Différentes équations - Exercice 2

20 min
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Question 1

Soit xx un nombre réel. Résoudre l'équation EE suivante :
E:arccos⁡(x)=arccos⁡(14)+arcsin⁡(13)E : \arccos(x) = \arccos\left( \dfrac{1}{4} \right) + \arcsin\left( \dfrac{1}{3} \right)

Correction
L'équation EE, d'inconnue xx, est définie sur l'intervalle [−1 ; 1][-1 \,;\, 1].
Comme {0⩽14⩽10⩽13⩽1   ⟹   {0⩽arccos⁡(14)⩽π20⩽arcsin⁡(13)⩽π2   ⟹   0⩽arccos⁡(14)+arcsin⁡(13)⩽π\left\lbrace \begin{array}{ccccc} 0 & \leqslant & \dfrac{1}{4} & \leqslant & 1 \\ \\ 0 & \leqslant & \dfrac{1}{3} & \leqslant & 1 \end{array} \right. \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \left\lbrace \begin{array}{ccccc} 0 & \leqslant & \arccos\left(\dfrac{1}{4}\right) & \leqslant & \dfrac{\pi}{2} \\ \\ 0 & \leqslant & \arcsin\left(\dfrac{1}{3}\right) & \leqslant & \dfrac{\pi}{2} \end{array} \right. \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, 0 \leqslant \arccos\left(\dfrac{1}{4}\right) + \arcsin\left(\dfrac{1}{3}\right) \leqslant \pi
De plus 0⩽arccos⁡(x)⩽π0 \leqslant \arccos\left(x\right) \leqslant \pi ce qui nous autorise à prendre le cosinus de chacun des termes de l'équation EE. On a donc :
cos⁡(arccos⁡(x))=cos⁡(arccos⁡(14)+arcsin⁡(13))\cos\left(\arccos(x)\right) = \cos\left(\arccos\left( \dfrac{1}{4} \right) + \arcsin\left( \dfrac{1}{3} \right) \right)
Tout ce qui précèdent nous permet d'écrire que :
x=cos⁡(arccos⁡(14))cos⁡(arcsin⁡(13))−sin⁡(arccos⁡(14))sin⁡(arcsin⁡(13))x = \cos\left(\arccos\left( \dfrac{1}{4} \right)\right) \cos\left(\arcsin\left( \dfrac{1}{3} \right) \right) - \sin\left(\arccos\left( \dfrac{1}{4} \right)\right) \sin\left(\arcsin\left( \dfrac{1}{3} \right) \right)
Donc :
x=14cos⁡(arcsin⁡(13))−sin⁡(arccos⁡(14))13x = \dfrac{1}{4} \cos\left(\arcsin\left( \dfrac{1}{3} \right) \right) - \sin\left(\arccos\left( \dfrac{1}{4} \right)\right) \dfrac{1}{3}
Puis, on a aussi :
x=14cos⁡(arcsin⁡(13))−sin⁡(arccos⁡(14))13x = \dfrac{1}{4} \cos\left(\arcsin\left( \dfrac{1}{3} \right) \right) - \sin\left(\arccos\left( \dfrac{1}{4} \right)\right) \dfrac{1}{3}
Mais ∀X∈[−1 ; 1],  cos⁡(arcsin⁡(X))=sin⁡(arccos⁡(X))=1−X2\forall X \in [-1 \,;\, 1], \,\, \cos\left(\arcsin\left( X \right) \right) = \sin\left(\arccos\left( X \right)\right) = \sqrt{1-X^2}. On a alors :
x=141−(13)2−1−(14)213x = \dfrac{1}{4} \sqrt{1-\left( \dfrac{1}{3} \right)^2} - \sqrt{1-\left( \dfrac{1}{4} \right)^2} \dfrac{1}{3}
Ce qui nous donne :
x=141−19−1−11613x = \dfrac{1}{4} \sqrt{1- \dfrac{1}{9}} - \sqrt{1- \dfrac{1}{16} } \dfrac{1}{3}
Soit :
x=1499−19−131616−116x = \dfrac{1}{4} \sqrt{\dfrac{9}{9} - \dfrac{1}{9}} - \dfrac{1}{3} \sqrt{\dfrac{16}{16} - \dfrac{1}{16} }
Soit encore :
x=149−19−1316−116x = \dfrac{1}{4} \sqrt{\dfrac{9-1}{9}} - \dfrac{1}{3} \sqrt{\dfrac{16-1}{16} }
D'où :
x=1489−131516x = \dfrac{1}{4} \sqrt{\dfrac{8}{9}} - \dfrac{1}{3} \sqrt{\dfrac{15}{16} }
De même :
x=14832−131542x = \dfrac{1}{4} \sqrt{\dfrac{8}{3^2}} - \dfrac{1}{3} \sqrt{\dfrac{15}{4^2} }
On obtient alors :
x=14×38−13×415x = \dfrac{1}{4\times 3} \sqrt{8} - \dfrac{1}{3\times 4} \sqrt{15}
Ce qui nous donne :
x=112(8−15)x = \dfrac{1}{12} \left( \sqrt{8} - \sqrt{15} \right)
Ce qui s'écrit aussi comme :
x=112(22×2−15)x = \dfrac{1}{12} \left( \sqrt{2^2\times 2} - \sqrt{15} \right)
Finalement :
x=112(22−15)x = \dfrac{1}{12} \left( 2\sqrt{2} - \sqrt{15} \right)
On peut donc conclure que l'équation EE admet un unique solution, à savoir :
SE={ 22−1512 }\mathscr{S}_E = \left\lbrace \, \dfrac{2\sqrt{2} - \sqrt{15}}{12} \, \right\rbrace

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