Chapitre 7
Fonctions circulaires, complexes.
Intégration
Contents
7.1 Fonctions circulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
7.2 Les fonctions circulaires réciproques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
7.3 Fonctions à valeurs dans C............................. 6
7.4 Intégration ...................................... 8
7.4.1 Intégrale d’une fonction positive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
7.4.2 Propriétés de l’intégrale de fonctions continues quelconques . . . . . . . . . . . 10
7.4.3 Primitives....................................... 13
Programme
Étude des fonctions circulaires directes et réciproques : sin, cos, tan, arcsin, arccos, arctan.
Dérivée et variations, graphes de ses fonctions
Dérivation de t7→ exp(φ(t)) avec φà valeurs dans C.
Primitive sur un intervalle
Reconnaître des expressions du type u0
u,u0un,u0
un,u0(v0u)
7.1 Fonctions circulaires
Soit αun nombre réel et Mle point sur le cercle
trigonométrique associé à α.
Le cosinus du nombre réel αest l’abscisse du
point M; cette valeur se note cos(α).
Le sinus du nombre réel αest l’ordonnée du
point M; cette valeur se note sin(α).x
y
O
1 1
1
1
cos(α)
α
sin(α)
1
On associe les fonctions cos : x7→ cos(x)et sin : x7→ sin(x)définies sur R.
Pour tout nombre réel x, on a
1) cos2(x) + sin2(x)=1;
2) 1cos(x)1et 1sin(x)1.
1
TSI 1 Lycée Heinrich-Nessel 2016/2017
3) cos(x) = cos(x)et sin(x) = sin(x).
4) cos(x+ 2kπ) = cos(x)et sin(x+ 2kπ) = sin(x)
Théorème 7.1.
1) La fonction cosinus est paire, 2π-périodique, bornée.
2) La fonction sinus est impaire, 2π-périodique, bornée.
Théorème 7.2. Les fonction cos et sin sont dérivables sur Ret on a pour tout nombre réel x:
(cos)0(x) = sin(x),(sin)0(x)=cos(x)
Rappelons que sin(x) = cos(π
2x)pour tout nombre réel x, ainsi, la courbe représentative de la fonction
sinus se déduit par translation et symétrie de la courbe représentative de la fonction cosinus.
x
sin(x)
cos(x)
0π2π
+
11 1111
x
cos(x)
sin(x)
0π
2π3π
22π
++
00 11 1100
0
x
y
O
y= cos(x)
π2π
1
1
x
y
O
y= sin(x)
π2π
1
1
Proposition 7.3.
1) Pour tout xR:1x2
2cos(x)1;
2) Pour tout x0:sin(x)x.
En revenant à la définition du nombre dérivée sin0(0), on déduit la limite :
lim
x0
sin(x)
x= 1
et quitte à revenir à l’exercice ?? du chapitre 5, on déduit que
lim
x0
cos(x)1
x2=1
2
On rappelle que
cos(x) = 0 xπ
2modulo (2π)ou x≡ −π
2modulo (2π)
xπ
2modulo (π)
Une « nouvelle » fonction : Depuis le collège, on sait que tangente est égale à « côté opposé sur adjacent ».
Or en revenant au cercle trigonométrique, le côté opposé est de longueur sin(α)et le côté adjacent est de
longueur cos(α). Ainsi, naturellement, on pose :
2
TSI 1 Fonctions circulaires, complexes. Intégration 2016/2017
Définition 7.4. La fonction tangente est la fonction définie sur R\π
2+k π, k Z(autrement dit
sur Rsauf en π
2modulo π) par
tan(x) = sin(x)
cos(x)
Exercice 7.1. Déterminer la dérivée de la fonction tangente et dresser son tableau de variations.
Proposition 7.5. La fonction tangente :
1) est π-périodique.
2) admet une famille d’asymptotes verticales x= (2k+ 1)π
2, où kZ.
3) est dérivable et pour tout x6≡ π
2modulo (2π):
tan0(x) = 1+ tan(x)2=1
cos(x)2
4) est strictement croissante sur chaque intervalle (2k1)π
2; (2k+ 1)π
2, où kZ.
5) s’annule en tous les points d’abscisses , où kZ.
x
1 + tan2(x)
tan(x)
π
20π
2
+
−∞−∞ ++
0
O
π
2
π
2π
Proposition 7.6. Pour tout 0x < π
2,
xtan(x)
7.2 Les fonctions circulaires réciproques
Théorème 7.7.
1) La fonction cosinus réalise une bijection de [0; π]sur [1; 1].
2) La fonction sinus réalise une bijection de π
2;π
2sur [1; 1].
3) La fonction tangente réalise une bijection de π
2;π
2sur R.
3
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Définition 7.8. On appelle :
1) arccos la fonction réciproque de cos : [0; π][1; 1]. Ainsi,
arccos : [1; 1] [0; π]
2) arcsin la fonction réciproque de sin : π
2;π
2[1; 1]. Ainsi,
arcsin : [1; 1] hπ
2;π
2i
3) arctan la fonction réciproque de tan : π
2;π
2R. Ainsi,
arctan : Riπ
2;π
2h
Proposition 7.9 (admis).
lim
x→−∞ arctan(x) = π
2et lim
x+arctan(x) = π
2
Exercice 7.2. Montrer que pour tout x[1; 1],sin(arccos(x)) = cos(arcsin(x)) = 1x2.
Exercice 7.3. À l’aide des propositions ?? et ?? sur les fonctions inverses, tracer les courbes représen-
tatives des fonctions arc cosinus, arc sinus et arc tangente ainsi que leurs dérivées.
Proposition 7.10.
1) Les fonctions circulaires réciproques arccos et arcsin sont dérivables sur ]1; 1[ et on a
arccos0(x) = 1
1x2et arcsin0(x) = 1
1x2
2) La fonction arctan est dérivable sur Ret on a
arctan0(x) = 1
1+x2
Exercice 7.4.
1) Calculer I=Z1
2
0
dx
1x2.
2) Calculer la dérivée de x7→ x1x2et en déduire J=Z1
2
0p1x2dx.
Une primitive de x7→ 1x2est x7→ 1
2x1x2+ arcsin(x). Ainsi,J=π
12 +3
8.
3) De même, calculer K=Z1
2
0
x2dx
1x2.
Une primitive de x7→ x2
1x2est 1
2x1x2+ arcsin(x)et K=π
12 3
8.
Remarque. Comme nous l’avions déjà évoqué dans le chapitre 5 sur l’étude de fonctions, d’après le
théorème de Cauchy qu’on verra dans le chapitre équations différentielles. On a le résultat suivant :
Proposition 7.11. Soit Iun intervalle, f, g :IRdeux fonctions dérivables sur I. Si f0=g0sur I
et il existe x0Itel que f(x0) = g(x0)alors f=g.
4
TSI 1 Fonctions circulaires, complexes. Intégration 2016/2017
Proposition 7.12.
1) Pour tout x[1; 1], on a arccos(x) + arcsin(x) = π
2
2) Pour tout x > 0, on a arctan(x) + arctan 1
x=π
2.
3) Pour tout x < 0, on a arctan(x) + arctan 1
x=π
2.
Exercice 7.5. Démontrer que f:x7→ arccos 1x2
1+x2est définie sur Rpuis que pour tout x0,
f(x) = 2 arctan(x). Que dire pour x < 0?
La fonction arctan est très utile pour déterminer un argument d’un nombre complexe non nul :
Proposition 7.13. Soit z=x+iyun nombre complexe non nul. Alors :
arg(z) =
arctan y
xsi x > 0
π+ arctan y
xsi x < 0
π
2si x= 0 et y > 0
π
2si x= 0 et y < 0
Remarque. Pour calculer cos (arctan(x)) et sin (arctan(x)), on utilise les deux équations suivantes :
cos (arctan(x))2+ sin (arctan(x))2= 1 et sin (arctan(x))
cos (arctan(x)) =x
Puis on résout ce système à deux inconnues.
Fonction arccosinus : x7→ arccos(x).
Domaine de définition [1; 1].
Dérivée sur ]1; 1[ x7→ − 1
1x2.
Primitive x7→ xarccos(x)1x2.
x
1
1x2
arccos(x)
10 1
ππ 00
π
2
O
π
2
π
1 1
Tangente en x= 0 :y=x+π
2.
Fonction arcsinus : x7→ arcsin(x).
Domaine de définition [1; 1].
Dérivée sur ]1; 1[ x7→ 1
1x2.
Primitive x7→ xarcsin(x) + 1x2.
x
1
1x2
arcsin(x)
10 1
+
π
2
π
2
π
2
π
2
0
O
π
2
π
2
1 1
Tangente en x= 0 :y=x.
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