Asie – 9 juin 2026 - Sujet 1 - Fonctions trigonométriques, variations, TVI, inégalité - Exercice 1

45 min
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On considère la fonction gg définie sur l'intervalle [0;2π][0 ; 2 \pi] par : g(x)=xcos(x)sin(x).g(x)=x \cos (x)-\sin (x) .
On admet que la fonction gg est dérivable sur l'intervalle [0;2π][0 ; 2 \pi] et on note gg^{\prime} sa dérivée.
Question 1

Montrer que pour tout réel xx de l'intervalle [0;2π][0 ; 2 \pi], on a : g(x)=xsin(x).g^{\prime}(x)=-x \sin (x) .

Correction
gg est dérivable [0;2π][0 ; 2 \pi].
Ici on reconnaît la forme (uv+w)=uv+uv+w\left(uv+w\right)'=u'v+uv'+w' avec u(x)=xu\left(x\right)=x ; v(x)=cos(x)v\left(x\right)=\cos (x) et w(x)=sin(x)w\left(x\right)=-\sin (x) . On a alors : u(x)=1u'\left(x\right)=1 ; v(x)=sin(x)v'\left(x\right)=-\sin (x) et w(x)=cos(x)w'\left(x\right)=-\cos (x)
Ainsi :
g(x)=cos(x)xsin(x)cos(x)g^{\prime}(x)=\cos (x)-x \sin (x)-\cos (x)
Il s'ensuit que :
g(x)=xsin(x)g^{\prime}(x)=-x \sin (x)
Question 2

Dresser le tableau de variation complet de la fonction gg sur [0;2π][0 ; 2 \pi] .

Correction
Soit x[0;2π]x\in [0 ; 2 \pi], nous savons que g(x)=xsin(x)g^{\prime}(x)=-x \sin (x).
Comme x0x \ge 0 alors x0-x \le 0.
De plus :
  • si x[0;π]x\in [0 ; \pi] alors sin(x)0 \sin (x) \ge 0
  • si x[π;2π]x\in [\pi;2 \pi] alors sin(x)0 \sin (x) \le 0
  • Il vient alors que :
    De plus :
  • g(0)=0cos(0)sin(0)=0g(0)=0 \cos (0)-\sin (0)=0
  • g(π)=πcos(π)sin(π)=πg(\pi)=\pi \cos (\pi)-\sin (\pi)=- \pi
  • g(2π)=2πcos(2π)sin(2π)=2πg(2 \pi)=2 \pi \cos (2 \pi)-\sin (2 \pi)=2 \pi
  • Question 3

    Montrer qu'il existe une unique valeur réelle α\alpha dans l'intervalle [π;2π][\pi ; 2 \pi] telle que : g(α)=0.g(\alpha)=0 .

    Correction
    Sur [π;2π][\pi ; 2 \pi], la fonction gg est continue et strictement croissante.
    De plus, g(π)=πg\left(\pi\right)=-\pi et g(2π)=2πg\left(2\pi\right)=2\pi .
    Or 0[π;2π]0\in \left[-\pi;2\pi\right], donc d'après le théorème des valeurs intermédiaires, il existe une unique solution α\alpha appartenant à l'intervalle [π;2π][\pi ; 2 \pi] tel que g(x)=0g\left(x\right)=0.
    Question 4

    En déduire le tableau de signes de la fonction gg sur l'intervalle [0;2π][0 ; 2 \pi].

    Correction
    D'après le tableau de variation ci-dessous, on peut justifier que :
    Sur l'intervalle [0;α][0 ; \alpha].
    La fonction gg est continue et négative sur l'intervalle [0;α][0 ; \alpha]. En effet, le minimum est atteint lorsque x=πx=\pi et le maximum est atteint respectivement pour x=0x=0 et x=αx=\alpha.
    Sur l'intervalle [α;2π][\alpha;2\pi].
    La fonction gg est croissante sur [α;2π][\alpha ; 2 \pi] et de minimum g(α)=0g(\alpha)=0, donc g(x)0g\left(x\right)\ge 0.
    On en déduit le tableau de signes de la fonction gg sur l'intervalle [0;2π][0 ; 2 \pi].
    Question 5

    On considère la fonction ff définie sur l'intervalle ]0;2π]] 0 ; 2 \pi] par : f(x)=sin(x)xf(x)=\frac{\sin (x)}{x}
    On admet que la fonction ff est dérivable sur l'intervalle ]0;2π]] 0 ; 2 \pi] et on note ff^{\prime} sa dérivée.
    Montrer que pour tout réel xx de l'intervalle ]0;2π]] 0 ; 2 \pi], on a : f(x)=g(x)x2.f^{\prime}(x)=\frac{g(x)}{x^2} .

    Correction
    ff est dérivable sur ]0;2π]] 0 ; 2 \pi]
      Deˊriveˊe du quotient\text{\purple{Dérivée du quotient}}
    On considère deux fonctions uu et vv, dérivables sur un intervalle II alors
    (uv)=uvuvv2\left(\frac{u}{v} \right)^{'} =\frac{u'v-uv'}{v^{2} }
    On reconnaît la forme (uv)=uvuvv2\color{red}\boxed{\left(\frac{u}{v} \right)^{'} =\frac{u'v-uv'}{v^{2} }} avec u(x)=sin(x)u\left(x\right)=\sin (x) et v(x)=xv\left(x\right)=x
    Ainsi : u(x)=cos(x)u'\left(x\right)=\cos (x) et v(x)=1v'\left(x\right)=1.
    Il vient alors que :
    f(x)=cos(x)×xsin(x)×1x2f^{\prime}(x)=\frac{\cos (x) \times x-\sin (x) \times 1}{x^2}
    f(x)=xcos(x)sin(x)x2f^{\prime}(x)=\frac{x \cos (x)-\sin (x)}{x^2}
    Finalement, pour tout réel xx de l'intervalle ]0;2π]] 0 ; 2 \pi], on a :
    f(x)=g(x)x2f^{\prime}(x)=\frac{g(x)}{x^2}
    Question 6

    Étudier le signe de la fonction ff^{\prime} sur l'intervalle ]0;2π]\left.] 0 ; 2 \pi\right] et en déduire le sens de variation de la fonction ff sur l'intervalle ]0;2π]] 0 ; 2 \pi].

    Correction
    Pour tout réel xx de l'intervalle ]0;2π]] 0 ; 2 \pi], on a x2>0x^2>0.
    Il en résulte que le signe de ff' dépend du signe de gg.
    On d'après la question 44, nous connaissons le signe de gg.
    Il s'ensuit que :
    Question 7

    Déterminer la limite de ff en 00 . On pourra utiliser le taux d'accroissement de la fonction sinus en 00 .

    Correction
    ff est dérivable en aa si la limite du taux de variation en aa lorsque xx tend vers aa est égale à une valeur finie\red{\text{valeur finie}} notée f(a)f'\left(a\right).
    Autrement dit, ff est dérivable en aa si :
    limxaf(x)f(a)xa=f(a)\lim\limits_{x\to a} \frac{f\left(x\right)-f\left(a\right)}{x-a} =f'\left(a\right)
    On considère la fonction ff définie sur l'intervalle ]0;2π]] 0 ; 2 \pi] par : f(x)=sin(x)xf(x)=\frac{\sin (x)}{x} et nous souhaitons calculer limx0sin(x)x\lim\limits_{x\to 0} \frac{\sin (x)}{x}.
    Posons la fonction h:sin(x)h:\mapsto \sin (x) et h(0)=0h\left(0\right)=0. La fonction hh est dérivable sur R\mathbb{R} et donc hh est dérivable en 00.
    Ainsi :
    limx0sin(x)x=limx0h(x)h(0)x0\lim\limits_{x\to 0} \frac{\sin (x)}{x}=\lim\limits_{x\to 0} \frac{h\left(x\right)-h\left(0\right)}{x-0}.
    D'après la définition : limx0h(x)h(0)x0=h(0)\lim\limits_{x\to 0} \frac{h\left(x\right)-h\left(0\right)}{x-0}=h'\left(0\right).
    Pour tout réel xx de l'intervalle ]0;2π]] 0 ; 2 \pi], on a alors : h(x)=cos(x)h'\left(x\right)=\cos \left(x\right) et h(0)=cos(0)=1h'\left(0\right)=\cos \left(0\right)=1
    D'où !
    limx0sin(x)x=limx0h(x)h(0)x0=h(0)=1\lim\limits_{x\to 0} \frac{\sin (x)}{x}=\lim\limits_{x\to 0} \frac{h\left(x\right)-h\left(0\right)}{x-0}=h'\left(0\right)=1
    Question 8

    On considère deux nombres réels rr et ss qui vérifient l'inégalité : 0<r<s<π0<r<s<\pi .
    Montrer que : rs<sin(r)sin(s)\frac{r}{s}<\frac{\sin (r)}{\sin (s)}

    Correction
    D'après les hypothèses, on considère deux nombres réels rr et ss qui vérifient l'inégalité : 0<r<s<π0<r<s<\pi .
    D'après la question 66, sur l'intervalle ]0;π[] 0 ; \pi[ , la fonction ff est strictement décroissante.
    Comme r<sr<s alors f(r)>f(s)f(r)>f(s).
    On peut alors écrire que :
    sin(r)r>sin(s)s\frac{\sin (r)}{r}>\frac{\sin (s)}{s}.
    Comme r>0r>0 et s>0s>0, on peut multiplier par rs>0r s>0 sans changer le sens de l'inégalité, d'où :
    rs×sin(r)r>rs×sin(s)s\frac{r s\times\sin (r)}{r}>\frac{r s\times\sin (s)}{s}
    ssin(r)>rsin(s)s \sin (r)>r \sin (s)
    Et comme 0<r<s<π0<r<s<\pi alors s>0s>0 et sin(s)>0\sin (s)>0 et on obtient :
    rs<sin(r)sin(s)\frac{r}{s}<\frac{\sin (r)}{\sin (s)}

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