Les fonctions trigonométriques

Exercices types : 11ère partie - Exercice 1

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Question 1
Soit la fonction ff définie sur l'intervalle I=[0,+[I=\left[0,+\infty \right[ par f(x)=xsin(x)f\left(x\right)=x-\sin \left(x\right)

Calculer f(x)f'\left(x\right) puis déterminer les variations de la fonction ffdéfinie sur l'intervalle I=[0,+[I=\left[0,+\infty \right[.

Correction
ff est dérivable sur I=[0,+[I=\left[0,+\infty \right[ et pour tout réel xIx\in I f(x)=1cos(x)f'\left(x\right)=1-\cos \left(x\right)
Or, pour tout réel xIx\in I, 1cos(x)10cos(x)+12-1\le -\cos \left(x\right)\le 1\Leftrightarrow 0\le -\cos \left(x\right)+1\le 2.
Ainsi : 0f(x)20\le f'\left(x\right)\le 2.
Donc f(x)0f'\left(x\right)\ge 0 pour tout réel xIx\in I.
Finalement, la fonction ff est croissante sur [0,+[\left[0,+\infty \right[.
Question 2

En déduire le signe de la fonction ff définie sur l'intervalle II

Correction
On calcule f(0)f\left(0\right).
f(0)=0sin(0)f\left(0\right)=0-\sin \left(0\right)\Leftrightarrow
f(0)=0f\left(0\right)=0

On traduit cela dans un tableau de variation :
Il en résulte que le minimum de ff vaut 00 quand x=0x=0.
Il vient alors que f(x)0f\left(x\right)\ge 0.
Autrement dit
xsin(x)0x-\sin \left(x\right)\ge 0
Question 3
Soit la fonction gg définie sur l'intervalle I=[0,+[I=\left[0,+\infty \right[ par g(x)=cos(x)1+x22g\left(x\right)=\cos \left(x\right)-1+\frac{x^{2} }{2}.

Calculer g(x)g'\left(x\right) puis déterminer les variations de la fonction gg définie sur l'intervalle II

Correction
gg est dérivable sur I=[0,+[I=\left[0,+\infty \right[ et pour tout réel xIx\in I
g(x)=sin(x)+xg'\left(x\right)=-\sin \left(x\right)+x

D'après la question 22, pour tout réel xIx\in I, on a xsin(x)0x-\sin \left(x\right)\ge 0
Donc g(x)0g'\left(x\right)\ge 0 pour tout réel xIx\in I.
Finalement, la fonction gg est croissante sur [0,+[\left[0,+\infty \right[.
De plus, g(0)=cos(0)1+022g\left(0\right)=\cos \left(0\right)-1+\frac{0^{2} }{2} \Leftrightarrow
g(0)=0g\left(0\right)=0

On en déduit le tableau de variation de gg :
Question 4

Démontrer que pour tout réel xx de l'intervalle II, on a 1x22cos(x)11-\frac{x^{2} }{2} \le \cos \left(x\right)\le 1

Correction
L'inégalité cos(x)1\cos \left(x\right)\le 1 est évidente. En effet,pour tout xIx\in I, on sait que : 1cos(x)1-1\le \cos \left(x\right)\le 1
Comme g(0)=0g\left(0\right)=0, et que gg est croissante sur [0,+[\left[0,+\infty \right[, alors g(x)0g\left(x\right)\ge 0
Ainsi : cos(x)1+x220\cos \left(x\right)-1+\frac{x^{2} }{2} \ge 0
D'où : cos(x)1x22\cos \left(x\right)\ge 1-\frac{x^{2} }{2} .
Finalement, pour tout réel xx de l'intervalle II, on a :
1x22cos(x)11-\frac{x^{2} }{2} \le \cos \left(x\right)\le 1