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Terminale · Dérivées des fonctions trigonométriques

Étude de fonctions trigonométriques

Rappels : périodicité et parité

Les fonctions sinus et cosinus sont 2π2\pi-périodiques : pour tout réel xx,

sin⁡(x+2π)=sin⁡xcos⁡(x+2π)=cos⁡x\sin(x+2\pi) = \sin x \qquad\qquad \cos(x+2\pi) = \cos x

Cela signifie qu'il suffit d'étudier ces fonctions sur un intervalle de longueur 2π2\pi, par exemple [0 ; 2π[[0\,;\,2\pi[, pour connaître leur comportement sur R\mathbb{R} entier.

On rappelle également la parité :
- sin⁡\sin est impaire : sin⁡(−x)=−sin⁡x\sin(-x) = -\sin x ;
- cos⁡\cos est paire : cos⁡(−x)=cos⁡x\cos(-x) = \cos x.

## Méthode pour étudier les variations d'une fonction trigonométrique

Pour étudier les variations d'une fonction trigonométrique ff sur un intervalle donné, on procède toujours de la même façon :

1. Calculer f′(x)f'(x) à l'aide des formules de dérivation.
2. Résoudre l'équation f′(x)=0f'(x) = 0 pour trouver les valeurs qui annulent la dérivée.
3. Étudier le signe de f′(x)f'(x) sur l'intervalle d'étude (souvent à l'aide du cercle trigonométrique ou d'une factorisation).
4. Dresser le tableau de variations de ff.

## Exemple détaillé : étude de f(x)=sin⁡(x)+cos⁡(x)f(x) = \sin(x) + \cos(x) sur [0 ; 2π][0\,;\,2\pi]

On considère f(x)=sin⁡(x)+cos⁡(x)f(x) = \sin(x) + \cos(x), définie et dérivable sur R\mathbb{R}, que l'on étudie sur [0 ; 2π][0\,;\,2\pi].

Étape 1 — Calcul de la dérivée.

f′(x)=cos⁡(x)−sin⁡(x)f'(x) = \cos(x) - \sin(x)

Étape 2 — Résolution de f′(x)=0f'(x) = 0.

On résout cos⁡(x)−sin⁡(x)=0\cos(x) - \sin(x) = 0, soit cos⁡(x)=sin⁡(x)\cos(x) = \sin(x).

Sur [0 ; 2π][0\,;\,2\pi], cette égalité a lieu lorsque x=π4x = \dfrac{\pi}{4} ou x=π4+π=5π4x = \dfrac{\pi}{4} + \pi = \dfrac{5\pi}{4} (les deux points du cercle trigonométrique où l'abscisse et l'ordonnée sont égales).

Étape 3 — Signe de f′(x)f'(x).

On peut écrire f′(x)=cos⁡(x)−sin⁡(x)=2cos⁡(x+π4)f'(x) = \cos(x) - \sin(x) = \sqrt{2}\cos\left(x+\dfrac{\pi}{4}\right) (factorisation classique). Le signe de f′(x)f'(x) est donc celui de cos⁡(x+π4)\cos\left(x+\dfrac{\pi}{4}\right) :
- sur [0 ; π4[\left[0\,;\,\dfrac{\pi}{4}\right[, on a f′(x)>0f'(x) > 0 ;
- sur ]π4 ; 5π4[\left]\dfrac{\pi}{4}\,;\,\dfrac{5\pi}{4}\right[, on a f′(x)<0f'(x) < 0 ;
- sur ]5π4 ; 2π]\left]\dfrac{5\pi}{4}\,;\,2\pi\right], on a f′(x)>0f'(x) > 0.

Étape 4 — Tableau de variations.

| xx | 00 | | π4\dfrac{\pi}{4} | | 5π4\dfrac{5\pi}{4} | | 2π2\pi |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| f′(x)f'(x) | | ++ | 00 | −- | 00 | ++ | |
| f(x)f(x) | 11 | ↗\nearrow | 2\sqrt{2} | ↘\searrow | −2-\sqrt{2} | ↗\nearrow | 11 |

On obtient ainsi un maximum local de valeur 2\sqrt{2} en x=π4x=\dfrac{\pi}{4}, et un minimum local de valeur −2-\sqrt{2} en x=5π4x=\dfrac{5\pi}{4}, ce qui est cohérent avec la forme générale f(x)=2sin⁡(x+π4)f(x) = \sqrt{2}\sin\left(x+\dfrac{\pi}{4}\right).

Cette méthode — dériver, annuler la dérivée, étudier son signe, dresser le tableau — s'applique à toute fonction trigonométrique, y compris lorsque sinus et cosinus se mélangent à d'autres termes (comme x+sin⁡(x)x+\sin(x)).

Exercices de la leçon

Exercice 1

La fonction sinus est 2π2\pi-périodique, ce qui signifie que sin⁡(x+2π)=sin⁡x\sin(x+2\pi) = \sin x pour tout réel xx.

Corrigé

C'est la définition même de la 2π2\pi-périodicité de la fonction sinus, qui permet de limiter son étude à un intervalle de longueur 2π2\pi.

Exercice 2

Parmi les affirmations suivantes sur la parité, laquelle est correcte ?

Corrigé

On a sin⁡(−x)=−sin⁡x\sin(-x) = -\sin x (fonction impaire) et cos⁡(−x)=cos⁡x\cos(-x) = \cos x (fonction paire) : ce sont des propriétés fondamentales à retenir.

Exercice 3

Pour étudier les variations de f(x)=sin⁡x+cos⁡xf(x) = \sin x + \cos x sur [0 ; 2π][0\,;\,2\pi], quelle est la première étape ?

Corrigé

La méthode d'étude des variations commence toujours par le calcul de la dérivée ; ici f′(x)=cos⁡x−sin⁡xf'(x) = \cos x - \sin x, avant d'en étudier le signe.

Exercice 4

Sur [0 ; π4[\left[0\,;\,\dfrac{\pi}{4}\right[, la fonction f(x)=sin⁡x+cos⁡xf(x) = \sin x + \cos x est croissante.

Corrigé

D'après le tableau de variations établi en cours, f′(x)>0f'(x) > 0 sur [0 ; π4[\left[0\,;\,\dfrac{\pi}{4}\right[, donc ff y est strictement croissante.

Exercice 5

Soit g(x)=x+sin⁡(x)g(x) = x + \sin(x) définie sur [0 ; 2π][0\,;\,2\pi]. Étudier le signe de g′(x)g'(x) sur cet intervalle et en déduire les variations de gg.

Corrigé

On utilise l'encadrement classique −1⩽cos⁡x⩽1-1\leqslant\cos x\leqslant1 pour montrer que g′(x)g'(x) ne change jamais de signe, ce qui donne la stricte croissance de gg malgré une dérivée nulle en un point isolé.

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