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Trigonométrie réciproque

Des équations à savoir faire pour le jour JJ - Exercice 2

30 min
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Question 1

Soit xx un nombre réel.
On désigne par EE l'équation suivante :
E:arcsin(x)=arctan(2x1x2)E : \arcsin(x) = \arctan\left( \dfrac{2x}{1-x^2} \right)

Correction
La fonction xarcsin(x)x \longmapsto \arcsin(x) est définie et continue sur [1;1][-1 \,;\, 1].
La fonction xarctan(x)x \longmapsto \arctan(x) est définie et continue sur R\mathbb{R}.
La fonction x2x1x2x \longmapsto \dfrac{2x}{1-x^2} est définie et continue sur R{1;1}\mathbb{R}-\{-1 \,;\, 1\}.
Ceci signifie que l'équation EE proposée, à savoir arcsin(x)=arctan(2x1x2)\arcsin(x) = \arctan\left( \dfrac{2x}{1-x^2} \right), à un sens sur l'intervalle ]1;1[]-1 \,;\, 1[.
Donc, on a alors :
x]1;1[,arcsin(x)=arctan(2x1x2)\forall x \in ]-1 \,;\, 1[, \,\, \arcsin(x) = \arctan\left( \dfrac{2x}{1-x^2} \right)
Soit, puisque π2<arcsin(x)<π2-\dfrac{\pi}{2} < \arcsin(x) < \dfrac{\pi}{2}, on peut écrire que :
x]1;1[,tan(arcsin(x))=tan(arctan(2x1x2))\forall x \in ]-1 \,;\, 1[, \,\, \tan\left(\arcsin(x)\right) = \tan\left(\arctan\left( \dfrac{2x}{1-x^2} \right)\right)
Soit encore :
x]1;1[,x1x2=2x1x2\forall x \in ]-1 \,;\, 1[, \,\, \dfrac{x}{\sqrt{1-x^2}} = \dfrac{2x}{1-x^2}
Donc :
x]1;1[,(x1x2)2=(2x1x2)2\forall x \in ]-1 \,;\, 1[, \,\, \left( \dfrac{x}{\sqrt{1-x^2}} \right)^2 = \left( \dfrac{2x}{1-x^2} \right)^2
D'où :
x]1;1[,x21x2=4x2(1x2)2\forall x \in ]-1 \,;\, 1[, \,\, \dfrac{x^2}{1-x^2} = \dfrac{4x^2}{(1-x^2)^2}
Ecrivons ceci comme :
x]1;1[,x2(1x2)24x2(1x2)=0\forall x \in ]-1 \,;\, 1[, \,\, x^2(1-x^2)^2 - 4x^2(1-x^2) = 0
En factorisant :
x]1;1[,x2(1x2)(1x4)=0\forall x \in ]-1 \,;\, 1[, \,\, x^2(1-x^2)\left( 1-x - 4 \right) = 0
Ainsi :
x]1;1[,x2(1x2)(x3)=0\forall x \in ]-1 \,;\, 1[, \,\, x^2(1-x^2)\left( -x - 3 \right) = 0
Soit encore :
x]1;1[,x2(1x2)(x+3)=0\forall x \in ]-1 \,;\, 1[, \,\, -x^2(1-x^2)(x + 3) = 0
D'où :
x]1;1[,x2(x21)(x+3)=0\forall x \in ]-1 \,;\, 1[, \,\, x^2(x^2-1)(x + 3) = 0
De fait :
x]1;1[,x2(x212)(x+3)=0\forall x \in ]-1 \,;\, 1[, \,\, x^2(x^2-1^2)(x + 3) = 0
On obtient alors :
x]1;1[,x2(x1)(x+1)(x+3)=0\forall x \in ]-1 \,;\, 1[, \,\, x^2(x-1)(x+1)(x + 3) = 0
Nous allons donc écrire :
x]1;1[,(x0)2(x1)(x(1))(x(3))=0\forall x \in ]-1 \,;\, 1[, \,\, (x-0)^2(x-1)(x-(-1))(x - (-3)) = 0
On constate alors que parmi les valeurs 3-3, 1-1, 00 et 11, il n'y a que la valeur 00 qui appartient à l'intervalle ]1;1[]-1 \,;\, 1[.
Finalement, on en déduit donc que l'équation EE proposée admet une unique solution, à savoir :
SE={0}\mathscr{S}_E = \{ 0 \}.
Cela se vérifie graphiquement :