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Trigonométrie réciproque

Vérification d'une égalité à l'aide de la dérivation (2)\left(2\right) - Exercice 1

30 min
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Question 1

Soit xx un nombre réel positif. Démontrer que :
x0,arccos(1x1+x)=2arctan(x)\forall x \geqslant 0, \,\, \arccos \left( \dfrac{1-x}{1+x} \right) = 2 \arctan \left( \sqrt{x} \right)

Correction
Posons f(x)=arccos(1x1+x)f(x) = \arccos \left( \dfrac{1-x}{1+x} \right) et g(x)=2arctan(x)g(x) = 2 \arctan \left( \sqrt{x} \right).
Sur l'intervalle R{1}\mathbb{R}-\{1\} la fonction x1x1+xx \longmapsto \dfrac{1-x}{1+x} existe et y est dérivable, donc continue. De fait cette fonction existe et y est dérivable pour x0x \geqslant 0.
En outre, pour x0x \geqslant 0, la fonction x1x1+xx \longmapsto \dfrac{1-x}{1+x} admet ses images dans l'intervalle ]1;1]]\, -1 \,;\, 1 \,].
La fonction arccos\arccos est définie sur [1;1][\, -1 \,;\, 1 \,] et est dérivable sur ]1;1[]\, -1 \,;\, 1 \,[. De fait, on en déduit que l'expression f(x)=arccos(1x1+x)f(x) = \arccos \left( \dfrac{1-x}{1+x} \right) existe pour x0x \geqslant 0 et est dérivable pour x>0x > 0.
La fonction arctan\arctan existe, est continue et est dérivable sur R\mathbb{R}. Le terme x\sqrt{x} existe pour x0x \geqslant 0 et admet une dérivée pour x>0x>0.
Par composition de ces termes, on en déduit que l'expression g(x)=2arctan(x)g(x) = 2 \arctan \left( \sqrt{x} \right) est continu sur R+\mathbb{R}^+ et est dérivable sur R+\mathbb{R}^{+\star}.
D'après ce qui précède, nous pouvons calculer les expressions ff' et gg' pour x>0x > 0. On a alors :
xR+,f(x)=(arccos(1x1+x))=11(1x1+x)2×(1x1+x)\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, f'(x) = \left( \arccos \left( \dfrac{1-x}{1+x} \right) \right)' = - \dfrac{1}{\sqrt{1- \left( \dfrac{1-x}{1+x} \right)^2}} \times \left( \dfrac{1-x}{1+x} \right)'
Soit :
xR+,f(x)=1(1+x1+x)2(1x1+x)2×(1x)(1+x)(1x)(1+x)(1+x)2\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, f'(x) = - \dfrac{1}{\sqrt{ \left( \dfrac{1+x}{1+x} \right)^2 - \left( \dfrac{1-x}{1+x} \right)^2}} \times \dfrac{(1-x)'(1+x) - (1-x)(1+x)'}{(1+x)^2}
Soit encore :
xR+,f(x)=1(1+x)2(1+x)2(1x)2(1+x)2×1(1+x)(1x)1(1+x)2\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, f'(x) = - \dfrac{1}{\sqrt{ \dfrac{(1+x)^2}{(1+x)^2} - \dfrac{(1-x)^2}{(1+x)^2} }} \times \dfrac{-1(1+x) - (1-x)1}{(1+x)^2}
Donc :
xR+,f(x)=1(1+x)2(1x)2(1+x)2×1x1+x(1+x)2\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, f'(x) = - \dfrac{1}{\sqrt{ \dfrac{(1+x)^2 - (1-x)^2}{(1+x)^2} }} \times \dfrac{-1 -x - 1 + x}{(1+x)^2}
On a alors :
xR+,f(x)=(1+x)(1+x)2(1x)2×2(1+x)2\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, f'(x) = -\dfrac{(1+x)}{\sqrt{ (1+x)^2 - (1-x)^2 }} \times \dfrac{-2}{(1+x)^2}
De fait :
xR+,f(x)=11+2x+x2(12x+x2)×21+x\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, f'(x) = \dfrac{1}{\sqrt{ 1+2x+x^2 - (1-2x+x^2) }} \times \dfrac{2}{1+x}
D'où :
xR+,f(x)=11+2x+x21+2xx2×21+x\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, f'(x) = \dfrac{1}{\sqrt{ 1+2x+x^2-1+2x-x^2 }} \times \dfrac{2}{1+x}
On arrive donc à :
xR+,f(x)=12x+2x×21+x\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, f'(x) = \dfrac{1}{\sqrt{ 2x+2x }} \times \dfrac{2}{1+x}
Ainsi :
xR+,f(x)=14x×21+x\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, f'(x) = \dfrac{1}{\sqrt{ 4x }} \times \dfrac{2}{1+x}
Donc :
xR+,f(x)=12x×21+x\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, f'(x) = \dfrac{1}{2\sqrt{ x }} \times \dfrac{2}{1+x}
Finalement :
xR+,f(x)=1(1+x)x\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, f'(x) = \dfrac{1}{(1+x)\sqrt{x}}
Puis, on a aussi :
xR+,g(x)=(2arctan(x))=2(arctan(x))\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, g'(x) = \left( 2 \arctan \left( \sqrt{x} \right) \right)' = 2 \left( \arctan \left( \sqrt{x} \right) \right)'
Donc :
xR+,g(x)=2(x)×11+(x)2\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, g'(x) = 2 \left( \sqrt{x} \right)' \times \dfrac{1}{1+\left( \sqrt{x}\right)^2}
On a alors :
xR+,g(x)=212x×11+x\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, g'(x) = 2 \dfrac{1}{2\sqrt{x}} \times \dfrac{1}{1+x}
Ainsi :
xR+,g(x)=1x×11+x\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, g'(x) = \dfrac{1}{\sqrt{x}} \times \dfrac{1}{1+x}
Finalement :
xR+,g(x)=1(1+x)x\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, g'(x) = \dfrac{1}{(1+x)\sqrt{x}}
On constate alors que :
xR+,f(x)=g(x)\forall x \in \mathbb{R}^{+\star}, \,\, f'(x) = g'(x)
Cela implique que :
xR+,f(x)=g(x)+K (KR)\forall x \in \mathbb{R}^{+}, \,\, f(x) = g(x) + K \,\,\,\,\,\ (K \in \mathbb{R})
Posons x=0R+x = 0 \in \mathbb{R}^{+}. On a alors :
f(0)=g(0)+Karccos(101+0)=2arctan(0)+Karccos(11)=2arctan(0)+Kf(0) = g(0) + K \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \arccos \left( \dfrac{1-0}{1+0} \right) = 2 \arctan \left( \sqrt{0} \right) + K \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \arccos \left( \dfrac{1}{1} \right) = 2 \arctan \left( 0 \right) + K
Ce qui nous donne :
arccos(1)=2arctan(0)+K0=0+K0=K\arccos \left( 1 \right) = 2 \arctan \left( 0 \right) + K \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 = 0 + K \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 = K
On peut donc conclure que :
x0,arccos(1x1+x)=2arctan(x)\forall x \geqslant 0, \,\, \arccos \left( \dfrac{1-x}{1+x} \right) = 2 \arctan \left( \sqrt{x} \right)