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| Avec un sinus | |
| Avec un cosinus |
Leçon
La théorie — Forme harmonique
La forme harmonique permet d’écrire a sin x + b cos x à l’aide d’une seule sinusoïde, R sin(x ± α) ou R cos(x ± α), avec R > 0.
D’où vient la formule
- Développez la forme demandée à l’aide d’une formule d’addition, pour obtenir une somme de multiples de sin x et de cos x.
- Identifiez les coefficients. Les coefficients de sin x et de cos x donnent R cos α et R sin α, en tenant compte des signes du développement.
- Élevez au carré et additionnez pour trouver R ; divisez pour trouver α. L’identité cos²α + sin²α = 1 donne R. Le quotient donne tan α ; les signes de R cos α et de R sin α déterminent le quadrant de α.
- Lisez les caractéristiques de la sinusoïde. Un sinus ou un cosinus est compris entre −1 et 1. L’expression est donc comprise entre −R et R et atteint R lorsque l’argument vaut 90° pour le sinus ou 0° pour le cosinus.
- Résolvez a sin x + b cos x = c en prenant l’argument comme inconnue. Sous la forme R sin(x + α), l’équation devient sin(x + α) = c/R et l’intervalle de l’argument est décalé de α. Procédez de même pour les autres formes, avec la fonction et le signe correspondants. Lorsque |c| > R, il n’y a aucune solution.
Problèmes entièrement résolus
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La forme usuelle R sin(x + α) 2 étapes
Écrivez 3 sin x + 4 cos x sous la forme R sin(x + α), avec R > 0 et 0° < α < 90°.
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Développez la forme demandée et identifiez les coefficients de sin x et de cos x :
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Élevez les deux égalités au carré et additionnez-les, puis divisez-les membre à membre :
Réponse
3 sin x + 4 cos x = 5 sin(x + 53,13°).
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Une forme exacte avec une racine : R cos(x − α) 2 étapes
Écrivez sin x + √3 cos x sous la forme R cos(x − α), en donnant les valeurs exactes de R et de α.
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Développez R cos(x − α) et identifiez les coefficients :
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Élevez les deux égalités au carré et additionnez-les, puis divisez-les membre à membre. tan α = 1/√3 est une valeur remarquable :
Réponse
sin x + √3 cos x = 2 cos(x − 30°).
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Un signe moins : R sin(x − α) 2 étapes
Écrivez 5 sin x − 12 cos x sous la forme R sin(x − α), avec R > 0 et 0° < α < 90°.
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Le signe moins du développement correspond à celui de l’expression : R sin α est donc positif.
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Élevez les deux égalités au carré et additionnez-les, puis divisez-les membre à membre :
Réponse
5 sin x − 12 cos x = 13 sin(x − 67,38°). Avec la forme R sin(x + α), il aurait fallu prendre α = −67,38°.
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Maximum et minimum : valeurs et positions 2 étapes
Déterminez le maximum et le minimum de 3 sin x + 4 cos x pour 0° ≤ x < 360°, ainsi que les valeurs de x où ils sont atteints. Déduisez-en la plus grande valeur de 1/(10 + 3 sin x + 4 cos x).
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D’après le premier exercice, 3 sin x + 4 cos x = 5 sin(x + 53,13°). Or un sinus est compris entre −1 et 1 :
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La fraction est maximale lorsque son dénominateur est minimal, c’est-à-dire au minimum de la sinusoïde :
Réponse
Le maximum vaut 5, atteint pour x = 36,87°, et le minimum vaut −5, atteint pour x = 216,87°. La plus grande valeur de la fraction est 1/5, pour x = 216,87°.
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Résoudre a sin x + b cos x = c 3 étapes
Résolvez 3 sin x + 4 cos x = 2 pour 0° ≤ x < 360°.
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Écrivez le membre de gauche sous forme harmonique, puis divisez par R :
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Lorsque x parcourt l’intervalle, l’argument x + 53,13° varie de 53,13° à 413,13°. Retenez la valeur principale et l’autre angle donnant le même sinus dans cet intervalle :
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Soustrayez 53,13° à chacune des valeurs :
Réponse
x = 103,29° ou x = 330,45° (à 2 décimales).
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Une équation sans solution 2 étapes
Montrez que sin x + cos x = 2 n’a aucune solution.
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Écrivez le membre de gauche sous forme harmonique :
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Un sinus ne dépasse jamais 1. Le membre de gauche ne dépasse donc jamais √2 :
Réponse
sin x + cos x ≤ √2 ≈ 1,4142 < 2 pour tout x, donc l’équation n’a aucune solution.
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Modélisation : la profondeur maximale dans un port 2 étapes
Dans un port, la profondeur de l’eau, en mètres, est donnée par D = 6 + 3 sin(30t)° + 4 cos(30t)°, où t désigne le temps écoulé depuis minuit, en heures. Déterminez la profondeur maximale et l’heure à laquelle elle est atteinte pour la première fois après minuit.
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Posez x = 30t. Vous retrouvez la sinusoïde déjà étudiée dans la partie variable de l’expression :
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Son maximum vaut 5 et est atteint pour x = 36,87°, d’où :
Réponse
La profondeur maximale est de 11 m. Elle est atteinte pour la première fois environ 1,23 heure après minuit, soit à 1 h 14.
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Exercices supplémentaires, réponses seules
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Écrivez 2 cos x − 3 sin x sous la forme R cos(x + α), avec R > 0 et 0° < α < 90°.
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√13 cos(x + 56,31°)
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Écrivez 7 cos x − 24 sin x sous la forme R cos(x + α) et donnez sa valeur maximale.
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25 cos(x + 73,74°), maximum 25
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Résolvez √3 sin x − cos x = 1 pour 0° ≤ x < 360°.
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x = 60° ou x = 180°
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Écrivez 2 sin θ − 1,5 cos θ sous la forme R sin(θ − α), en donnant α en radians à 3 décimales.
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2,5 sin(θ − 0,644)
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Déterminez la plus petite valeur de 5 sin x − 12 cos x + 20.
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7
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Résolvez 2 cos x − 3 sin x = 1 pour 0° ≤ x < 360°.
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x = 17,59° ou x = 229,79°
Parcours
Identités et équations trigonométriques
Références (2)
- Insight block 3: the 37 harmonic constituents NOAA uses to predict the tide at The Battery, New York, each an amplitude and a phase; M2, the principal lunar semidiurnal constituent, has amplitude 0.671 m and speed 28.984104° per hour: NOAA Center for Operational Oceanographic Products and Services, Harmonic Constituents, station 8518750 (The Battery, NY), metadata API.
- Insight block 3: each constituent “can be represented as a Cosine Curve” with an amplitude and a phase, predictions sum the 37 curves, 30 days of data show most constituents and a year shows all 37: NOAA Center for Operational Oceanographic Products and Services, “Harmonic Constituents”.