Etudier la courbe paramétrée par x(t) = tcost − sint , y(t) = 1 + cos t

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Etudier la courbe paramétrée par
x(t) = tcos tsin t , y(t) = 1 + cos t .
Domaine de définition
Les fonctions xet ysont définies partout. On a donc D=R.
Réduction du domaine d’étude
L’application Φ1:t7→ −test une bijection de I1= [ 0,+[sur I
1= ] −∞,0 ] et l’on a,
x(t) = x(t) et y(t) = y(t).
La courbe est symétrique par rapport à Oy. On l’étudie sur I1et on complètera par la symétrie
S1par rapport à Oy.
Dérivées
On a
x(t) = tsin tet y(t) = sin t .
Les dérivées xet ys’annulent lorsque t=(avec nentier) et tous ces points sont singuliers.
On remarque que
y(t)
x(t)=1
t.
Points singuliers
On effectue des développements limités à l’ordre 3de xet yau voisinage de . On pose
h=t. Alors
x(t) = (h+)(1)ncos h(1)nsin h
= (1)n(h+)1h2
2hh3
6+(h3)
= (1)n+hh2
2h3
2h+h3
6+(h3)
= (1)nh2
2h3
3+(h3).
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et
y(t) = 1 + (1)ncos h= (1 + (1)n)(1)nh2
2+(h3).
Donc
OM(t) =
OM() + h2
U2+h3
U3+(h3),
U2=(1)n+1
2(
ı+
) et
U3=(1)n+1
3
ı .
Les vecteurs
U2et
U3n’étant pas colinéaires, tous les points sont des points de rebroussement
de première espèce. Le coefficient directeur de la tangente en nπ vaut 1/nπ si nn’est pas nul. La
tangente est verticale si n= 0. Les coordonnées des points sont (, 2) si nest pair et (, 0) si
nest impair. Les points sont situés sur l’axe Ox dans le deuxième cas et sur la droite d’équation
y= 2 dans le premier.
Tableau de variation
On peut donner l’allure du tableau de variation sur un intervalle [ 2, (2n+ 2)π]nest
entier positif.
t
x
x
y
y
y/x
2(2n+ 1)π(2n+ 2)π
+0 0 0
0 0 0+
1
2
1
(2n+1)π
1
(2n+2)π
2
(2n+ 1)π
(2n+ 2)π
0
22
~
>
~
>
Points doubles
On considère le système
t1cos t1sin t1=t2cos t2sin t2
1 + cos t1= 1 + cos t2
,
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avec t1différent de t2.
La deuxième équation donne
cos t1= cos t2.
Il y a donc deux cas possibles.
(1) t1=t2+ 2avec kentier non nul.
En remplaçant dans la première équation, on obtient
(t2+ 2) cos t2sin t2=t2cos t2sin t2,
ce qui donne
cos t2= 0 ,
et donc
t2=π
2+rπ ,
avec rentier. Dans ce cas
x(t2) = (1)ret y(t2) = 1 .
On trouve les points (1,1) et (1,1) qui sont obtenus pour une infinité de valeurs du paramètre r.
(2) t1=t2+ 2avec kentier.
On obtient cette fois
(t2+ 2) cos t2+ sin t2=t2cos t2sin t2,
ce qui équivaut à
2kπ cos t2= 2t2cos t22 sin t2.
Si cos t2était nul, on en déduirait alors que sin t2le serait aussi ce qui n’est pas possible. On
peut donc diviser par 2 cos t2et l’équation devient
tan t2=t2kπ .
Or la fonction s7→ tan ss+kπ a une dérivée positive. Elle est strictement croissante dans
tout intervalle ]π/2 + , π/2 + [pest entier. Comme elle varie de −∞ à+sur cet
intervalle, l’équation
tan s=s
possède une solution et une seule sp,k dans cet intervalle. On a alors
y(sp,k) = 1 + cos sp,k et x(sp,k) = kπ cos(sp,k).
Lorsque kest fixé, ces points sont situés sur la droite d’équation
y=x
kπ + 1 .
Ces points sont tous distincts. On a donc une infinité de points doubles.
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Tracé de la courbe
Il n’est bien sûr pas possible de tracer une telle courbe. Voici une représentation de l’arc obtenu
lorsque tvarie de 3πà+3π(il n’y a pas la même échelle sur les deux axes).
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