Cosinus et sinus d’angles associés

Calculer la valeur exacte du cosinus et du sinus de chacun des réels suivants en se ramenant à une valeur remarquable.

  1. $ \dfrac{2\pi}{3} $

    $ -\dfrac{\pi}{4} $

    $ \dfrac{7\pi}{6} $

    $ \dfrac{\pi}{2}-\dfrac{\pi}{6} $

    $ \dfrac{\pi}{2}+\dfrac{\pi}{3} $

Corrigé

On utilise les formules des angles associés, qui ramènent chaque calcul à une valeur remarquable du tableau ($ \dfrac{\pi}{6} $, $ \dfrac{\pi}{4} $, $ \dfrac{\pi}{3} $).

  1. On écrit l'angle sous la forme $ \pi-a $ :

    $ \dfrac{2\pi}{3}=\dfrac{3\pi-\pi}{3}=\pi-\dfrac{\pi}{3} $

    Avec les formules $ \cos(\pi-x)=-\cos(x) $ et $ \sin(\pi-x)=\sin(x) $ appliquées à $ a=\dfrac{\pi}{3} $ :

    $ \cos\left(\dfrac{2\pi}{3}\right)=-\cos\left(\dfrac{\pi}{3}\right)=-\dfrac{1}{2} $

    $ \sin\left(\dfrac{2\pi}{3}\right)=\sin\left(\dfrac{\pi}{3}\right)=\dfrac{\sqrt{3}}{2} $

    D'où $\mathbf{\cos\left(\dfrac{2\pi}{3}\right)=-\dfrac{1}{2}}$ et $\mathbf{\sin\left(\dfrac{2\pi}{3}\right)=\dfrac{\sqrt{3}}{2}}$.

    L'angle $ -\dfrac{\pi}{4} $ est de la forme $ -a $ avec $ a=\dfrac{\pi}{4} $.

    Avec les formules $ \cos(-x)=\cos(x) $ et $ \sin(-x)=-\sin(x) $ :

    $ \cos\left(-\dfrac{\pi}{4}\right)=\cos\left(\dfrac{\pi}{4}\right)=\dfrac{\sqrt{2}}{2} $

    $ \sin\left(-\dfrac{\pi}{4}\right)=-\sin\left(\dfrac{\pi}{4}\right)=-\dfrac{\sqrt{2}}{2} $

    D'où $\mathbf{\cos\left(-\dfrac{\pi}{4}\right)=\dfrac{\sqrt{2}}{2}}$ et $\mathbf{\sin\left(-\dfrac{\pi}{4}\right)=-\dfrac{\sqrt{2}}{2}}$.

    On écrit l'angle sous la forme $ \pi+a $ :

    $ \dfrac{7\pi}{6}=\dfrac{6\pi+\pi}{6}=\pi+\dfrac{\pi}{6} $

    Avec les formules $ \cos(\pi+x)=-\cos(x) $ et $ \sin(\pi+x)=-\sin(x) $ appliquées à $ a=\dfrac{\pi}{6} $ :

    $ \cos\left(\dfrac{7\pi}{6}\right)=-\cos\left(\dfrac{\pi}{6}\right)=-\dfrac{\sqrt{3}}{2} $

    $ \sin\left(\dfrac{7\pi}{6}\right)=-\sin\left(\dfrac{\pi}{6}\right)=-\dfrac{1}{2} $

    D'où $\mathbf{\cos\left(\dfrac{7\pi}{6}\right)=-\dfrac{\sqrt{3}}{2}}$ et $\mathbf{\sin\left(\dfrac{7\pi}{6}\right)=-\dfrac{1}{2}}$.

    L'angle est de la forme $ \dfrac{\pi}{2}-a $ avec $ a=\dfrac{\pi}{6} $.

    Avec les formules $ \cos\left(\dfrac{\pi}{2}-x\right)=\sin(x) $ et $ \sin\left(\dfrac{\pi}{2}-x\right)=\cos(x) $ :

    $ \cos\left(\dfrac{\pi}{2}-\dfrac{\pi}{6}\right)=\sin\left(\dfrac{\pi}{6}\right)=\dfrac{1}{2} $

    $ \sin\left(\dfrac{\pi}{2}-\dfrac{\pi}{6}\right)=\cos\left(\dfrac{\pi}{6}\right)=\dfrac{\sqrt{3}}{2} $

    D'où $\mathbf{\cos\left(\dfrac{\pi}{2}-\dfrac{\pi}{6}\right)=\dfrac{1}{2}}$ et $\mathbf{\sin\left(\dfrac{\pi}{2}-\dfrac{\pi}{6}\right)=\dfrac{\sqrt{3}}{2}}$.

    L'angle est de la forme $ \dfrac{\pi}{2}+a $ avec $ a=\dfrac{\pi}{3} $.

    Avec les formules $ \cos\left(\dfrac{\pi}{2}+x\right)=-\sin(x) $ et $ \sin\left(\dfrac{\pi}{2}+x\right)=\cos(x) $ :

    $ \cos\left(\dfrac{\pi}{2}+\dfrac{\pi}{3}\right)=-\sin\left(\dfrac{\pi}{3}\right)=-\dfrac{\sqrt{3}}{2} $

    $ \sin\left(\dfrac{\pi}{2}+\dfrac{\pi}{3}\right)=\cos\left(\dfrac{\pi}{3}\right)=\dfrac{1}{2} $

    D'où $\mathbf{\cos\left(\dfrac{\pi}{2}+\dfrac{\pi}{3}\right)=-\dfrac{\sqrt{3}}{2}}$ et $\mathbf{\sin\left(\dfrac{\pi}{2}+\dfrac{\pi}{3}\right)=\dfrac{1}{2}}$.

Remarque

Plutôt que de mémoriser toutes les formules, on peut placer le point image sur le cercle trigonométrique : l'abscisse donne le cosinus et l'ordonnée donne le sinus. Le cadran indique alors directement les signes, et la symétrie avec un angle remarquable du premier cadran donne la valeur absolue. La méthode des angles associés détaille cette démarche.

Vrai/Faux : Cercle trigonométrique

[enonce]
Pour chaque affirmation suivante, indiquez si elle est Vraie ou Fausse.
[/enonce]

[etape]
Affirmation : Soient $\alpha = \dfrac{\pi}{5}$ et $\beta = \dfrac{21\pi}{5}$.
Les réels $\alpha$ et $\beta$ sont repérés par le même point sur le cercle trigonométrique.

[qcm]
[option correct="true"]Vrai[/option]
[option]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Correct !
On calcule : $\beta = \dfrac{21\pi}{5} = \dfrac{\pi + 20\pi}{5} = \dfrac{\pi}{5} + 4\pi = \alpha + 2 \times 2\pi.$
Les nombres $\alpha$ et $\beta$ diffèrent d'un multiple de $2\pi$, donc ils représentent le même point sur le cercle trigonométrique.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est vraie.
L'erreur fréquente est de comparer $\alpha$ et $\beta$ directement sans décomposer $\beta$ pour faire apparaître $\alpha$ plus un multiple de $2\pi$.
On calcule : $\beta = \dfrac{21\pi}{5} = \dfrac{\pi + 20\pi}{5} = \dfrac{\pi}{5} + 4\pi = \alpha + 2 \times 2\pi.$
Les nombres $\alpha$ et $\beta$ diffèrent d'un multiple de $2\pi$, donc ils représentent bien le même point.[/reponse]
[/qcm]

[solution]
Cette affirmation est vraie. $\beta = \dfrac{21\pi}{5} = \dfrac{\pi}{5} + 4\pi = \alpha + 2 \times 2\pi$, donc $\alpha$ et $\beta$ correspondent au même point sur le cercle.
[/solution]
[/etape]

[etape]
Affirmation : Soient $A$ et $B$ les images respectives des réels $\dfrac{\pi}{3}$ et $\dfrac{2\pi}{3}$ sur le cercle trigonométrique.
Les points $A$ et $B$ ont la même ordonnée.

[qcm]
[option correct="true"]Vrai[/option]
[option]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Correct !

Cercle trigonométrique montrant A en pi/3 et B en 2pi/3, symétriques par rapport à l'axe des ordonnées

Les angles $\dfrac{\pi}{3}$ et $\dfrac{2\pi}{3}$ sont symétriques par rapport à l'axe des ordonnées. Ils ont donc le même sinus (la même ordonnée).[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est vraie.
L'erreur fréquente est de confondre l'abscisse (cosinus) et l'ordonnée (sinus) : ici $\cos \dfrac{\pi}{3} \neq \cos \dfrac{2\pi}{3}$ mais $\sin \dfrac{\pi}{3} = \sin \dfrac{2\pi}{3}$.
Les angles $\dfrac{\pi}{3}$ et $\dfrac{2\pi}{3}$ sont symétriques par rapport à l'axe des ordonnées. Ils ont donc le même sinus, c'est-à-dire la même ordonnée sur le cercle trigonométrique.[/reponse]
[/qcm]

[solution]
Cette affirmation est vraie. $\dfrac{\pi}{3}$ et $\dfrac{2\pi}{3}$ sont symétriques par rapport à l'axe des ordonnées, donc $\sin\dfrac{\pi}{3} = \sin\dfrac{2\pi}{3} = \dfrac{\sqrt{3}}{2}$ : même ordonnée.
[/solution]
[/etape]

[etape]
Affirmation : Soit $\alpha$ un nombre réel et $M$, $N$ les images respectives de $\alpha$ et $\alpha + \pi$ sur le cercle trigonométrique.
Les points $M$ et $N$ sont symétriques par rapport à l'origine $O$.

[qcm]
[option correct="true"]Vrai[/option]
[option]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Correct !
Ajouter $\pi$ à un angle correspond à faire un demi-tour sur le cercle. Les points $M$ et $N$ sont diamétralement opposés, donc symétriques par rapport à l'origine $O$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est vraie.
L'erreur fréquente est de confondre la symétrie par rapport à l'origine (demi-tour, $\alpha + \pi$) avec la symétrie par rapport à l'axe des abscisses (remplacement de $\alpha$ par $-\alpha$).
Ajouter $\pi$ à un angle correspond à faire un demi-tour sur le cercle. Les points $M$ et $N$ sont donc diamétralement opposés et bien symétriques par rapport à l'origine $O$.[/reponse]
[/qcm]

[solution]
Cette affirmation est vraie. Ajouter $\pi$ revient à faire un demi-tour : $M$ et $N$ sont diamétralement opposés, donc symétriques par rapport à $O$.
[/solution]
[/etape]

[etape]
Affirmation : Soient $a = \dfrac{\pi}{5}$ et $b = -\dfrac{4\pi}{5}$.
Les réels $a$ et $b$ sont repérés par le même point sur le cercle trigonométrique.

[qcm]
[option]Vrai[/option]
[option correct="true"]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Correct !
On remarque que $b = -\dfrac{4\pi}{5} = \dfrac{\pi - 5\pi}{5} = \dfrac{\pi}{5} - \pi = a - \pi$. Les points repérant $a$ et $b$ sont diamétralement opposés (symétriques par rapport à l'origine), pas confondus.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est fausse.
L'erreur fréquente est de vérifier si $b - a$ est un multiple de $2\pi$ sans remarquer que $b - a = -\pi$, qui est un multiple de $\pi$ mais pas de $2\pi$.
On calcule $b = -\dfrac{4\pi}{5} = \dfrac{\pi}{5} - \pi = a - \pi$. Les points repérant $a$ et $b$ sont diamétralement opposés, donc ils ne sont pas confondus.[/reponse]
[/qcm]

[solution]
Cette affirmation est fausse. $b = a - \pi$ : les deux points sont diamétralement opposés sur le cercle, pas confondus.
[/solution]
[/etape]

[etape]
Affirmation : Soient $M$ et $N$ les images des réels $\dfrac{\pi}{4}$ et $-\dfrac{\pi}{4}$ sur le cercle trigonométrique.
Les points $M$ et $N$ ont la même abscisse.

[qcm]
[option correct="true"]Vrai[/option]
[option]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Correct !

Cercle trigonométrique montrant M en pi/4 et N en -pi/4, symétriques par rapport à l'axe des abscisses

Les angles $\alpha$ et $-\alpha$ sont symétriques par rapport à l'axe des abscisses. Les points $M$ et $N$ ont donc la même abscisse (le même cosinus) et des ordonnées opposées.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est vraie.
L'erreur fréquente est de confondre symétrie par rapport à l'axe des abscisses (qui conserve le cosinus) et symétrie par rapport à l'axe des ordonnées (qui conserve le sinus).
Les angles $\dfrac{\pi}{4}$ et $-\dfrac{\pi}{4}$ sont symétriques par rapport à l'axe des abscisses. Les points $M$ et $N$ ont donc bien la même abscisse (le même cosinus).[/reponse]
[/qcm]

[solution]
Cette affirmation est vraie. $\dfrac{\pi}{4}$ et $-\dfrac{\pi}{4}$ sont symétriques par rapport à l'axe des abscisses, donc $\cos\dfrac{\pi}{4} = \cos\left(-\dfrac{\pi}{4}\right) = \dfrac{\sqrt{2}}{2}$ : même abscisse.
[/solution]
[/etape]

[etape]
Affirmation : Soit $\alpha$ un nombre réel et $P$, $Q$ les images respectives de $\alpha$ et $-\alpha$ sur le cercle trigonométrique.
Les points $P$ et $Q$ sont symétriques par rapport à l'axe des abscisses.

[qcm]
[option correct="true"]Vrai[/option]
[option]Faux[/option]
[reponse statut="correct"]Correct !
C'est une propriété générale du cercle trigonométrique. Le point repérant $-\alpha$ est le symétrique de celui repérant $\alpha$ par rapport à l'axe des abscisses.
On a ainsi $\cos(-\alpha) = \cos(\alpha)$ et $\sin(-\alpha) = -\sin(\alpha)$.[/reponse]
[reponse statut="incorrect"]Non, cette affirmation est vraie.
L'erreur fréquente est de confondre la symétrie par rapport à l'axe des abscisses ($\alpha \to -\alpha$) avec la symétrie par rapport à l'axe des ordonnées ($\alpha \to \pi - \alpha$).
C'est pourtant bien une propriété du cercle trigonométrique : le point repérant $-\alpha$ est le symétrique du point repérant $\alpha$ par rapport à l'axe des abscisses.
On a $\cos(-\alpha) = \cos(\alpha)$ et $\sin(-\alpha) = -\sin(\alpha)$.[/reponse]
[/qcm]

[solution]
Cette affirmation est vraie. C'est la propriété de symétrie par rapport à l'axe des abscisses : $\cos(-\alpha) = \cos\alpha$ et $\sin(-\alpha) = -\sin\alpha$.
[/solution]
[/etape]

Équation trigonométrique (4)

Résoudre dans l'intervalle $ \left] - \pi ;\pi \right] $ l'équation $ \cos\left(3x\right)=\sin\left(2x\right) $.

Corrigé

L'équation à résoudre est $\cos(3x) = \sin(2x)$.

On utilise l'identité $\sin\left( \dfrac{\pi}{2} - a \right) = \cos(a)$. L'équation $\cos(3x) = \sin(2x)$ est donc équivalente à :

$\sin\left( \dfrac{\pi}{2} - 3x \right) = \sin(2x)$

Ce qui équivaut à :

$2x = \dfrac{\pi}{2} - 3x + 2k\pi$ ou $2x = \pi - \left( \dfrac{\pi}{2} - 3x \right) + 2k\pi$ (avec $k \in \mathbb{Z}$)

On résout ces deux cas séparément.

Premier cas : $2x = \dfrac{\pi}{2} - 3x + 2k\pi$

$2x + 3x = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi$
$5x = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi$
$x = \dfrac{\pi}{10} + \dfrac{2k\pi}{5}$

On cherche les solutions dans l'intervalle $\left] -\pi ; \pi \right]$ :

$-\pi < \dfrac{\pi}{10} + \dfrac{2k\pi}{5} \le \pi$

En divisant par $\pi$ :

$-1 < \dfrac{1}{10} + \dfrac{2k}{5} \le 1$
$-\dfrac{11}{10} < \dfrac{2k}{5} \le \dfrac{9}{10}$

En multipliant par $\dfrac{5}{2}$ :

$-\dfrac{11}{4} < k \le \dfrac{9}{4}$

Soit $-2{,}75 < k \le 2{,}25$. Les valeurs entières possibles pour $k$ sont $\{ -2 ; -1 ; 0 ; 1 ; 2 \}$.

On obtient les solutions :

  • $k = -2$ donne $x = \dfrac{\pi}{10} - \dfrac{4\pi}{5} = -\dfrac{7\pi}{10}$
    $k = -1$ donne $x = \dfrac{\pi}{10} - \dfrac{2\pi}{5} = -\dfrac{3\pi}{10}$
    $k = 0$ donne $x = \dfrac{\pi}{10}$
    $k = 1$ donne $x = \dfrac{\pi}{10} + \dfrac{2\pi}{5} = \dfrac{5\pi}{10} = \dfrac{\pi}{2}$
    $k = 2$ donne $x = \dfrac{\pi}{10} + \dfrac{4\pi}{5} = \dfrac{9\pi}{10}$

Deuxième cas : $2x = \pi - \left( \dfrac{\pi}{2} - 3x \right) + 2k\pi$

$2x = \dfrac{\pi}{2} + 3x + 2k\pi$
$-x = \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi$
$x = -\dfrac{\pi}{2} - 2k\pi$

Dans l'intervalle $\left] -\pi ; \pi \right]$, la seule valeur possible est pour $k=0$, ce qui donne $x = -\dfrac{\pi}{2}$.

L'ensemble des solutions dans $\left] -\pi ; \pi \right]$ est :

$\mathbf{\mathcal{S} = \left\{ -\dfrac{7\pi}{10} ; -\dfrac{\pi}{2} ; -\dfrac{3\pi}{10} ; \dfrac{\pi}{10} ; \dfrac{\pi}{2} ; \dfrac{9\pi}{10} \right\}}$

Représentation des solutions sur le cercle trigonométrique :

Pour réviser : Résoudre une équation cos(x) = k ou sin(x) = k