| Passer aux sinus et cosinus | |
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| Carrés du sinus et du cosinus | |
| 1 ± sin x au dénominateur | |
| Une différence de deux carrés |
Leçon
La théorie — Démontrer des identités trigonométriques
Démontrer une identité, c’est établir que deux expressions sont égales pour tout angle où elles sont toutes deux définies, en passant d’un membre à l’autre par une suite d’expressions égales.
D’où vient la formule
- Partez du membre le plus compliqué, généralement celui qui comporte le plus de termes, de fractions ou d’angles exprimés comme des sommes ou des doubles : il offre davantage de possibilités de simplification.
- Exprimez tout en fonction de sinus et de cosinus lorsque tan, sec, csc ou cot se mêlent dans une expression : utilisez tan x = sin x/cos x et les relations donnant les fonctions inverses.
- Appuyez-vous sur les outils algébriques connus : mettez au même dénominateur, factorisez une différence de deux carrés ou multipliez par l’expression conjuguée 1 − sin x pour obtenir 1 − sin²x.
- Utilisez les identités adaptées : sin²x + cos²x = 1, 1 + tan²x = sec²x, ainsi que les formules d’addition et de l’angle double.
- Terminez par l’autre membre, sous la forme exacte de l’énoncé. Chaque expression est égale à la précédente partout où elles sont toutes deux définies. La première est donc égale à la dernière, à condition qu’aucune expression intermédiaire ne soit indéfinie là où les deux membres de l’égalité initiale sont définis. N’élevez pas les deux membres de l’égalité à démontrer au carré : cette opération fait perdre le signe et peut transformer une égalité fausse en égalité vraie.
Problèmes entièrement résolus
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Tout exprimer en sinus et cosinus 3 étapes
Démontrez que tan x + cot x ≡ sec x csc x.
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Exprimez le membre de gauche en fonction de sinus et de cosinus :
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Réduisez au même dénominateur sin x cos x :
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Le numérateur vaut 1. Reconnaissez ensuite la sécante et la cosécante :
Réponse
tan x + cot x ≡ sec x csc x pour tout x tel que sin x et cos x soient tous deux non nuls. L’égalité est vérifiée pour les 64 angles testés par la page.
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Une différence de deux carrés 2 étapes
Démontrez que cos⁴x − sin⁴x ≡ cos 2x.
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Dans cos⁴x − sin⁴x, reconnaissez la différence des carrés de cos²x et de sin²x :
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Le second facteur vaut 1 ; la formule de l’angle double donne cos 2x pour le premier :
Réponse
cos⁴x − sin⁴x ≡ cos 2x pour tout x.
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Multiplier par l’expression conjuguée 2 étapes
Démontrez que (1 + sin x)/cos x ≡ cos x/(1 − sin x).
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Multipliez le numérateur et le dénominateur par 1 − sin x pour faire apparaître une différence de carrés au numérateur :
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Utilisez 1 − sin²x = cos²x, puis simplifiez par cos x :
Réponse
(1 + sin x)/cos x ≡ cos x/(1 − sin x) pour tout x tel que cos x ≠ 0 et sin x ≠ 1.
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Combiner les formules d’addition et de l’angle double 3 étapes
Démontrez que sin 3x ≡ 3 sin x − 4 sin³x.
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Écrivez 3x = 2x + x, puis développez avec la formule d’addition :
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Appliquez les formules de l’angle double, en choisissant celle qui exprime cos 2x uniquement en fonction de sinus :
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Remplacez cos²x par 1 − sin²x, puis regroupez les termes :
Réponse
sin 3x ≡ 3 sin x − 4 sin³x pour tout x.
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Repérer et corriger une égalité fausse 3 étapes
L’égalité √(1 − cos²x) = sin x est-elle une identité ? Sinon, donnez un angle pour lequel elle est fausse et corrigez-la.
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La première étape utilise une identité vraie :
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La racine carrée du carré d’un nombre est sa valeur absolue :
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L’égalité est donc fausse dès que sin x < 0. Au premier angle où la page détecte un écart :
Réponse
Non. Elle est fausse pour tout x tel que 180° < x < 360°, par exemple pour 264,98°, où les deux membres valent 0,9962 et −0,9962. L’identité correcte est √(1 − cos²x) = |sin x|.
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Démontrer, puis en déduire les solutions 3 étapes
Démontrez que (1 − cos 2x)/sin 2x ≡ tan x, puis déduisez-en les solutions de (1 − cos 2x)/sin 2x = √3 pour 0° < x < 360°.
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Choisissez la formule de cos 2x qui réduit 1 − cos 2x à un seul terme et utilisez celle du sinus de l’angle double :
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L’équation devient tan x = √3. La tangente a pour période 180° :
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Vérifiez que sin 2x ≠ 0 pour chacune des deux valeurs, afin que le membre de gauche soit bien défini :
Réponse
x = 60° ou x = 240°.
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Trouver l’erreur 2 étapes
Un élève écrit cos⁴x − sin⁴x = (cos²x − sin²x)² = cos 2x. Trouvez l’erreur.
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À la première étape, l’élève confond la différence de deux carrés avec le carré d’une différence :
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Ces deux expressions ne sont pas égales. Pour 42,49°, premier angle où la page détecte un écart :
Réponse
L’étape 1 est fausse : a² − b² = (a − b)(a + b), et non (a − b)². L’expression obtenue à cette étape vaut cos²2x. Ce calcul ne démontre donc rien, même si l’identité proposée est vraie.
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Exercices supplémentaires, réponses seules
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Démontrez que 1/(1 − sin x) + 1/(1 + sin x) ≡ 2 sec²x.
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Réduisez au même dénominateur 1 − sin²x = cos²x ; la somme des numérateurs vaut 2.
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Démontrez que (sin x + cos x)² ≡ 1 + sin 2x.
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Développez : sin²x + cos²x + 2 sin x cos x = 1 + sin 2x.
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Démontrez que sec⁴x − tan⁴x ≡ sec²x + tan²x.
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Factorisez en (sec²x − tan²x)(sec²x + tan²x), puis utilisez sec²x − tan²x = 1.
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Démontrez que cot x − tan x ≡ 2 cot 2x.
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Avec sin x cos x pour dénominateur commun, le numérateur devient cos²x − sin²x = cos 2x. Utilisez ensuite sin x cos x = ½ sin 2x.
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L’égalité sin x/(1 + cos x) ≡ (1 − cos x)/sin x est-elle une identité ?
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Oui, partout où les deux membres sont définis : multipliez le numérateur et le dénominateur du membre de droite par 1 + cos x.
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L’égalité cos x = √(1 − sin²x) est-elle une identité ?
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Non : elle est fausse dès que cos x < 0, par exemple pour 120°, où le membre de gauche vaut −1/2 et celui de droite 1/2.
Parcours
Identités et équations trigonométriques
Références (1)
- The method the lesson states: work on one side, usually the more complex one; factor, square a binomial or add fractions; failing that, convert to sines and cosines: J. Abramson, Precalculus 2e, OpenStax (2021), section 7.1, “Simplifying and Verifying Trigonometric Identities”.