Trigonométrie

Sujet 11 - Exercice 1

1 h
90
Pour se préparer efficacement à un devoir sur table.
Question 1
Répondre aux six questions suivantes.

Sachant que cos(π4)=12\cos\left( \dfrac{\pi}{4} \right) = \dfrac{1}{\sqrt{2}}, déterminer les lignes trigonométriques de π8\dfrac{\pi}{8} et π16\dfrac{\pi}{16}.

Correction
On sait que pour tout nombre réel xx, on a :
cos2(x)=1+cos(2x)2\cos^2(x) = \dfrac{1+\cos(2x)}{2}
En posant x=π8x = \dfrac{\pi}{8}, donc 2x=π42x = \dfrac{\pi}{4}. Ainsi :
cos2(π8)=1+cos(π4)2=1+122=1+222=22+222=2+222=2+24\cos^2\left( \dfrac{\pi}{8} \right) = \dfrac{1+\cos\left( \dfrac{\pi}{4} \right)}{2} = \dfrac{1+\dfrac{1}{\sqrt{2}}}{2} = \dfrac{1+\dfrac{\sqrt{2}}{2}}{2} = \dfrac{\dfrac{2}{2} + \dfrac{\sqrt{2}}{2}}{2} = \dfrac{\dfrac{2+\sqrt{2}}{2}}{2} = \dfrac{2+\sqrt{2}}{4}
Or π8[0;π2] \dfrac{\pi}{8} \in \left[ 0 \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right] ce qui implique que cos(π8)0\cos\left( \dfrac{\pi}{8} \right) \geqslant 0 donc :
cos(π8)=2+24=2+22\cos\left( \dfrac{\pi}{8} \right) = \sqrt{\dfrac{2+\sqrt{2}}{4}} = \dfrac{\sqrt{2+\sqrt{2}}}{2}
On en déduit que :
sin2(π8)=1cos2(π8)=12+24=442+24=4224=224\sin^2\left( \dfrac{\pi}{8} \right) = 1 - \cos^2\left( \dfrac{\pi}{8} \right) = 1 - \dfrac{2+\sqrt{2}}{4} = \dfrac{4}{4} - \dfrac{2+\sqrt{2}}{4} = \dfrac{4-2-\sqrt{2}}{4} = \dfrac{2-\sqrt{2}}{4}
Or π8[0;π2] \dfrac{\pi}{8} \in \left[ 0 \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right] ce qui implique que sin(π8)0\sin\left( \dfrac{\pi}{8} \right) \geqslant 0 donc :
sin(π8)=222\sin\left( \dfrac{\pi}{8} \right) = \dfrac{\sqrt{2-\sqrt{2}}}{2}
De la même manière, pour tout nombre réel xx, on a :
cos2(x)=1+cos(2x)2\cos^2(x) = \dfrac{1+\cos(2x)}{2}
En posant x=π16x = \dfrac{\pi}{16}, donc 2x=π82x = \dfrac{\pi}{8}. Ainsi :
cos2(π16)=1+cos(π8)2=1+2+222=22+2+222=2+2+222=2+2+24\cos^2\left( \dfrac{\pi}{16} \right) = \dfrac{1+\cos\left( \dfrac{\pi}{8} \right)}{2} = \dfrac{1+\dfrac{\sqrt{2+\sqrt{2}}}{2}}{2} = \dfrac{\dfrac{2}{2} + \dfrac{\sqrt{2+\sqrt{2}}}{2}}{2} = \dfrac{\dfrac{2+\sqrt{2+\sqrt{2}}}{2}}{2} = \dfrac{2+\sqrt{2+\sqrt{2}}}{4}
Or π16[0;π2] \dfrac{\pi}{16} \in \left[ 0 \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right] ce qui implique que cos(π16)0\cos\left( \dfrac{\pi}{16} \right) \geqslant 0 donc :
cos(π16)=2+2+24=2+2+22\cos\left( \dfrac{\pi}{16} \right) = \sqrt{\dfrac{2+\sqrt{2+\sqrt{2}}}{4}} = \dfrac{\sqrt{2+\sqrt{2+\sqrt{2}}}}{2}
On en déduit que :
sin2(π16)=1cos2(π16)=12+2+24=442+2+24=422+24=22+24\sin^2\left( \dfrac{\pi}{16} \right) = 1 - \cos^2\left( \dfrac{\pi}{16} \right) = 1 - \dfrac{2+\sqrt{ 2+\sqrt{2}}}{4} = \dfrac{4}{4} - \dfrac{2+\sqrt{2+\sqrt{2}}}{4} = \dfrac{4-2-\sqrt{2+\sqrt{2}}}{4} = \dfrac{2-\sqrt{2+\sqrt{2}}}{4}
Or π16[0;π2] \dfrac{\pi}{16} \in \left[ 0 \,;\, \dfrac{\pi}{2} \right] ce qui implique que sin(π16)0\sin\left( \dfrac{\pi}{16} \right) \geqslant 0 donc :
sin(π16)=22+22\sin\left( \dfrac{\pi}{16} \right) = \dfrac{2-\sqrt{2+\sqrt{2}}}{2}
Finalement :
cos(π8)=2+22etsin(π8)=222\color{blue}{\boxed{ \cos\left( \dfrac{\pi}{8} \right) = \dfrac{\sqrt{2+\sqrt{2}}}{2} \,\,\,\,\, \text{et} \,\,\,\,\, \sin\left( \dfrac{\pi}{8} \right) = \dfrac{\sqrt{2-\sqrt{2}}}{2}}}
cos(π16)=2+2+22etsin(π16)=22+22\color{red}{\boxed{ \cos\left( \dfrac{\pi}{16} \right) = \dfrac{2+\sqrt{2+\sqrt{2}}}{2} \,\,\,\,\, \text{et} \,\,\,\,\, \sin\left( \dfrac{\pi}{16} \right) = \dfrac{2-\sqrt{2+\sqrt{2}}}{2}}}
Question 2

Résoudre, dans R\mathbb{R}, l'équation (E)(E) suivante :
(E):2sin(x)cos(x)+(31)cos2(x)(3+1)sin2(x)=0(E) : \,\, 2 \sin(x) \cos(x) + \left( \sqrt{3} - 1\right) \cos^2(x) - \left( \sqrt{3} + 1\right) \sin^2(x) = 0

Correction
On a :
Résoudre, dans R\mathbb{R}, l'équation (E)(E) suivante :
(E):2sin(x)cos(x)+3cos2(x)cos2(x)3sin2(x)sin2(x)=0(E) : \,\, 2 \sin(x) \cos(x) + \sqrt{3} \cos^2(x) - \cos^2(x) - \sqrt{3} \sin^2(x) - \sin^2(x) = 0
Soit :
(E):2sin(x)cos(x)+3(cos2(x)sin2(x))=cos2(x)+sin2(x)(E) : \,\, 2 \sin(x) \cos(x) + \sqrt{3} \left( \cos^2(x) - \sin^2(x) \right) = \cos^2(x) + \sin^2(x)
Mais, pour tout nombre réel xx, on sait que cos2(x)+sin2(x)=1\cos^2(x) + \sin^2(x) = 1 et que cos2(x)sin2(x)=cos(2x)\cos^2(x) - \sin^2(x) = \cos(2x). Ainsi, on obtient :
(E):2sin(x)cos(x)+3cos(2x)=1(E) : \,\, 2 \sin(x) \cos(x) + \sqrt{3} \cos(2x) = 1
De plus, pour tout nombre réel xx, on sait que 2sin(x)cos(x)=sin(2x)2 \sin(x) \cos(x) = \sin(2x). Ainsi :
(E):sin(2x)cos(x)+3cos(2x)=1(E) : \,\, \sin(2x) \cos(x) + \sqrt{3} \cos(2x) = 1
On a alors 12+(3)2=1+3=4=2\sqrt{1^2+\left(\sqrt{3}\right)^2} = \sqrt{1+3} = \sqrt{4} = \color{blue}{2}. Donc :
(E):12sin(2x)cos(x)+32cos(2x)=12(E) : \,\, \dfrac{1}{\color{blue}{2}}\sin(2x) \cos(x) + \dfrac{\sqrt{3}}{\color{blue}{2}} \cos(2x) = \dfrac{1}{\color{blue}{2}}
On recherche donc un nombre réel θ\theta qui vérifient les deux conditions :
{cos(θ)=32sin(θ)=12θ=π6\left\lbrace \begin{array}{rcl} \cos(\theta) & = & \dfrac{\sqrt{3}}{\color{blue}{2}} \\ & & \\ \sin(\theta) & = & \dfrac{1}{\color{blue}{2}} \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \theta = \dfrac{\pi}{6}
Ceci nous permet d'écrire que :
cos(2xπ6)=12\cos\left( 2x - \dfrac{\pi}{6} \right) = \dfrac{1}{\color{blue}{2}}
Ce qui s'écrit encore :
cos(2xπ6)=cos(π3)\cos\left( 2x - \dfrac{\pi}{6} \right) = \cos\left( \dfrac{\pi}{3} \right)
Ainsi, avec kZk \in \mathbb{Z}, on a :
{2xπ6=π3+2kπou2xπ6=π3+2kπ{2x=π6+π3+2kπou2x=π6π3+2kπ{2x=π2+2kπou2x=π6+2kπ\left\lbrace \begin{array}{rcr} 2x - \dfrac{\pi}{6} & = & \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi \\ & \text{ou} & \\ 2x - \dfrac{\pi}{6} & = & -\dfrac{\pi}{3} +2k\pi \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcr} 2x & = & \dfrac{\pi}{6} + \dfrac{\pi}{3} + 2k\pi \\ & \text{ou} & \\ 2x & = & \dfrac{\pi}{6} - \dfrac{\pi}{3} +2k\pi \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcr} 2x & = & \dfrac{\pi}{2} + 2k\pi \\ & \text{ou} & \\ 2x & = & -\dfrac{\pi}{6}+2k\pi \\ \end{array} \right.
Soit, en divisant par 22, on obtient :
{x=π4+kπoux=π12+kπ\left\lbrace \begin{array}{rcr} x & = & \dfrac{\pi}{4} + k\pi \\ & \text{ou} & \\ x & = & -\dfrac{\pi}{12} + k\pi \\ \end{array} \right.
Finalement, l'ensemble SE\mathcal{S}_E des solutions de l'équation (E)(E) est donné par :
SE={x=π4+kπoux=π12+kπ(kZ)}\color{red}{\boxed{\mathcal{S}_E = \left\lbrace x = \dfrac{\pi}{4} + k\pi \,\,\,\,\, \text{ou} \,\,\,\,\, x = -\dfrac{\pi}{12} + k\pi \hspace{0.5 cm} (k \in \mathbb{Z}) \right\rbrace}}
Question 3

Résoudre, dans R\mathbb{R}, l'équation (E)(E) suivante :
(E):cos(x)×cos(7x)=cos(3x)×cos(5x)(E) : \,\, \cos(x) \times \cos(7x) = \cos(3x) \times \cos(5x)

Correction
Soit aa et bb deux nombres réels. On sait que :
cos(a)×cos(b)=cos(a+b)+cos(ab)2\cos(a) \times \cos(b) = \dfrac{\cos(a+b) + \cos(a-b)}{2}
Ainsi :
{cos(x)×cos(7x)=cos(x+7x)+cos(x7x)2cos(3x)×cos(5x)=cos(3x+5x)+cos(3x5x)2\left\lbrace \begin{array}{rcl} \cos(x) \times \cos(7x) & = & \dfrac{\cos(x+7x) + \cos(x-7x)}{2} \\ & & \\ \cos(3x) \times \cos(5x) & = & \dfrac{\cos(3x+5x) + \cos(3x-5x)}{2} \\ \end{array} \right.
Soit :
{cos(x)×cos(7x)=cos(8x)+cos(6x)2cos(3x)×cos(5x)=cos(8x)+cos(2x)2\left\lbrace \begin{array}{rcl} \cos(x) \times \cos(7x) & = & \dfrac{\cos(8x) + \cos(-6x)}{2} \\ & & \\ \cos(3x) \times \cos(5x) & = & \dfrac{\cos(8x) + \cos(-2x)}{2} \\ \end{array} \right.
Mais la fonction sinus est impaire. Donc pour tout grandeur réelle XX, on a cos(X)=cos(X)\cos(-X) = \cos(X). D'où :
{cos(x)×cos(7x)=cos(8x)+cos(6x)2cos(3x)×cos(5x)=cos(8x)+cos(2x)2\left\lbrace \begin{array}{rcl} \cos(x) \times \cos(7x) & = & \dfrac{\cos(8x) + \cos(6x)}{2} \\ & & \\ \cos(3x) \times \cos(5x) & = & \dfrac{\cos(8x) + \cos(2x)}{2} \\ \end{array} \right.
L'équation (E)(E) devient alors :
(E):cos(8x)+cos(6x)2=cos(8x)+cos(2x)2(E) : \,\, \dfrac{\cos(8x) + \cos(6x)}{2} = \dfrac{\cos(8x) + \cos(2x)}{2}
En simplifiant par 120\dfrac{1}{2} \neq 0, on aboutit à :
(E):cos(8x)+cos(6x)=cos(8x)+cos(2x)(E) : \,\, \cos(8x) + \cos(6x) = \cos(8x) + \cos(2x)
Ce qui nous permet d'obtenir :
(E):cos(6x)=cos(2x)(E) : \,\, \cos(6x) = \cos(2x)
Puis, avec kZk \in \mathbb{Z}, on a :
{6x=2x+k2πou6x=2x+k2π{4x=0+k2πou8x=0+k2π{4x=k2πou8x=k2π{x=k2π4oux=k2π8\left\lbrace \begin{array}{rcl} 6x & = & 2x + k2\pi \\ & \text{ou} & \\ 6x & = & -2x + k2\pi \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 4x & = & 0 + k2\pi \\ & \text{ou} & \\ 8x & = & 0 + k2\pi \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} 4x & = & k2\pi \\ & \text{ou} & \\ 8x & = & k2\pi \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} x & = & k\dfrac{2\pi}{4} \\ & \text{ou} & \\ x & = & k\dfrac{2\pi}{8} \\ \end{array} \right.
Soit :
{x=kπ2oux=kπ4(kZ) \left\lbrace \begin{array}{rcl} x & = & k\dfrac{\pi}{2} \\ & \text{ou} & \\ x & = & k\dfrac{\pi}{4} \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\, (k \in \mathbb{Z}). Les situations du type x=kπ2x=k\dfrac{\pi}{2} sont toutes incluses dans celles du type x=kπ4x=k\dfrac{\pi}{4} : c'est la cas des kk pairs.
Finalement, l'ensemble SE\mathcal{S}_E des solutions de l'équation (E)(E) est donné par :
SE={x=kπ4(kZ)}\color{red}{\boxed{\mathcal{S}_E = \left\lbrace x = k\dfrac{\pi}{4} \hspace{0.5 cm} (k \in \mathbb{Z}) \right\rbrace}}
Question 4

En réfléchissant sur la somme des racines cinquième de l'unité, déterminer la valeur de 1+2cos(2π5)+2cos(4π5)1 + 2 \cos \left( \dfrac{2\pi}{5} \right) + 2 \cos \left( \dfrac{4\pi}{5} \right).
En déduire la ligne trigonométrique de 2π5\dfrac{2\pi}{5}.

Correction
KaTeX parse error: Got function '\color' with no arguments as subscript at position 3: S_\̲c̲o̲l̲o̲r̲{red}{5}
Question 5

Calculer la valeur de la somme suivante : S=k=05cos((2k+1)π13)S = \sum_{k=0}^{5} \cos \left( (2k+1)\dfrac{\pi}{13} \right).

Correction
L'analyse de cette somme est plus simple en passant par les nombres complexes. En effet, on a :
S=k=05cos((2k+1)π13)=k=05(ei((2k+1)π13))=(k=05ei((2k+1)π13))=(k=05eik2π13×eiπ13)S = \sum_{k=0}^{5} \cos \left( (2k+1)\dfrac{\pi}{13} \right) = \sum_{k=0}^{5} \Re \left(e^{i\left( (2k+1)\frac{\pi}{13} \right)}\right) = \Re \left( \sum_{k=0}^{5} e^{i\left( (2k+1)\frac{\pi}{13} \right)} \right) = \Re \left( \sum_{k=0}^{5} e^{ik\frac{2\pi}{13}} \times e^{i\frac{\pi}{13}} \right)
Le terme eiπ13e^{i\frac{\pi}{13}} est indépendant de kk, et donc peux sortir de la somme. On a alors :
S=k=05cos((2k+1)π13)=(eiπ13k=05eik2π13)=(eiπ13k=05(ei2π13)k)S = \sum_{k=0}^{5} \cos \left( (2k+1)\dfrac{\pi}{13} \right) = \Re \left( e^{i\frac{\pi}{13}}\sum_{k=0}^{5} e^{ik\frac{2\pi}{13}} \right) = \Re \left( e^{i\frac{\pi}{13}}\sum_{k=0}^{5} \left(e^{i\frac{2\pi}{13}} \right)^k \right)
On voit apparaître une somme géométrique de six termes, dont le premier terme est e0=1e^0 = 1, et de raison ei2π13e^{i\frac{2\pi}{13}} . On a donc :
S=k=05cos((2k+1)π13)=(eiπ131(ei2π13)61ei2π13)=(eiπ131ei12π131ei2π13)=(eiπ13e0ei12π13e0ei2π13)S = \sum_{k=0}^{5} \cos \left( (2k+1)\dfrac{\pi}{13} \right) = \Re \left( e^{i\frac{\pi}{13}}\dfrac{1-\left( e^{i\frac{2\pi}{13}} \right)^6}{1-e^{i\frac{2\pi}{13}}} \right) = \Re \left( e^{i\frac{\pi}{13}}\dfrac{1-e^{i\frac{12\pi}{13}} }{1-e^{i\frac{2\pi}{13}}} \right) = \Re \left( e^{i\frac{\pi}{13}}\dfrac{e^0-e^{i\frac{12\pi}{13}} }{e^0-e^{i\frac{2\pi}{13}}} \right)
Ce qui s'écrit encore :
S=k=05cos((2k+1)π13)=(eiπ13ei6π13×ei6π13ei6π13×ei6π13eiπ13×eiπ13eiπ13×eiπ13)=(eiπ13×ei6π13eiπ13×ei6π13ei6π13eiπ13eiπ13)S = \sum_{k=0}^{5} \cos \left( (2k+1)\dfrac{\pi}{13} \right) = \Re \left( e^{i\frac{\pi}{13}}\dfrac{e^{i\frac{6\pi}{13}} \times e^{-i\frac{6\pi}{13}} - e^{i\frac{6\pi}{13}} \times e^{i\frac{6\pi}{13}} }{e^{i\frac{\pi}{13}} \times e^{-i\frac{\pi}{13}} - e^{i\frac{\pi}{13}} \times e^{i\frac{\pi}{13}}} \right) = \Re \left( e^{i\frac{\pi}{13}} \times \dfrac{e^{i\frac{6\pi}{13}}}{e^{i\frac{\pi}{13}}} \times \dfrac{ e^{-i\frac{6\pi}{13}} - e^{i\frac{6\pi}{13}}}{ e^{-i\frac{\pi}{13}} - e^{i\frac{\pi}{13}}} \right)
Soit encore :
S=k=05cos((2k+1)π13)=(eiπ13×ei6π13eiπ13×ei6π13ei6π132ieiπ13eiπ132i)=(ei6π13×ei6π13ei6π132ieiπ13eiπ132i)S = \sum_{k=0}^{5} \cos \left( (2k+1)\dfrac{\pi}{13} \right) = \Re \left( e^{i\frac{\pi}{13}} \times \dfrac{e^{i\frac{6\pi}{13}}}{e^{i\frac{\pi}{13}}} \times \dfrac{ \dfrac{e^{-i\frac{6\pi}{13}} - e^{i\frac{6\pi}{13}}}{2i}}{ \dfrac{e^{-i\frac{\pi}{13}} - e^{i\frac{\pi}{13}}}{2i}} \right) = \Re \left( e^{i\frac{6\pi}{13}} \times \dfrac{ \dfrac{e^{-i\frac{6\pi}{13}} - e^{i\frac{6\pi}{13}}}{2i}}{ \dfrac{e^{-i\frac{\pi}{13}} - e^{i\frac{\pi}{13}}}{2i}} \right)
Ceci est strictement identique à :
S=k=05cos((2k+1)π13)=(ei6π13×ei6π13ei6π132ieiπ13eiπ132i)=(ei6π13×sin(6π13)sin(π13))=sin(6π13)sin(π13)×(ei6π13)S = \sum_{k=0}^{5} \cos \left( (2k+1)\dfrac{\pi}{13} \right) = \Re \left( e^{i\frac{6\pi}{13}} \times \dfrac{ \dfrac{e^{i\frac{6\pi}{13}} - e^{-i\frac{6\pi}{13}}}{2i}}{ \dfrac{e^{i\frac{\pi}{13}} - e^{-i\frac{\pi}{13}}}{2i}} \right) = \Re \left( e^{i\frac{6\pi}{13}} \times \dfrac{\sin \left( \dfrac{6\pi}{13} \right) }{ \sin \left( \dfrac{\pi}{13} \right)} \right) = \dfrac{\sin \left( \dfrac{6\pi}{13} \right) }{ \sin \left( \dfrac{\pi}{13} \right)} \times \Re \left( e^{i\frac{6\pi}{13}} \right)
Ce qui nous donne donc :
S=k=05cos((2k+1)π13)=sin(6π13)sin(π13)×cos(6π13)=12×2×sin(6π13)×cos(6π13)sin(π13)S = \sum_{k=0}^{5} \cos \left( (2k+1)\dfrac{\pi}{13} \right) = \dfrac{\sin \left( \dfrac{6\pi}{13} \right) }{ \sin \left( \dfrac{\pi}{13} \right)} \times \cos\left( \frac{6\pi}{13} \right) = \dfrac{1}{2} \times\dfrac{2 \times\sin \left( \dfrac{6\pi}{13} \right) \times \cos\left( \dfrac{6\pi}{13} \right)}{ \sin \left( \dfrac{\pi}{13} \right)}
Mais, on sait que pour toute quantité réelle XX, on a 2sin(X)cos(X)=sin(2X)2\sin(X)\cos(X) = \sin(2X). Ainsi :
S=k=05cos((2k+1)π13)=12×sin(12π13)sin(π13)=12×sin((131)π13)sin(π13)=12×sin(ππ13)sin(π13)S = \sum_{k=0}^{5} \cos \left( (2k+1)\dfrac{\pi}{13} \right) = \dfrac{1}{2} \times\dfrac{\sin \left( \dfrac{12\pi}{13} \right) }{ \sin \left( \dfrac{\pi}{13} \right)} = \dfrac{1}{2} \times\dfrac{\sin \left( \dfrac{(13-1)\pi}{13} \right) }{ \sin \left( \dfrac{\pi}{13} \right)} = \dfrac{1}{2} \times\dfrac{\sin \left( \pi-\dfrac{\pi}{13} \right) }{ \sin \left( \dfrac{\pi}{13} \right)}
Or, pour toute quantité XX, on a sin(πX)=sin(X)\sin(\pi - X) = \sin(X). Ce qui nous permet d'écrire que :
S=k=05cos((2k+1)π13)=12×sin(π13)sin(π13)=12×1S = \sum_{k=0}^{5} \cos \left( (2k+1)\dfrac{\pi}{13} \right) = \dfrac{1}{2} \times \dfrac{\sin \left( \dfrac{\pi}{13} \right) }{ \sin \left( \dfrac{\pi}{13} \right)} = \dfrac{1}{2} \times 1
Finalement :
S=k=05cos((2k+1)π13)=12\color{red}{\boxed{S = \sum_{k=0}^{5} \cos \left( (2k+1)\dfrac{\pi}{13} \right) = \dfrac{1}{2}}}
Question 6

Calculer la valeur de la somme suivante : S=k=14cos2(kπ9)S = \sum_{k=1}^{4} \cos^2 \left( k\dfrac{\pi}{9} \right).

Correction
On a :
S=k=14cos2(kπ9)=cos2(π9)+cos2(2π9)+cos2(3π9)+cos2(4π9)S = \sum_{k=1}^{4} \cos^2 \left( k\dfrac{\pi}{9} \right) = \cos^2 \left( \dfrac{\pi}{9} \right) + \cos^2 \left( 2\dfrac{\pi}{9} \right) + \cos^2 \left( 3\dfrac{\pi}{9} \right) + \cos^2 \left( 4\dfrac{\pi}{9} \right)
Or, pour toute quantité réelle xx, on a cos2(x)=1+cos(2x)2\cos^2(x) = \dfrac{1+\cos(2x)}{2}. En ramplacant chaque terme de la somme SS :
S=1+cos(2π9)2+1+cos(4π9)2+1+cos(6π9)2+1+cos(8π9)2S = \dfrac{1+\cos\left( 2\dfrac{\pi}{9} \right)}{2} + \dfrac{1+\cos\left( 4\dfrac{\pi}{9} \right)}{2} + \dfrac{1+\cos\left( 6\dfrac{\pi}{9} \right)}{2} + \dfrac{1+\cos\left( 8\dfrac{\pi}{9} \right)}{2}
Soit :
S=12+cos(2π9)2+12+cos(4π9)2+12+cos(6π9)2+12+cos(8π9)2S = \dfrac{1}{2} + \dfrac{\cos\left( 2\dfrac{\pi}{9} \right)}{2} + \dfrac{1}{2} + \dfrac{\cos\left( 4\dfrac{\pi}{9} \right)}{2} + \dfrac{1}{2} + \dfrac{\cos\left( 6\dfrac{\pi}{9} \right)}{2} + \dfrac{1}{2} + \dfrac{\cos\left( 8\dfrac{\pi}{9} \right)}{2}
D'où :
S=2+12(cos(2π9)+cos(4π9)+cos(6π9)+cos(8π9))S = 2 + \dfrac{1}{2} \left( \cos\left( 2\dfrac{\pi}{9} \right) + \cos\left( 4\dfrac{\pi}{9} \right) + \cos\left( 6\dfrac{\pi}{9} \right) + \cos\left( 8\dfrac{\pi}{9} \right) \right)
On constate que, d'une part 2π9+8π9=10π92\dfrac{\pi}{9} + 8\dfrac{\pi}{9} = 10\dfrac{\pi}{9}, et d'autre part 4π9+6π9=10π94\dfrac{\pi}{9} + 6\dfrac{\pi}{9} = 10\dfrac{\pi}{9}. Ainsi on a vas associer, deux à deux, les termes présents. On a alors :
S=2+12([cos(2π9)+cos(8π9)]+[cos(4π9)+cos(8π9)])S = 2 + \dfrac{1}{2} \left( \left[\cos\left( 2\dfrac{\pi}{9} \right) + \cos\left( 8\dfrac{\pi}{9} \right) \right] + \left[\cos\left( 4\dfrac{\pi}{9} \right) + \cos\left( 8\dfrac{\pi}{9} \right) \right] \right)
De plus, pour les deux nombres réels aa et bb, on sait que :
cos(a)+cos(b)=2cos(a+b2)cos(ab2)\cos(a) + \cos(b) = 2 \cos\left( \dfrac{a+b}{2} \right) \cos\left( \dfrac{a-b}{2} \right)
Ce qui implique que :
{cos(2π9)+cos(8π9)=2cos(2π9+8π92)cos(2π98π92)=cos(4π9)+cos(6π9)=2cos(4π9+6π92)cos(4π96π92)\left\lbrace \begin{array}{rcl} \cos\left( 2\dfrac{\pi}{9} \right) + \cos\left( 8\dfrac{\pi}{9} \right) & = & 2 \cos\left( \dfrac{2\dfrac{\pi}{9}+8\dfrac{\pi}{9}}{2} \right) \cos\left( \dfrac{2\dfrac{\pi}{9}-8\dfrac{\pi}{9}}{2} \right) \\ & = & \\ \cos\left( 4\dfrac{\pi}{9} \right) + \cos\left( 6\dfrac{\pi}{9} \right) & = & 2 \cos\left( \dfrac{4\dfrac{\pi}{9}+6\dfrac{\pi}{9}}{2} \right) \cos\left( \dfrac{4\dfrac{\pi}{9}-6\dfrac{\pi}{9}}{2} \right) \\ \end{array} \right.
Soit encore :
{cos(2π9)+cos(8π9)=2cos(10π92)cos(6π92)=cos(4π9)+cos(6π9)=2cos(10π92)cos(2π92)\left\lbrace \begin{array}{rcl} \cos\left( 2\dfrac{\pi}{9} \right) + \cos\left( 8\dfrac{\pi}{9} \right) & = & 2 \cos\left( \dfrac{10\dfrac{\pi}{9}}{2} \right) \cos\left( \dfrac{-6\dfrac{\pi}{9}}{2} \right) \\ & = & \\ \cos\left( 4\dfrac{\pi}{9} \right) + \cos\left( 6\dfrac{\pi}{9} \right) & = & 2 \cos\left( \dfrac{10\dfrac{\pi}{9}}{2} \right) \cos\left( \dfrac{-2\dfrac{\pi}{9}}{2} \right) \\ \end{array} \right.
D'où :
{cos(2π9)+cos(8π9)=2cos(5π9)cos(3π9)=cos(4π9)+cos(6π9)=2cos(5π9)cos(π9)\left\lbrace \begin{array}{rcl} \cos\left( 2\dfrac{\pi}{9} \right) + \cos\left( 8\dfrac{\pi}{9} \right) & = & 2 \cos\left( 5\dfrac{\pi}{9} \right) \cos\left( -\dfrac{3\pi}{9} \right) \\ & = & \\ \cos\left( 4\dfrac{\pi}{9} \right) + \cos\left( 6\dfrac{\pi}{9} \right) & = & 2 \cos\left( 5\dfrac{\pi}{9} \right) \cos\left( -\dfrac{\pi}{9} \right) \\ \end{array} \right.
La fonction cosinus étant paire, on en déduit alors que :
{cos(2π9)+cos(8π9)=2cos(5π9)cos(3π9)=cos(4π9)+cos(6π9)=2cos(5π9)cos(π9)\left\lbrace \begin{array}{rcl} \cos\left( 2\dfrac{\pi}{9} \right) + \cos\left( 8\dfrac{\pi}{9} \right) & = & 2 \cos\left( \dfrac{5\pi}{9} \right) \cos\left( \dfrac{3\pi}{9} \right) \\ & = & \\ \cos\left( 4\dfrac{\pi}{9} \right) + \cos\left( 6\dfrac{\pi}{9} \right) & = & 2 \cos\left( \dfrac{5\pi}{9} \right) \cos\left(\dfrac{\pi}{9} \right) \\ \end{array} \right.
Ce qui nous conduit à :
S=2+12(2cos(5π9)cos(3π9)+2cos(5π9)cos(π9))S = 2 + \dfrac{1}{2} \left( 2 \cos\left( \dfrac{5\pi}{9} \right) \cos\left( \dfrac{3\pi}{9} \right) + 2 \cos\left( \dfrac{5\pi}{9} \right) \cos\left(\dfrac{\pi}{9} \right) \right)
En simplifiant :
S=2+cos(5π9)cos(3π9)+cos(5π9)cos(π9)S = 2 + \cos\left( \dfrac{5\pi}{9} \right) \cos\left( \dfrac{3\pi}{9} \right) + \cos\left( \dfrac{5\pi}{9} \right) \cos\left(\dfrac{\pi}{9} \right)
Puis, en factorisant :
S=2+cos(5π9)(cos(3π9)+cos(π9))S = 2 + \cos\left( \dfrac{5\pi}{9} \right) \left( \cos\left( \dfrac{3\pi}{9} \right) + \cos\left(\dfrac{\pi}{9} \right) \right)
Mais l'expression entre parenthèses peut encore se transformer comme :
cos(3π9)+cos(π9)=2cos(3π9+π92)cos(3π9π92)=2cos(4π92)cos(2π92)=2cos(2π9)cos(π9)\cos\left( \dfrac{3\pi}{9} \right) + \cos\left(\dfrac{\pi}{9} \right) = 2 \cos\left( \dfrac{\dfrac{3\pi}{9}+\dfrac{\pi}{9}}{2} \right) \cos\left( \dfrac{\dfrac{3\pi}{9}-\dfrac{\pi}{9}}{2} \right) = 2 \cos\left( \dfrac{\dfrac{4\pi}{9}}{2} \right) \cos\left( \dfrac{\dfrac{2\pi}{9}}{2} \right) = 2 \cos\left( \dfrac{2\pi}{9} \right) \cos\left( \dfrac{\pi}{9} \right)
Ainsi, on obtient :
S=2+cos(5π9)(2cos(2π9)cos(π9))=2+2cos(5π9)cos(2π9)cos(π9)S = 2 + \cos\left( \dfrac{5\pi}{9} \right) \left( 2 \cos\left( \dfrac{2\pi}{9} \right) \cos\left( \dfrac{\pi}{9} \right)\right) = 2 + {\color{red}{2}}\cos\left( \dfrac{5\pi}{9} \right) \cos\left( \dfrac{2\pi}{9} \right) \cos\left( \dfrac{\pi}{9} \right)
On va maintenant, grâce à la présence du 2\color{red}{2}, faire usage de la relation 2cos(π9)sin(π9)=sin(2π9){\color{red}{2}} \cos\left( \dfrac{\pi}{9} \right) {\color{blue}{\sin\left( \dfrac{\pi}{9} \right) }} = \sin\left( \dfrac{2\pi}{9} \right). On a alors :
S=2+2cos(5π9)cos(2π9)cos(π9)sin(π9)sin(π9)=2+cos(5π9)cos(2π9)sin(2π9)sin(π9)S = 2 + \dfrac{{\color{red}{2}}\cos\left( \dfrac{5\pi}{9} \right) \cos\left( \dfrac{2\pi}{9} \right) \cos\left( \dfrac{\pi}{9} \right) {\color{blue}{\sin\left( \dfrac{\pi}{9} \right) }}}{ {\color{blue}{\sin\left( \dfrac{\pi}{9} \right) }} } = 2 + \dfrac{\cos\left( \dfrac{5\pi}{9} \right) \cos\left( \dfrac{2\pi}{9} \right) \sin\left( \dfrac{2\pi}{9} \right) }{ {\color{blue}{\sin\left( \dfrac{\pi}{9} \right) }} }
De la même manière :
S=2+cos(5π9)2cos(2π9)sin(2π9)2sin(π9)=2+cos(5π9)sin(4π9)2sin(π9)=2+cos(9π4π9)sin(4π9)2sin(π9)S = 2 + \dfrac{\cos\left( \dfrac{5\pi}{9} \right) {\color{red}{2}}\cos\left( \dfrac{2\pi}{9} \right) \sin\left( \dfrac{2\pi}{9} \right) }{ {{\color{red}{2}} \, \color{blue}{\sin\left( \dfrac{\pi}{9} \right) }} } = 2 + \dfrac{\cos\left( \dfrac{5\pi}{9} \right) \sin\left( \dfrac{4\pi}{9} \right) }{ {{\color{red}{2}} \, \color{blue}{\sin\left( \dfrac{\pi}{9} \right) }} } = 2 + \dfrac{\cos\left( \dfrac{9\pi-4\pi}{9} \right) \sin\left( \dfrac{4\pi}{9} \right) }{ {{\color{red}{2}} \, \color{blue}{\sin\left( \dfrac{\pi}{9} \right) }} }
Ce qui nous donne (avec cos(πx)=cos(x)\cos(\pi - x) = - \cos(x) avec xRx \in \mathbb{R}) :
S=2+cos(π4π9)sin(4π9)2sin(π9)=2cos(4π9)sin(4π9)2sin(π9)=22cos(4π9)sin(4π9)4sin(π9)S = 2 + \dfrac{\cos\left( \pi -\dfrac{4\pi}{9} \right) \sin\left( \dfrac{4\pi}{9} \right) }{ {{\color{red}{2}} \, \color{blue}{\sin\left( \dfrac{\pi}{9} \right) }} } = 2 - \dfrac{\cos\left(\dfrac{4\pi}{9} \right) \sin\left( \dfrac{4\pi}{9} \right) }{ {{\color{red}{2}} \, \color{blue}{\sin\left( \dfrac{\pi}{9} \right) }} } = 2 - \dfrac{ {\color{red}{2}} \, \cos\left(\dfrac{4\pi}{9} \right) \sin\left( \dfrac{4\pi}{9} \right) }{ {{\color{red}{4}} \, \color{blue}{\sin\left( \dfrac{\pi}{9} \right) }} }
Mais :
2cos(4π9)sin(4π9)=sin(8π9)=sin(9ππ9)=sin(ππ9)=sin(π9){\color{red}{2}} \, \cos\left(\dfrac{4\pi}{9} \right) \sin\left( \dfrac{4\pi}{9} \right) = \sin\left( \dfrac{8\pi}{9} \right) = \sin\left( \dfrac{9\pi - \pi}{9} \right) = \sin\left( \pi - \dfrac{\pi}{9} \right) = \sin\left( \dfrac{\pi}{9} \right)
Ainsi, en remplaçant, l'expression de la somme recherchée SS prend la forme suivante :
S=2sin(π9)4sin(π9)S = 2 - \dfrac{ \sin\left( \dfrac{\pi}{9} \right) }{ {{\color{red}{4}} \, \color{blue}{\sin\left( \dfrac{\pi}{9} \right) }} }
En simplifiant par sin(π9)0\sin\left( \dfrac{\pi}{9} \right) \neq 0, on obtient :
S=214=8414=S = 2 - \dfrac{1}{\color{red}{4}} = \dfrac{8}{4} - \dfrac{1}{\color{red}{4}} = \dfrac{8-1}{4}
Finalement, la somme SS recherchée vaut :
S=k=14cos2(kπ9)=74\color{red}{\boxed{S = \sum_{k=1}^{4} \cos^2 \left( k\dfrac{\pi}{9} \right) = \dfrac{7}{4}}}