Trigonométrie
En enroulant la droite des réels autour d'un cercle de rayon 1, on associe à chaque nombre réel un point du cercle, donc un cosinus et un sinus. Les angles deviennent des nombres : les radians.
- Utiliser le cercle trigonométrique et le radian
- Définir cosinus et sinus d'un réel
- Connaître les valeurs remarquables
- Utiliser les symétries du cercle
Cours
1. Cercle trigonométrique et radian
Dans un repère orthonormé $(O\,;\,I, J)$, le cercle trigonométrique est le cercle de centre $O$ et de rayon 1, orienté dans le sens direct (inverse des aiguilles d'une montre).
On « enroule » une droite graduée tangente au cercle en $I$ : à chaque réel $x$ correspond un unique point $M$ du cercle. Comme le périmètre du cercle vaut $2\pi$, les réels $x$ et $x + 2k\pi$ ($k \in \mathbb{Z}$) sont associés au même point.
Le radian est la mesure de l'angle au centre qui intercepte un arc de longueur 1 sur le cercle trigonométrique. Un tour complet mesure $2\pi$ rad, donc $\pi \text{ rad} = 180^\circ$ : on convertit par proportionnalité.
| degrés | 0 | 30 | 45 | 60 | 90 | 180 | 360 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| radians | 0 | $\frac{\pi}{6}$ | $\frac{\pi}{4}$ | $\frac{\pi}{3}$ | $\frac{\pi}{2}$ | $\pi$ | $2\pi$ |
Parmi toutes les mesures $x + 2k\pi$ associées à un point, une seule appartient à $]-\pi\,;\,\pi]$ : c'est la mesure principale. Exemple : $\frac{17\pi}{6} = \frac{5\pi}{6} + 2\pi$, sa mesure principale est $\frac{5\pi}{6}$.
2. Cosinus et sinus d'un réel
Soit $x$ un réel et $M$ le point du cercle trigonométrique associé. Le cosinus de $x$ est l'abscisse de $M$, le sinus de $x$ est son ordonnée : $M(\cos x\,;\,\sin x)$.
Pour tout réel $x$ et tout entier $k$ :
- $-1 \leqslant \cos x \leqslant 1$ et $-1 \leqslant \sin x \leqslant 1$ ;
- $\cos^2 x + \sin^2 x = 1$ (Pythagore dans le triangle $O$, projeté de $M$, $M$) ;
- $\cos(x + 2k\pi) = \cos x$ et $\sin(x + 2k\pi) = \sin x$.
Si $0 < x < \frac{\pi}{2}$, le triangle formé par $O$, $M$ et son projeté $H$ sur l'axe des abscisses est rectangle en $H$, d'hypoténuse $OM = 1$ : on retrouve $\cos x = \frac{OH}{OM}$ (adjacent / hypoténuse) et $\sin x = \frac{HM}{OM}$ (opposé / hypoténuse).
3. Valeurs remarquables
$\cos\dfrac{\pi}{4} = \sin\dfrac{\pi}{4} = \dfrac{\sqrt{2}}{2}$ ; $\quad\cos\dfrac{\pi}{3} = \dfrac{1}{2},\ \sin\dfrac{\pi}{3} = \dfrac{\sqrt{3}}{2}$ ; $\quad\cos\dfrac{\pi}{6} = \dfrac{\sqrt{3}}{2},\ \sin\dfrac{\pi}{6} = \dfrac{1}{2}$.
Pour $\frac{\pi}{4}$. Le point $M$ associé est sur la bissectrice de l'angle $\widehat{IOJ}$ (45°), donc $\cos\frac{\pi}{4} = \sin\frac{\pi}{4} = c$ avec $c > 0$. Avec $\cos^2 + \sin^2 = 1$ : $2c^2 = 1$, $c = \frac{1}{\sqrt 2} = \frac{\sqrt2}{2}$.
Pour $\frac{\pi}{3}$. Soit $M$ associé à $\frac{\pi}{3}$. Le triangle $OIM$ est isocèle en $O$ ($OI = OM = 1$) avec un angle au sommet de 60°, donc ses angles à la base valent aussi 60° : il est équilatéral. Le projeté $H$ de $M$ sur $(OI)$ est le pied de la hauteur, qui est aussi médiane : $H$ est le milieu de $[OI]$, donc $\cos\frac{\pi}{3} = OH = \frac12$.
Puis $\sin^2\frac{\pi}{3} = 1 - \frac14 = \frac34$ et $\sin\frac{\pi}{3} > 0$, d'où $\sin\frac{\pi}{3} = \frac{\sqrt3}{2}$.
Pour $\frac{\pi}{6}$. Les points associés à $\frac{\pi}{6}$ et $\frac{\pi}{3}$ sont symétriques par rapport à la droite $y = x$ (car $\frac{\pi}{6} = \frac{\pi}{2} - \frac{\pi}{3}$), ce qui échange abscisse et ordonnée : $\cos\frac{\pi}{6} = \frac{\sqrt3}{2}$ et $\sin\frac{\pi}{6} = \frac12$. $\blacksquare$
| $x$ | $0$ | $\frac{\pi}{6}$ | $\frac{\pi}{4}$ | $\frac{\pi}{3}$ | $\frac{\pi}{2}$ | $\pi$ |
|---|---|---|---|---|---|---|
| $\cos x$ | $1$ | $\frac{\sqrt3}{2}$ | $\frac{\sqrt2}{2}$ | $\frac12$ | $0$ | $-1$ |
| $\sin x$ | $0$ | $\frac12$ | $\frac{\sqrt2}{2}$ | $\frac{\sqrt3}{2}$ | $1$ | $0$ |
4. Angles associés
Pour tout réel $x$ :
| Réel | Symétrie | cosinus | sinus |
|---|---|---|---|
| $-x$ | axe des abscisses | $\cos x$ | $-\sin x$ |
| $\pi - x$ | axe des ordonnées | $-\cos x$ | $\sin x$ |
| $\pi + x$ | centre $O$ | $-\cos x$ | $-\sin x$ |
| $\frac{\pi}{2} - x$ | droite $y = x$ | $\sin x$ | $\cos x$ |
$\cos\frac{5\pi}{6} = \cos\left(\pi - \frac{\pi}{6}\right) = -\frac{\sqrt3}{2}$ ; $\quad\sin\left(-\frac{2\pi}{3}\right) = -\sin\frac{2\pi}{3} = -\sin\left(\pi - \frac{\pi}{3}\right) = -\frac{\sqrt3}{2}$.
$\cos x = \frac12$ : on place $\frac12$ sur l'axe des abscisses, la droite verticale coupe le cercle en deux points : $x = \frac{\pi}{3}$ ou $x = -\frac{\pi}{3}$.
5. Algorithme : approcher π
Archimède encadre $\pi$ entre $3 + \frac{10}{71}$ et $3 + \frac17$ avec des polygones à 96 côtés. La trigonométrie antique (Hipparque, Ptolémée) utilisait la « corde » d'un arc ; le sinus vient de l'astronomie indienne, transmise par les savants arabes.
Méthodes à connaître
- Écris le réel sous la forme $\frac{k\pi}{n}$ et retire des multiples de $2\pi$ pour te ramener à $]-\pi\,;\,\pi]$ (mesure principale).
- Repère le quart de cercle, puis utilise les valeurs remarquables ($\frac\pi6$, $\frac\pi4$, $\frac\pi3$).
- Lis $\cos x$ (abscisse) et $\sin x$ (ordonnée), avec le bon signe.
Exemple. $\frac{17\pi}{6} = 2\pi + \frac{5\pi}{6}$ : $\cos = -\frac{\sqrt3}{2}$, $\sin = \frac12$.
- Repère la symétrie : $-x$ (axe des abscisses), $\pi - x$ (axe des ordonnées), $\pi + x$ (origine), $\frac\pi2 - x$ (première bissectrice).
- Déduis les signes : $\cos(\pi - x) = -\cos x$, $\sin(\pi - x) = \sin x$, $\cos(\frac\pi2 - x) = \sin x$…
Mini-jeux
Exercices
Convertir en radians : 15°, 150°, 225°. Convertir en degrés : $\frac{7\pi}{6}$, $\frac{3\pi}{5}$.
$\frac{\pi}{12}$, $\frac{5\pi}{6}$, $\frac{5\pi}{4}$ ; $\;210°$, $108°$.
Donner la mesure principale de $\frac{13\pi}{4}$, $-\frac{7\pi}{3}$, $\frac{31\pi}{6}$.
$\frac{13\pi}{4} - 4\pi = -\frac{3\pi}{4}$ ; $\;-\frac{7\pi}{3} + 2\pi = -\frac{\pi}{3}$ ; $\;\frac{31\pi}{6} - 4\pi = \frac{7\pi}{6}$, puis $-2\pi$ : $-\frac{5\pi}{6}$.
Calculer $\cos\frac{2\pi}{3}$, $\sin\frac{3\pi}{4}$, $\cos\left(-\frac{\pi}{6}\right)$, $\sin\frac{7\pi}{6}$.
$-\frac12$ ; $\frac{\sqrt2}{2}$ ; $\frac{\sqrt3}{2}$ ; $-\frac12$.
On sait que $x \in \left[\frac{\pi}{2}\,;\,\pi\right]$ et $\sin x = \frac35$. Calculer $\cos x$.
$\cos x =$
$\cos^2 x = 1 - \frac{9}{25} = \frac{16}{25}$ et $\cos x \leqslant 0$ sur cet intervalle : $\cos x = -\frac45$.
Résoudre dans $]-\pi\,;\,\pi]$ : $\cos x = -\frac{\sqrt2}{2}$ ; $\;\sin x = \frac{\sqrt3}{2}$ ; $\;2\sin x + 1 = 0$.
$x = \pm\frac{3\pi}{4}$ ; $\;x = \frac{\pi}{3}$ ou $\frac{2\pi}{3}$ ; $\;\sin x = -\frac12$ : $x = -\frac{\pi}{6}$ ou $-\frac{5\pi}{6}$.
Simplifier $A = \cos(\pi - x) + \cos(-x) + \sin\left(\frac{\pi}{2} - x\right)$ et $B = \sin(\pi + x) - \sin(-x)$.
$A = -\cos x + \cos x + \cos x = \cos x$. $\;B = -\sin x + \sin x = 0$.
On admet que $\cos(a - b) = \cos a\cos b + \sin a \sin b$. En écrivant $\frac{\pi}{12} = \frac{\pi}{3} - \frac{\pi}{4}$, calculer la valeur exacte de $\cos\frac{\pi}{12}$.
$\cos\frac{\pi}{12} = \frac12 \cdot \frac{\sqrt2}{2} + \frac{\sqrt3}{2}\cdot\frac{\sqrt2}{2} = \frac{\sqrt2 + \sqrt6}{4} \approx 0{,}966$.