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En Première, le cercle trigonométrique t’a permis de définir sin, cos et tan pour tout angle réel. Ici, tu franchis une étape décisive : les étudier comme de véritables fonctions — domaine, courbes, dérivées, variations. Ce chapitre est incontournable au bac et en prépa.

📋 Programme officiel — Les fonctions trigonométriques figurent au programme de Première (spécialité mathématiques) et de Terminale (BO spécial n°1 du 22 janvier 2019). Les fonctions réciproques (arcsin, arccos, arctan) relèvent du programme de CPGE (MPSI, PCSI). Conforme au programme 2025-2026.

I. Définition des fonctions trigonométriques

A. Du cercle trigonométrique aux fonctions

Au collège, sinus, cosinus et tangente étaient des rapports de longueurs dans un triangle rectangle. Au lycée, on change de point de vue : grâce au cercle trigonométrique, ces rapports deviennent des fonctions de la variable réelle \(x\).

Le principe est simple. Pour tout réel \(x\), on enroule la valeur \(x\) (en radians) sur le cercle unité à partir du point \((1 \,;\, 0)\). On obtient un point \(M\) dont les coordonnées sont, par définition, \((\cos(x) \,;\, \sin(x))\). En faisant varier \(x\) sur \(\mathbb{R}\) tout entier, on obtient trois fonctions.

Définition — Fonctions sinus, cosinus et tangente

Pour tout réel \(x\), on considère le point \(M\) du cercle trigonométrique associé à l’angle \(x\) (en radians).

  • La fonction sinus est la fonction \(\sin : \mathbb{R} \to [-1 \,;\, 1]\) qui à \(x\) associe l’ordonnée de \(M\).
  • La fonction cosinus est la fonction \(\cos : \mathbb{R} \to [-1 \,;\, 1]\) qui à \(x\) associe l’abscisse de \(M\).
  • La fonction tangente est définie par \(\tan(x) = \displaystyle\frac{\sin(x)}{\cos(x)}\), pour tout \(x\) tel que \(\cos(x) \neq 0\).

B. La fonction sinus

La fonction sinus associe à chaque réel \(x\) l’ordonnée du point correspondant sur le cercle unité. Ses caractéristiques essentielles :

  • Ensemble de définition : \(\mathbb{R}\) (tout réel possède un point image sur le cercle).
  • Ensemble d’arrivée : \([-1 \,;\, 1]\) — la fonction sinus est bornée.
  • \(\sin(0) = 0\), \(\sin\!\left(\displaystyle\frac{\pi}{2}\right) = 1\), \(\sin(\pi) = 0\), \(\sin\!\left(\displaystyle\frac{3\pi}{2}\right) = -1\).

C. La fonction cosinus

La fonction cosinus associe à \(x\) l’abscisse du point sur le cercle unité :

  • Ensemble de définition : \(\mathbb{R}\).
  • Ensemble d’arrivée : \([-1 \,;\, 1]\).
  • \(\cos(0) = 1\), \(\cos\!\left(\displaystyle\frac{\pi}{2}\right) = 0\), \(\cos(\pi) = -1\), \(\cos(2\pi) = 1\).

Lien entre sin et cos — Le cosinus est le sinus « en avance d’un quart de tour » : pour tout réel \(x\), \(\cos(x) = \sin\!\left(x + \displaystyle\frac{\pi}{2}\right)\). Sur les courbes, cela se traduit par un décalage horizontal de \(\displaystyle\frac{\pi}{2}\) vers la gauche.

D. La fonction tangente

La fonction tangente est le quotient du sinus par le cosinus. Elle est définie partout où le cosinus ne s’annule pas :

  • Ensemble de définition : \(\mathbb{R} \setminus \left\{ \displaystyle\frac{\pi}{2} + k\pi,\; k \in \mathbb{Z} \right\}\).
  • Ensemble d’arrivée : \(\mathbb{R}\) tout entier — contrairement à sin et cos, la tangente n’est pas bornée.
  • \(\tan(0) = 0\), \(\tan\!\left(\displaystyle\frac{\pi}{4}\right) = 1\), \(\tan\!\left(\displaystyle\frac{\pi}{3}\right) = \sqrt{3}\).

Géométriquement, \(\tan(x)\) est l’ordonnée du point d’intersection de la droite \((OM)\) avec la droite verticale d’équation \(x = 1\) (la « tangente » au cercle). Cette interprétation explique pourquoi la tangente tend vers l’infini quand \(M\) se rapproche du sommet du cercle.

À quoi servent les fonctions trigonométriques ? Elles modélisent tous les phénomènes périodiques : ondes sonores, courant alternatif, oscillations d’un pendule, marées. En traitement du signal, l’analyse de Fourier décompose n’importe quel signal en somme de sinusoïdes. En physique, la projection d’un mouvement circulaire uniforme sur un axe est exactement une fonction cosinus.


II. Propriétés fondamentales

Les trois fonctions trigonométriques partagent des propriétés remarquables qui simplifient considérablement leur étude. Maîtriser ces propriétés, c’est pouvoir réduire l’intervalle d’étude et gagner un temps précieux au bac.

A. Ensemble de définition et périodicité

Propriété — Périodicité

  • Les fonctions sinus et cosinus sont \(2\pi\)-périodiques : pour tout \(x \in \mathbb{R}\), \(\sin(x + 2\pi) = \sin(x)\) et \(\cos(x + 2\pi) = \cos(x)\).
  • La fonction tangente est \(\pi\)-périodique : pour tout \(x\) de son domaine, \(\tan(x + \pi) = \tan(x)\).

Conséquence pratique : pour connaître sin ou cos sur \(\mathbb{R}\), il suffit de les étudier sur un intervalle de longueur \(2\pi\) (par exemple \([0 \,;\, 2\pi]\)). Pour tan, un intervalle de longueur \(\pi\) suffit (par exemple \(\left]-\displaystyle\frac{\pi}{2} \,;\, \displaystyle\frac{\pi}{2}\right[\)).

B. Parité

Propriété — Parité

  • Cosinus est paire : \(\cos(-x) = \cos(x)\) pour tout \(x \in \mathbb{R}\). Sa courbe est symétrique par rapport à l’axe des ordonnées.
  • Sinus est impaire : \(\sin(-x) = -\sin(x)\) pour tout \(x \in \mathbb{R}\). Sa courbe est symétrique par rapport à l’origine.
  • Tangente est impaire : \(\tan(-x) = -\tan(x)\). Sa courbe est symétrique par rapport à l’origine.

Conséquence pratique : en combinant périodicité et parité, on peut restreindre l’étude de cos à \([0 \,;\, \pi]\) (puis étendre par parité puis par périodicité), et celle de sin à \(\left[0 \,;\, \pi\right]\) (puis étendre par imparité puis par périodicité).

C. Relations fondamentales et valeurs remarquables

Relations fondamentales

Pour tout réel \(x\) :

  • \(\cos^2(x) + \sin^2(x) = 1\) (relation pythagoricienne)
  • \(\tan(x) = \displaystyle\frac{\sin(x)}{\cos(x)}\) (lorsque \(\cos(x) \neq 0\))
  • \(1 + \tan^2(x) = \displaystyle\frac{1}{\cos^2(x)}\) (lorsque \(\cos(x) \neq 0\))

Pour l’ensemble des formules de trigonométrie (addition, duplication, linéarisation…), consulte le formulaire complet.

Voici un résumé des valeurs essentielles — tu retrouveras l’ensemble des valeurs dans le tableau des valeurs trigonométriques.

Valeurs remarquables (angles du premier quadrant)
\(x\)\(0\)\(\displaystyle\frac{\pi}{6}\)\(\displaystyle\frac{\pi}{4}\)\(\displaystyle\frac{\pi}{3}\)\(\displaystyle\frac{\pi}{2}\)
\(\cos(x)\)\(1\)\(\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\)\(\displaystyle\frac{\sqrt{2}}{2}\)\(\displaystyle\frac{1}{2}\)\(0\)
\(\sin(x)\)\(0\)\(\displaystyle\frac{1}{2}\)\(\displaystyle\frac{\sqrt{2}}{2}\)\(\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{2}\)\(1\)
\(\tan(x)\)\(0\)\(\displaystyle\frac{\sqrt{3}}{3}\)\(1\)\(\sqrt{3}\)

Le tableau ci-dessous synthétise les propriétés de chaque fonction — un outil précieux pour les exercices d’étude de fonctions.

Propriétés comparées de sin, cos et tan
PropriétéSinusCosinusTangente
Domaine\(\mathbb{R}\)\(\mathbb{R}\)\(\mathbb{R} \setminus \left\{ \displaystyle\frac{\pi}{2} + k\pi \right\}\)
Image\([-1 \,;\, 1]\)\([-1 \,;\, 1]\)\(\mathbb{R}\)
Période\(2\pi\)\(2\pi\)\(\pi\)
ParitéImpairePaireImpaire
Dérivée\(\cos(x)\)\(-\sin(x)\)\(1 + \tan^2(x)\)

III. Représentation graphique et variations

Les courbes des fonctions trigonométriques sont parmi les plus reconnaissables en mathématiques. Elles se déduisent directement des propriétés de la section précédente.

A. Courbe et tableau de variations de sinus

La fonction sinus est \(2\pi\)-périodique et impaire. On étudie ses variations sur \([0 \,;\, 2\pi]\). Sa dérivée est \(\sin^\prime(x) = \cos(x)\).

  • Sur \(\left[0 \,;\, \displaystyle\frac{\pi}{2}\right]\), \(\cos(x) \geq 0\) : sin est croissante.
  • Sur \(\left[\displaystyle\frac{\pi}{2} \,;\, \displaystyle\frac{3\pi}{2}\right]\), \(\cos(x) \leq 0\) : sin est décroissante.
  • Sur \(\left[\displaystyle\frac{3\pi}{2} \,;\, 2\pi\right]\), \(\cos(x) \geq 0\) : sin est croissante.
 »]
»Tableau
\(x\)\(0\)\(\displaystyle\frac{\pi}{2}\)\(\displaystyle\frac{3\pi}{2}\)\(2\pi\)
\(\sin^\prime(x) = \cos(x)\)\(+\)\(0\)\(–\)\(0\)\(+\)
Variations de \(\sin(x)\)\(0\)\(1\)\(-1\)\(0\)

sin — voir bloc Python ci-dessous

La courbe de sin est une sinusoïde : elle oscille entre \(-1\) et \(1\), passe par l’origine, et se reproduit à l’identique tous les \(2\pi\).

B. Courbe et tableau de variations de cosinus

La fonction cosinus est \(2\pi\)-périodique et paire. Sa dérivée est \(\cos^\prime(x) = -\sin(x)\).

  • Sur \([0 \,;\, \pi]\), \(-\sin(x) \leq 0\) : cos est décroissante.
  • Sur \([\pi \,;\, 2\pi]\), \(-\sin(x) \geq 0\) : cos est croissante.
 »]
»Tableau
\(x\)\(0\)\(\pi\)\(2\pi\)
\(\cos^\prime(x) = -\sin(x)\)\(0\)\(–\)\(0\)\(+\)\(0\)
Variations de \(\cos(x)\)\(1\)\(-1\)\(1\)

cos — voir bloc Python ci-dessous

La courbe de cos a la même forme que celle de sin, mais décalée de \(\displaystyle\frac{\pi}{2}\) vers la gauche (puisque \(\cos(x) = \sin\!\left(x + \displaystyle\frac{\pi}{2}\right)\)). Elle part de son maximum en \(x = 0\), ce qui est cohérent avec la parité : cos est paire, donc sa courbe est symétrique par rapport à l’axe des ordonnées.

C. Courbe et tableau de variations de tangente

La fonction tangente est \(\pi\)-périodique et impaire. On l’étudie sur l’intervalle \(\left]-\displaystyle\frac{\pi}{2} \,;\, \displaystyle\frac{\pi}{2}\right[\). Sa dérivée est :

\(\tan^\prime(x) = 1 + \tan^2(x) = \displaystyle\frac{1}{\cos^2(x)}\)

Puisque \(\cos^2(x)\) > \(0\), la dérivée est strictement positive partout où tan est définie. La tangente est donc strictement croissante sur chaque intervalle de son domaine.

-π/2 ; π/2[« ]
\(x\)\(-\displaystyle\frac{\pi}{2}\)\(0\)\(\displaystyle\frac{\pi}{2}\)
\(\tan^\prime(x)\)\(+\)\(+\)\(+\)
\(\tan(x)\)\(-\infty\)\(0\)\(+\infty\)

tan — voir bloc Python ci-dessous

Attention aux asymptotes ! La tangente n’est pas définie en \(\displaystyle\frac{\pi}{2} + k\pi\). En ces points, la courbe présente des asymptotes verticales. La tangente n’est pas croissante « de \(-\infty\) à \(+\infty\) sur \(\mathbb{R}\) » : elle est croissante sur chaque intervalle \(\left]\displaystyle\frac{-\pi}{2} + k\pi \,;\, \displaystyle\frac{\pi}{2} + k\pi\right[\), mais ces intervalles sont disjoints.

D. La fonction \(x \mapsto a\sin(bx + c)\)

Dans de nombreuses applications (physique, signal), on rencontre des fonctions de la forme \(f(x) = a\sin(bx + c)\) avec \(a, b, c\) réels et \(b \neq 0\). Chaque paramètre a un effet géométrique précis :

Effet des paramètres a, b et c
ParamètreSignificationFormule
\(a\)Amplitude : étirement verticalAmplitude \(= |a|\)
\(b\)Pulsation : compression/dilatation horizontalePériode \(T = \displaystyle\frac{2\pi}{|b|}\)
\(c\)Phase : décalage horizontalDéphasage \(= -\displaystyle\frac{c}{b}\)

Exemple — Soit \(f(x) = 3\sin\!\left(2x – \displaystyle\frac{\pi}{3}\right)\). On réécrit : \(f(x) = 3\sin\!\left(2\!\left(x – \displaystyle\frac{\pi}{6}\right)\right)\).

  • Amplitude : \(|a| = 3\) — la courbe oscille entre \(-3\) et \(3\).
  • Période : \(T = \displaystyle\frac{2\pi}{2} = \pi\) — un cycle complet tous les \(\pi\).
  • Déphasage : \(\displaystyle\frac{\pi}{6}\) vers la droite.


IV. Dérivées et étude de fonctions trigonométriques

Les formules de dérivation des fonctions trigonométriques sont des outils indispensables pour l’étude de fonctions. Elles te permettent de dresser des tableaux de variations et de résoudre des problèmes d’optimisation — un classique du bac. Pour un panorama complet des techniques de dérivation, consulte le cours sur les dérivées.

A. Formules de dérivation

Dérivées des fonctions trigonométriques

  • \((\sin(x))^\prime = \cos(x)\)
  • \((\cos(x))^\prime = -\sin(x)\)
  • \((\tan(x))^\prime = 1 + \tan^2(x) = \displaystyle\frac{1}{\cos^2(x)}\)

Moyen mnémotechnique — Dériver, c’est « avancer d’un quart de tour » sur le cercle : sin → cos → −sin → −cos → sin. Retiens surtout le signe moins devant sin quand tu dérives cos : c’est l’erreur la plus fréquente aux examens.

📐 Démonstration au programme — \((\sin)^\prime = \cos\)

On part de la définition du nombre dérivé :

\(\sin^\prime(x) = \lim_{h \to 0} \displaystyle\frac{\sin(x + h) – \sin(x)}{h}\)

En développant \(\sin(x + h)\) avec la formule d’addition :

\(\sin(x + h) = \sin(x)\cos(h) + \cos(x)\sin(h)\)

On obtient :

\(\sin^\prime(x) = \lim_{h \to 0} \left[\sin(x) \cdot \displaystyle\frac{\cos(h) – 1}{h} + \cos(x) \cdot \displaystyle\frac{\sin(h)}{h}\right]\)

En utilisant les deux limites fondamentales \(\lim_{h \to 0} \displaystyle\frac{\sin(h)}{h} = 1\) et \(\lim_{h \to 0} \displaystyle\frac{\cos(h) – 1}{h} = 0\), on conclut :

\(\sin^\prime(x) = \sin(x) \times 0 + \cos(x) \times 1 = \cos(x)\)

B. Dérivées de fonctions composées

Lorsque l’argument de sin, cos ou tan n’est pas simplement \(x\) mais une fonction \(u(x)\), on applique la règle de la chaîne :

Dérivées de fonctions composées trigonométriques

Soit \(u\) une fonction dérivable :

  • \((\sin(u))^\prime = u^\prime \cdot \cos(u)\)
  • \((\cos(u))^\prime = -u^\prime \cdot \sin(u)\)
  • \((\tan(u))^\prime = u^\prime \cdot (1 + \tan^2(u))\)

Exemple — Dériver \(f(x) = \cos(3x)\).

On pose \(u(x) = 3x\), donc \(u^\prime(x) = 3\). La formule donne :

\(f^\prime(x) = -3\sin(3x)\)

Ces dérivées composées interviennent aussi dans le calcul de primitives de fonctions trigonométriques : on reconnaît la forme \(u^\prime \cdot \cos(u)\) pour écrire que sa primitive est \(\sin(u)\).

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C. Méthode — Étudier une fonction trigonométrique

Méthode en 6 étapes

  1. Domaine de définition : identifier les valeurs interdites (dénominateurs, racines…).
  2. Périodicité : vérifier si \(f(x + T) = f(x)\) pour un certain \(T\). Si oui, étudier \(f\) sur un seul intervalle de longueur \(T\).
  3. Parité : calculer \(f(-x)\). Si \(f(-x) = f(x)\) (paire) ou \(f(-x) = -f(x)\) (impaire), réduire encore l’intervalle d’étude.
  4. Dérivée : calculer \(f^\prime(x)\) et la factoriser.
  5. Signe de \(f^\prime\) et tableau de variations : résoudre \(f^\prime(x) = 0\), déterminer le signe de \(f^\prime\) sur chaque sous-intervalle.
  6. Courbe : placer les points remarquables, tracer sur l’intervalle d’étude, puis étendre par symétrie et translation.

Exemple résolu complet 🔵 — Étudier \(f(x) = 2\cos(x) – \cos(2x)\) sur \([0 \,;\, 2\pi]\).

Étape 1 — Domaine : les fonctions cos et \(x \mapsto \cos(2x)\) sont définies sur \(\mathbb{R}\). Donc \(f\) est définie sur \(\mathbb{R}\).

Étape 2 — Périodicité : \(f(x + 2\pi) = 2\cos(x + 2\pi) – \cos(2x + 4\pi) = 2\cos(x) – \cos(2x) = f(x)\). La fonction est \(2\pi\)-périodique : on étudie sur \([0 \,;\, 2\pi]\).

Étape 3 — Parité : \(f(-x) = 2\cos(-x) – \cos(-2x) = 2\cos(x) – \cos(2x) = f(x)\). La fonction est paire : on pourrait réduire l’étude à \([0 \,;\, \pi]\). Ici, on étudie directement sur \([0 \,;\, 2\pi]\) pour plus de clarté.

Étape 4 — Dérivée :

\(f^\prime(x) = -2\sin(x) + 2\sin(2x) = -2\sin(x) + 4\sin(x)\cos(x)\)

En factorisant par \(2\sin(x)\) :

\(f^\prime(x) = 2\sin(x)\,(2\cos(x) – 1)\)

Étape 5 — Signe de \(f^\prime\) : \(f^\prime(x) = 0\) lorsque \(\sin(x) = 0\) ou \(\cos(x) = \displaystyle\frac{1}{2}\).

  • \(\sin(x) = 0\) : \(x = 0\), \(x = \pi\), \(x = 2\pi\).
  • \(\cos(x) = \displaystyle\frac{1}{2}\) : \(x = \displaystyle\frac{\pi}{3}\) et \(x = \displaystyle\frac{5\pi}{3}\).

On dresse le tableau des signes puis le tableau de variations :

 »]
»Tableau
\(x\)\(0\)\(\displaystyle\frac{\pi}{3}\)\(\pi\)\(\displaystyle\frac{5\pi}{3}\)\(2\pi\)
\(f^\prime(x)\)\(0\)\(+\)\(0\)\(–\)\(0\)\(+\)\(0\)\(–\)\(0\)
\(f(x)\)\(1\)\(\displaystyle\frac{3}{2}\)\(-3\)\(\displaystyle\frac{3}{2}\)\(1\)

Vérification des valeurs clés : \(f(0) = 2 – 1 = 1\), \(f\!\left(\displaystyle\frac{\pi}{3}\right) = 2 \times \displaystyle\frac{1}{2} – \cos\!\left(\displaystyle\frac{2\pi}{3}\right) = 1 + \displaystyle\frac{1}{2} = \displaystyle\frac{3}{2}\), \(f(\pi) = -2 – 1 = -3\). ✓

Étape 6 — Conclusion : \(f\) atteint son maximum \(\displaystyle\frac{3}{2}\) en \(\displaystyle\frac{\pi}{3}\) et \(\displaystyle\frac{5\pi}{3}\), et son minimum \(-3\) en \(\pi\).

f(x) = 2cos(x) - cos(2x) — voir bloc Python ci-dessous

🔴 Pour aller plus loin (Prépa) — En CPGE, les fonctions trigonométriques s’expriment via l’exponentielle complexe grâce à la formule d’Euler :

\(e^{ix} = \cos(x) + i\sin(x)\)

On en déduit les développements en série entière :

\(\sin(x) = x – \displaystyle\frac{x^3}{6} + \displaystyle\frac{x^5}{120} – \cdots = \sum_{n=0}^{+\infty} \displaystyle\frac{(-1)^n \, x^{2n+1}}{(2n+1)!}\)

\(\cos(x) = 1 – \displaystyle\frac{x^2}{2} + \displaystyle\frac{x^4}{24} – \cdots = \sum_{n=0}^{+\infty} \displaystyle\frac{(-1)^n \, x^{2n}}{(2n)!}\)

Ces développements relient la trigonométrie à l’analyse et aux polynômes — un outil fondamental en prépa.


V. Exercices corrigés

Voici 6 exercices classés par difficulté croissante pour t’entraîner sur les fonctions trigonométriques. Chaque correction est détaillée pas à pas.

Exercice 1 ★ — Déterminer l’ensemble de définition de la fonction \(f(x) = \tan(2x)\).

Voir la correction

La fonction tangente est définie lorsque le cosinus du dénominateur ne s’annule pas. Ici, \(\tan(2x) = \displaystyle\frac{\sin(2x)}{\cos(2x)}\), donc on a besoin de \(\cos(2x) \neq 0\).

\(\cos(2x) = 0 \iff 2x = \displaystyle\frac{\pi}{2} + k\pi \iff x = \displaystyle\frac{\pi}{4} + k\displaystyle\frac{\pi}{2}\), avec \(k \in \mathbb{Z}\).

L’ensemble de définition est donc : \(\mathcal{D}_f = \mathbb{R} \setminus \left\{ \displaystyle\frac{\pi}{4} + k\displaystyle\frac{\pi}{2},\; k \in \mathbb{Z} \right\}\).


Exercice 2 ★ — Soit \(g(x) = \sin(x) \cdot \cos(x)\). Montrer que \(g\) est impaire et déterminer sa plus petite période strictement positive.

Voir la correction

Parité : \(g(-x) = \sin(-x) \cdot \cos(-x) = (-\sin(x)) \cdot \cos(x) = -\sin(x)\cos(x) = -g(x)\).

Donc \(g\) est impaire. ✓

Période : On remarque que \(g(x) = \displaystyle\frac{1}{2}\sin(2x)\) (formule de duplication). La fonction \(x \mapsto \sin(2x)\) a pour période \(\displaystyle\frac{2\pi}{2} = \pi\). Donc la plus petite période de \(g\) est \(\pi\).


Exercice 3 ★★ — Calculer la dérivée de \(h(x) = \cos(3x) + 2\sin(x)\).

Voir la correction

On dérive terme à terme en utilisant les formules de dérivation composées :

  • \((\cos(3x))^\prime = -3\sin(3x)\) (avec \(u(x) = 3x\), \(u^\prime = 3\))
  • \((2\sin(x))^\prime = 2\cos(x)\)

Donc : \(h^\prime(x) = -3\sin(3x) + 2\cos(x)\).


Exercice 4 ★★ — Déterminer l’amplitude, la période et le déphasage de \(f(x) = 3\sin\!\left(2x – \displaystyle\frac{\pi}{3}\right)\).

Voir la correction

On écrit \(f\) sous la forme canonique \(a\sin(b(x – \varphi))\) en factorisant par \(b = 2\) dans l’argument :

\(f(x) = 3\sin\!\left(2\!\left(x – \displaystyle\frac{\pi}{6}\right)\right)\)

On lit directement :

  • Amplitude : \(|a| = 3\) — la courbe oscille entre \(-3\) et \(3\).
  • Période : \(T = \displaystyle\frac{2\pi}{|b|} = \displaystyle\frac{2\pi}{2} = \pi\).
  • Déphasage : \(\varphi = \displaystyle\frac{\pi}{6}\) vers la droite (car le signe est négatif dans \(x – \displaystyle\frac{\pi}{6}\)).

Exercice 5 ★★ — Type bac

Soit \(f(x) = \sin(x) + \cos(x)\).

  1. Montrer que pour tout réel \(x\), \(f(x) = \sqrt{2}\,\sin\!\left(x + \displaystyle\frac{\pi}{4}\right)\).
  2. Dresser le tableau de variations de \(f\) sur \([0 \,;\, 2\pi]\).
  3. En déduire les solutions de \(\sin(x) + \cos(x) = 1\) sur \([0 \,;\, 2\pi]\).
Voir la correction

a) On utilise la formule d’addition de sin :

\(\sqrt{2}\,\sin\!\left(x + \displaystyle\frac{\pi}{4}\right) = \sqrt{2}\left[\sin(x)\cos\!\left(\displaystyle\frac{\pi}{4}\right) + \cos(x)\sin\!\left(\displaystyle\frac{\pi}{4}\right)\right]\)

\(= \sqrt{2}\left[\sin(x) \cdot \displaystyle\frac{\sqrt{2}}{2} + \cos(x) \cdot \displaystyle\frac{\sqrt{2}}{2}\right] = \sqrt{2} \cdot \displaystyle\frac{\sqrt{2}}{2}(\sin(x) + \cos(x)) = \sin(x) + \cos(x)\) ✓

b) Sous la forme \(f(x) = \sqrt{2}\,\sin\!\left(x + \displaystyle\frac{\pi}{4}\right)\), c’est une sinusoïde d’amplitude \(\sqrt{2}\) et de déphasage \(-\displaystyle\frac{\pi}{4}\).

\(f^\prime(x) = \sqrt{2}\,\cos\!\left(x + \displaystyle\frac{\pi}{4}\right)\). On a \(f^\prime(x) = 0\) quand \(x + \displaystyle\frac{\pi}{4} = \displaystyle\frac{\pi}{2} + k\pi\), soit \(x = \displaystyle\frac{\pi}{4} + k\pi\).

Sur \([0 \,;\, 2\pi]\) : \(x = \displaystyle\frac{\pi}{4}\) et \(x = \displaystyle\frac{5\pi}{4}\).

Valeurs : \(f\!\left(\displaystyle\frac{\pi}{4}\right) = \sqrt{2}\) (maximum), \(f\!\left(\displaystyle\frac{5\pi}{4}\right) = -\sqrt{2}\) (minimum), \(f(0) = 1\), \(f(2\pi) = 1\).

 »]
»Variations
\(x\)\(0\)\(\displaystyle\frac{\pi}{4}\)\(\displaystyle\frac{5\pi}{4}\)\(2\pi\)
\(f^\prime(x)\)\(+\)\(0\)\(–\)\(0\)\(+\)
\(f(x)\)\(1\)\(\sqrt{2}\)\(-\sqrt{2}\)\(1\)

c) On cherche \(\sin(x) + \cos(x) = 1\), soit \(\sqrt{2}\,\sin\!\left(x + \displaystyle\frac{\pi}{4}\right) = 1\), soit \(\sin\!\left(x + \displaystyle\frac{\pi}{4}\right) = \displaystyle\frac{1}{\sqrt{2}} = \displaystyle\frac{\sqrt{2}}{2}\).

Donc \(x + \displaystyle\frac{\pi}{4} = \displaystyle\frac{\pi}{4} + 2k\pi\) ou \(x + \displaystyle\frac{\pi}{4} = \pi – \displaystyle\frac{\pi}{4} + 2k\pi = \displaystyle\frac{3\pi}{4} + 2k\pi\).

Soit \(x = 2k\pi\) ou \(x = \displaystyle\frac{\pi}{2} + 2k\pi\).

Sur \([0 \,;\, 2\pi]\) : \(\fbox{x = 0 \text{ et } x = \displaystyle\frac{\pi}{2}}\).

Vérification : \(f(0) = 0 + 1 = 1\) ✓ et \(f\!\left(\displaystyle\frac{\pi}{2}\right) = 1 + 0 = 1\) ✓.


Exercice 6 ★★★ — Étudier les variations de \(g(x) = \cos(x) + \displaystyle\frac{1}{2}\cos(2x)\) sur \([0 \,;\, 2\pi]\) et dresser le tableau de variations complet.

Voir la correction

Domaine : \(\mathbb{R}\) (somme de cosinus).

Dérivée :

\(g^\prime(x) = -\sin(x) – \sin(2x) = -\sin(x) – 2\sin(x)\cos(x) = -\sin(x)\,(1 + 2\cos(x))\)

Résolution de \(g^\prime(x) = 0\) :

  • \(\sin(x) = 0\) : \(x = 0,\; \pi,\; 2\pi\).
  • \(1 + 2\cos(x) = 0 \iff \cos(x) = -\displaystyle\frac{1}{2}\) : \(x = \displaystyle\frac{2\pi}{3}\) et \(x = \displaystyle\frac{4\pi}{3}\).

Signe de \(g^\prime(x) = -\sin(x)(1 + 2\cos(x))\) :

  • Sur \(]0 \,;\, \displaystyle\frac{2\pi}{3}[\) : \(\sin(x)\) > \(0\) et \(1 + 2\cos(x)\) > \(0\) (car \(\cos(x)\) > \(-\displaystyle\frac{1}{2}\)) → \(g^\prime(x)\) < \(0\).
  • Sur \(]\displaystyle\frac{2\pi}{3} \,;\, \pi[\) : \(\sin(x)\) > \(0\) et \(1 + 2\cos(x)\) < \(0\) → \(g^\prime(x)\) > \(0\).
  • Sur \(]\pi \,;\, \displaystyle\frac{4\pi}{3}[\) : \(\sin(x)\) < \(0\) et \(1 + 2\cos(x)\) < \(0\) → \(g^\prime(x)\) < \(0\).
  • Sur \(]\displaystyle\frac{4\pi}{3} \,;\, 2\pi[\) : \(\sin(x)\) < \(0\) et \(1 + 2\cos(x)\) > \(0\) → \(g^\prime(x)\) > \(0\).

Valeurs clés :

  • \(g(0) = 1 + \displaystyle\frac{1}{2} = \displaystyle\frac{3}{2}\)
  • \(g\!\left(\displaystyle\frac{2\pi}{3}\right) = -\displaystyle\frac{1}{2} + \displaystyle\frac{1}{2}\cos\!\left(\displaystyle\frac{4\pi}{3}\right) = -\displaystyle\frac{1}{2} + \displaystyle\frac{1}{2}\!\left(-\displaystyle\frac{1}{2}\right) = -\displaystyle\frac{3}{4}\)
  • \(g(\pi) = -1 + \displaystyle\frac{1}{2} = -\displaystyle\frac{1}{2}\)
  • \(g\!\left(\displaystyle\frac{4\pi}{3}\right) = -\displaystyle\frac{3}{4}\) (par symétrie)
  • \(g(2\pi) = \displaystyle\frac{3}{2}\)
 »]
»Variations
\(x\)\(0\)\(\displaystyle\frac{2\pi}{3}\)\(\pi\)\(\displaystyle\frac{4\pi}{3}\)\(2\pi\)
\(g^\prime(x)\)\(0\)\(–\)\(0\)\(+\)\(0\)\(–\)\(0\)\(+\)\(0\)
\(g(x)\)\(\displaystyle\frac{3}{2}\)\(-\displaystyle\frac{3}{4}\)\(-\displaystyle\frac{1}{2}\)\(-\displaystyle\frac{3}{4}\)\(\displaystyle\frac{3}{2}\)

La fonction \(g\) atteint son maximum global \(\displaystyle\frac{3}{2}\) en \(0\) et \(2\pi\), et ses minima locaux \(-\displaystyle\frac{3}{4}\) en \(\displaystyle\frac{2\pi}{3}\) et \(\displaystyle\frac{4\pi}{3}\). Le point \(\left(\pi \,;\, -\displaystyle\frac{1}{2}\right)\) est un maximum local (entre deux minima).

🎁 EN BONUS

Fiche de synthèse — Fonctions trigonométriques

Définitions, courbes, dérivées, méthode d’étude et valeurs remarquables sur une seule page recto-verso.

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Idéale pour réviser la veille du bac ou avant un DS de trigonométrie.


VI. Fonctions trigonométriques réciproques 🔴 Prépa

En CPGE, on définit les fonctions réciproques (ou fonctions trigonométriques inverses) de sin, cos et tan. L’idée : restreindre chaque fonction à un intervalle où elle est bijective, puis « inverser le sens » de la correspondance.

A. La fonction arcsinus

La fonction sin n’est pas injective sur \(\mathbb{R}\) (elle prend chaque valeur une infinité de fois). On la restreint à \(\left[-\displaystyle\frac{\pi}{2} \,;\, \displaystyle\frac{\pi}{2}\right]\) où elle est strictement croissante et réalise une bijection de \(\left[-\displaystyle\frac{\pi}{2} \,;\, \displaystyle\frac{\pi}{2}\right]\) sur \([-1 \,;\, 1]\).

Définition — Fonction arcsinus

La fonction arcsinus, notée \(\arcsin\), est la bijection réciproque de \(\sin : \left[-\displaystyle\frac{\pi}{2} \,;\, \displaystyle\frac{\pi}{2}\right] \to [-1 \,;\, 1]\).

Autrement dit, pour tout \(y \in [-1 \,;\, 1]\) : \(\arcsin(y) = x \iff \sin(x) = y\) et \(x \in \left[-\displaystyle\frac{\pi}{2} \,;\, \displaystyle\frac{\pi}{2}\right]\).

Dérivée : \(\arcsin^\prime(x) = \displaystyle\frac{1}{\sqrt{1 – x^2}}\) pour \(x \in ]-1 \,;\, 1[\).

B. La fonction arccosinus

On restreint cos à \([0 \,;\, \pi]\) où elle est strictement décroissante et bijective sur \([-1 \,;\, 1]\).

Définition — Fonction arccosinus

\(\arccos : [-1 \,;\, 1] \to [0 \,;\, \pi]\), bijection réciproque de \(\cos|_{[0,\pi]}\).

Dérivée : \(\arccos^\prime(x) = -\displaystyle\frac{1}{\sqrt{1 – x^2}}\) pour \(x \in ]-1 \,;\, 1[\).

Relation fondamentale : \(\arcsin(x) + \arccos(x) = \displaystyle\frac{\pi}{2}\) pour tout \(x \in [-1 \,;\, 1]\).

C. La fonction arctangente

On restreint tan à \(\left]-\displaystyle\frac{\pi}{2} \,;\, \displaystyle\frac{\pi}{2}\right[\) où elle est strictement croissante et bijective de \(\left]-\displaystyle\frac{\pi}{2} \,;\, \displaystyle\frac{\pi}{2}\right[\) sur \(\mathbb{R}\).

Définition — Fonction arctangente

\(\arctan : \mathbb{R} \to \left]-\displaystyle\frac{\pi}{2} \,;\, \displaystyle\frac{\pi}{2}\right[\), bijection réciproque de \(\tan|_{]-\pi/2,\pi/2[}\).

Dérivée : \(\arctan^\prime(x) = \displaystyle\frac{1}{1 + x^2}\) pour tout \(x \in \mathbb{R}\).

Valeurs utiles : \(\arctan(0) = 0\), \(\arctan(1) = \displaystyle\frac{\pi}{4}\), \(\arctan(\sqrt{3}) = \displaystyle\frac{\pi}{3}\).

En résumé (Prépa) — Les trois dérivées des réciproques à retenir :

  • \(\arcsin^\prime(x) = \displaystyle\frac{1}{\sqrt{1 – x^2}}\)
  • \(\arccos^\prime(x) = -\displaystyle\frac{1}{\sqrt{1 – x^2}}\)
  • \(\arctan^\prime(x) = \displaystyle\frac{1}{1 + x^2}\)

Ces dérivées interviennent très fréquemment dans le calcul de primitives : reconnaître \(\displaystyle\frac{1}{1+x^2}\) comme la dérivée de \(\arctan\) est un réflexe indispensable en prépa.


VII. Erreurs fréquentes et pièges classiques

Piège n°1 — Confondre \(\sin^2(x)\) et \(\sin(x^2)\)

❌ Un élève écrit : « la dérivée de \(\sin^2(x)\) est \(\cos(x^2) \times 2x\) ».

📌 Diagnostic : il confond \(\sin^2(x) = (\sin(x))^2\) (le carré de la fonction sinus) avec \(\sin(x^2)\) (le sinus de \(x^2\)).

Correction : \((\sin^2(x))^\prime = 2\sin(x) \cdot \cos(x) = \sin(2x)\). En revanche, \((\sin(x^2))^\prime = 2x\cos(x^2)\).

Piège n°2 — Oublier le signe moins dans la dérivée de cos

❌ « \((\cos(x))^\prime = \sin(x)\) ».

Correction : \((\cos(x))^\prime = \mathbf{-}\sin(x)\). Ce signe moins est la source d’erreur n°1 en trigonométrie au bac. Pense au moyen mnémotechnique : « dériver cos donne moins sin ».

Piège n°3 — Oublier de réduire l’intervalle d’étude

❌ Un élève étudie \(f(x) = \sin(x) + \cos(2x)\) sur \(\mathbb{R}\) en entier, sans utiliser la périodicité.

Correction : toujours commencer par chercher la période et la parité. Ici, \(f\) est \(2\pi\)-périodique, donc l’étude sur \([0 \,;\, 2\pi]\) suffit. Cela simplifie la résolution de \(f^\prime(x) = 0\) et évite les erreurs de signe dans le tableau.


VIII. Questions fréquentes


Quelle est la différence entre le sinus dans un triangle et la fonction sinus ?

Au collège, le sinus est un rapport de longueurs dans un triangle rectangle : \(\sin(\alpha) = \displaystyle\frac{\text{côté opposé}}{\text{hypoténuse}}\). Ce rapport n’est défini que pour des angles entre 0° et 90°. En lycée, grâce au cercle trigonométrique, on étend la définition à tout angle réel (positif, négatif, supérieur à 360°), ce qui donne naissance à la fonction sinus définie sur \(\mathbb{R}\). Les deux définitions coïncident pour les angles aigus.

Comment retenir les dérivées de sin et cos ?

Retiens le cycle : \(\sin \to \cos \to -\sin \to -\cos \to \sin\). Chaque dérivation avance d’un cran. En particulier : dériver sin donne cos (pas de signe), dériver cos donne moins sin (le signe moins est le piège classique). Un moyen mnémotechnique : « cos vient contenter sin, mais sin rend cos négatif ».

Pourquoi la tangente a-t-elle des asymptotes verticales ?

La tangente est le quotient \(\displaystyle\frac{\sin(x)}{\cos(x)}\). Lorsque \(x\) s’approche de \(\displaystyle\frac{\pi}{2}\), le numérateur \(\sin(x)\) tend vers 1 tandis que le dénominateur \(\cos(x)\) tend vers 0. Le quotient diverge vers \(+\infty\) ou \(-\infty\). La droite \(x = \displaystyle\frac{\pi}{2}\) est donc une asymptote verticale. Cela se répète tous les \(\pi\) (périodicité de tan).

Comment transformer sin(x) + cos(x) en une seule sinusoïde ?

On utilise la formule : \(a\sin(x) + b\cos(x) = \sqrt{a^2 + b^2}\,\sin(x + \varphi)\) avec \(\cos(\varphi) = \displaystyle\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}\) et \(\sin(\varphi) = \displaystyle\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}\). Pour \(\sin(x) + \cos(x)\) : \(a = b = 1\), donc amplitude \(\sqrt{2}\) et \(\varphi = \displaystyle\frac{\pi}{4}\). Résultat : \(\sin(x) + \cos(x) = \sqrt{2}\sin\!\left(x + \displaystyle\frac{\pi}{4}\right)\). Cette technique simplifie de nombreux exercices de type bac.

Quelle est la différence entre fonctions trigonométriques et fonctions hyperboliques ?

Les fonctions trigonométriques (sin, cos, tan) sont liées au cercle unité : \(\cos^2(x) + \sin^2(x) = 1\). Les fonctions hyperboliques (sh, ch, th) sont liées à l’hyperbole : \(\mathrm{ch}^2(x) – \mathrm{sh}^2(x) = 1\). Les hyperboliques s’expriment avec des exponentielles réelles (\(\mathrm{ch}(x) = \displaystyle\frac{e^x + e^{-x}}{2}\)), tandis que les trigonométriques s’expriment avec des exponentielles complexes (\(\cos(x) = \displaystyle\frac{e^{ix} + e^{-ix}}{2}\)). Les formules sont analogues (addition, duplication…) avec des changements de signes.

Comment déterminer l'amplitude et la période de a·sin(bx + c) ?

L’amplitude est \(|a|\) : c’est la valeur maximale atteinte par la fonction. La période est \(T = \displaystyle\frac{2\pi}{|b|}\) : c’est la longueur d’un cycle complet. Le déphasage (décalage horizontal) est \(-\displaystyle\frac{c}{b}\). Pour lire ces valeurs, il faut d’abord factoriser \(b\) dans l’argument : \(a\sin(b(x – \varphi))\) avec \(\varphi = -\displaystyle\frac{c}{b}\).

Les fonctions trigonométriques sont-elles au programme du bac ?

Oui. Les fonctions sinus et cosinus sont introduites en Première (spécialité mathématiques) : définitions, dérivées, représentation graphique. En Terminale, on approfondit avec les équations trigonométriques et les applications aux études de fonctions. La tangente est au programme de Terminale. Les fonctions réciproques (arcsin, arccos, arctan) ne sont étudiées qu’en CPGE.



IX. Pour aller plus loin

Tu maîtrises maintenant les fonctions trigonométriques : définitions, propriétés, courbes, dérivées et méthode d’étude complète. Pour approfondir :

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