence est de nature : la première affirme quelque chose de tous les nombres, et la seconde pose une question. Or la phrase « pour tout nombre réel » exige une précision, car beaucoup d’expressions trigonométriques ne sont pas définies en tous les nombres.
Une identité trigonométrique est une égalité entre deux expressions construites avec des fonctions trigonométriques qui est vraie pour toutes les valeurs de la variable où les deux membres sont définis. L’ensemble de ces valeurs est l’ensemble de définition commun de l’identité. Une égalité qui n’est vraie que pour certaines valeurs de l’ensemble de définition commun est une équation, et ces valeurs sont ses solutions.
L’ensemble de définition n’est pas un détail. La tangente est définie là où le cosinus ne s’annule pas, et la cotangente, là où le sinus ne s’annule pas ; par conséquent, le produit des deux est défini exactement lorsque n’est pas un multiple entier de , et il y vaut :
Aux multiples de , l’identité n’affirme rien, car son premier membre ne désigne aucun nombre. De même, est une identité sur son ensemble de définition commun, qui exclut les multiples de ; pourtant, les fonctions et ne sont pas égales, car, d’après la leçon du cours I sur les opérations sur les fonctions, deux fonctions égales ont le même ensemble de définition, et la seconde est définie, par exemple, en . Une identité ne compare donc deux expressions que là où toutes deux ont un sens.
Les identités fondamentales
Les identités ci-dessous s’obtiennent directement des définitions et des théorèmes de l’unité qui précède ; toutes les autres s’en déduisent.
Sur l’ensemble de définition commun de chaque égalité sont vraies les identités des inverses, du quotient et pythagoriciennes ci-dessous. En outre, le sinus, la tangente, la cosécante et la cotangente sont des fonctions impaires, et le cosinus et la sécante sont des fonctions paires ; et chaque fonction de est sa cofonction de , où le sinus et le cosinus, la tangente et la cotangente, la sécante et la cosécante sont cofonctions l’une de l’autre.
Tout se lit sur le point de la leçon sur les rapports trigonométriques : les quatre fonctions restantes y ont été définies comme quotients de ses coordonnées, et le théorème des symétries du sinus et du cosinus, démontré dans cette leçon, donne les symétriques de par rapport à l’axe des et à la droite . Les autres identités s’obtiennent en passant aux quotients et aux inverses. La figure utilise un angle aigu.
Démonstration
Les identités des inverses et du quotient sont les définitions de la tangente, de la cotangente, de la sécante et de la cosécante : chacune est définie là où son dénominateur ne s’annule pas, et sur cet ensemble le produit d’une fonction par son inverse vaut . Sur la figure, le sinus et le cosinus sont les coordonnées de .
Le point est à distance de l’origine : c’est la première identité pythagoricienne, démontrée dans la leçon sur les rapports trigonométriques. Là où , on divise ses deux membres par , et là où , par ; les identités de l’étape qui précède donnent alors les deux autres.
Le symétrique de par rapport à l’axe des est : d’après le théorème des symétries, le cosinus est pair et le sinus est impair. En particulier, est dans l’ensemble de définition de chaque fonction exactement lorsque y est, car les zéros du sinus et du cosinus sont symétriques.
En passant aux inverses et aux quotients, un signe moins apparaît dans les fonctions dont l’expression contient le sinus une seule fois : la sécante est paire, et la cosécante, la tangente et la cotangente sont impaires.
Le symétrique de par rapport à la droite est : d’après le théorème des symétries, cette symétrie échange le sinus et le cosinus.
En passant aux inverses et aux quotients, on échange aussi la sécante et la cosécante, et la tangente et la cotangente. Les ensembles de définition se correspondent : est dans l’ensemble de définition de la sécante si et seulement si est dans celui de la cosécante, car , et il en va de même pour les autres.
Les six fonctions comme segments
Les noms de la tangente et de la sécante viennent de la géométrie : pour un angle aigu, ce sont des longueurs de segments sur une droite tangente et sur une droite sécante au cercle trigonométrique. Cette figure classique réunit en un seul dessin les six fonctions et les trois identités pythagoriciennes.
Soient , le point du cercle trigonométrique, le pied de la perpendiculaire menée de ce point à l’axe des , et . La droite qui contient le côté final coupe la tangente verticale en en un point , et la tangente horizontale en en un point . Alors le cosinus, le sinus, la tangente, la sécante, la cotangente et la cosécante de sont, respectivement, les longueurs des segments qui vont de à , de à , de à , de à , de à et de à ; et le théorème de Pythagore dans le triangle de sommets , et , et dans celui de sommets , et , est, respectivement, la deuxième et la troisième identité pythagoricienne.
On parcourt la figure segment par segment. L’outil est celui qui, dans la leçon sur les rapports trigonométriques, a donné le sens de la tangente : la droite qui contient le côté final passe par l’origine et a pour pente , de sorte que son équation est .
Démonstration
Par définition, les coordonnées de sont le cosinus et le sinus ; le segment horizontal qui va de à mesure l’abscisse, et le segment vertical qui va de à , l’ordonnée, toutes deux strictement positives dans le premier quadrant.
La tangente au cercle en est la droite . En substituant dans l’équation du côté final, on obtient : le segment qui va de à , sur la droite tangente, mesure .
Le point est le point multiplié par , car . Comme est à distance de l’origine, est à distance : le segment qui va de à , sur la droite sécante, mesure la sécante.
Le triangle de sommets , et est rectangle en , de côtés de l’angle droit et et d’hypoténuse . Le théorème de Pythagore dans ce triangle est la deuxième identité pythagoricienne.
La tangente en est la droite . En substituant dans , on obtient ; et comme , le point est multiplié par . Par conséquent, le segment qui va de à mesure la cotangente, et celui qui va de à , la cosécante.
Le triangle de sommets , et est rectangle en , de côtés de l’angle droit et et d’hypoténuse : on en déduit la troisième identité pythagoricienne. Son angle en mesure , et dans ce triangle la cotangente de est le côté opposé : c’est la tangente de l’angle complémentaire.
On lit aussi sur la figure que la sécante et la cosécante d’un angle aigu sont strictement supérieures à , car ce sont des hypoténuses de triangles dont un côté de l’angle droit a pour longueur , et que la tangente est strictement inférieure à la sécante. La première identité pythagoricienne est, de même, le théorème de Pythagore dans le triangle de sommets , et .
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