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COURS & EXERCICES DE MATHÉMATIQUES

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Nombre de solutions d'une équation trigonométrique

Cet exercice nécessite d'avoir étudié les chapitres « Continuité » et «Fonctions trigonométriques»

On considère l'équation :

cosx=x\cos x = x

  1. Montrer que les éventuelles solutions de cette équation appartiennent à l'intervalle [0;1]\left[0 ; 1\right].

  2. Étudier le sens de variation de la fonction ff définie sur [0;1]\left[0 ; 1\right] par :

    f(x)=cosxxf\left(x\right) = \cos x - x

  3. En déduire que l'équation cosx=x\cos x = x admet une unique solution sur R\mathbb{R}.

    A l'aide de la calculatrice, donner un encadrement, à 10210^{ - 2} près, de cette solution.

Corrigé

  1. Soit α\alpha un réel tel que cosα=α\cos \alpha = \alpha .

    Comme pour tout réel xx, 1cosx1 - 1 \leqslant \cos x \leqslant 1 on en déduit que 1α1 - 1 \leqslant \alpha \leqslant 1.

    Comme, par ailleurs, la fonction cosinus est positive ou nulle sur l'intervalle [π2;π2]\left[ - \frac{\pi }{2} ; \frac{\pi }{2}\right], elle est positive sur l'intervalle [1;1]\left[ - 1 ; 1\right] qui est inclus dans [π2;π2]\left[ - \frac{\pi }{2} ; \frac{\pi }{2}\right]. Par conséquent cosα\cos \alpha donc α\alpha est positif.

    Finalement, α[0;1]\alpha \in \left[0 ; 1\right]

  2. f(x)=sinx1f^{\prime}\left(x\right) = - \sin x - 1

    Sur l'intervalle [0;π[\left[0; \pi \right[ (donc sur l'intervalle [0;1]\left[0 ; 1\right] qui est inclus dans [0;π[\left[0; \pi\right[, sinx>1\sin x > - 1 donc f(x)<0f^{\prime}\left(x\right) < 0.

    ff est donc strictement décroissante sur l'intervalle [0;1]\left[0 ; 1\right]

  3. cosx=xf(x)=0\cos x = x \Leftrightarrow f\left(x\right) = 0

    ff est une fonction continue sur [0;1]\left[0 ; 1\right] comme différence de deux fonctions continues.

    ff est strictement décroissante sur cet intervalle.

    00 est compris entre f(1)=cos(1)10,46f\left(1\right)=\cos\left(1\right) - 1\approx - 0,46 et f(0)=1f\left(0\right)=1.

    Donc, d'après le corolaire du théorème des valeurs intermédiaires, l'équation f(x)=0f\left(x\right)=0 admet une unique solution α\alpha sur [0;1]\left[0; 1\right].

    D'après la question 1., cette solution est la seule solution sur R\mathbb{R}.

    A la calculatrice on vérifie que f(0,73)>0f\left(0,73\right) > 0 et f(0,74)<0f\left(0,74\right) < 0

    Donc 0,73<α<0,740,73 < \alpha < 0,74

    Fonction

    Courbe représentative de ff