2.1 Observer, en zéro
Le taux de variation de la fonction sinus entre 0 et h vaut hsinh−sin0=hsinh.
| h |
0,1 |
0,01 |
0,001 |
| hsinh |
≈0,998 |
≈0,99998 |
≈0,9999998 |
| hcosh−1 |
≈−0,04996 |
≈−0,00500 |
≈−0,0005 |
Le premier taux semble tendre vers 1, le second vers 0 : les nombres dérivés valent sin′(0)=1 et cos′(0)=0. La tangente en 0 à la courbe de sinus a pour équation y=x. Près de 0, la courbe se confond presque avec cette droite.
2.2 Observer, partout
En déplaçant la tangente le long de la courbe de sinus, on lit sa pente.
| x |
0 |
2π |
π |
23π |
2π |
| Pente de la tangente |
1 |
0 |
−1 |
0 |
1 |
| cosx |
1 |
0 |
−1 |
0 |
1 |
La pente de la tangente au point d'abscisse x semble toujours valoir cosx.
2.3 Le théorème
Théorème (admis). Les fonctions sinus et cosinus sont dérivables sur R, et pour tout réel x :
sin′(x)=cosxetcos′(x)=−sinx.
La seconde formule se déduit de la première. En effet, cosx=sin(2π−x), et la dérivée d'une composée (chapitre 5) donne
cos′(x)=−cos(2π−x)=−sinx.
Conséquence. Étant dérivables, les fonctions sin et cos sont continues sur R (chapitre 7).
Deux limites. Dire que sin′(0)=1 et que cos′(0)=0, c'est dire que
limx→0xsinx=1etlimx→0xcosx−1=0.
2.4 Fonctions composées
La dérivée d'une composée (chapitre 5) donne, pour tous réels a et b :
(sin(ax+b))′=acos(ax+b)et(cos(ax+b))′=−asin(ax+b).
Plus généralement, si u est une fonction dérivable sur un intervalle I :
(sinu)′=u′cosuet(cosu)′=−u′sinu.
Exemple 6. (sin(3x))′=3cos(3x) ; (cos(2x−3π))′=−2sin(2x−3π).
Exemple 7. Avec u(x)=x2 : (sin(x2))′=2xcos(x2). Avec (eu)′=u′eu : (ecosx)′=−sinxecosx.
2.5 Produits, quotients, puissances
Les règles de calcul restent les mêmes.
Exemple 8. Un produit : (xsinx)′=sinx+xcosx.
Exemple 9. Une puissance, avec (u2)′=2u′u : (cos2x)′=−2sinxcosx.
Exemple 10. Un quotient : pour tout réel x, 2+cosx>0, et
(2+cosxsinx)′=(2+cosx)2cosx(2+cosx)+sinx×sinx=(2+cosx)22cosx+cos2x+sin2x=(2+cosx)22cosx+1.
2.6 Tangentes
Exemple 11. La tangente à la courbe de sinus en 0 a pour équation y=sin0+cos0×(x−0), soit y=x. La tangente à la courbe de cosinus au point d'abscisse 2π a pour équation y=cos2π−sin2π(x−2π), soit y=−x+2π.
2.7 En situation : une bouée sur la houle
Exemple 12. Une bouée monte et descend sur la houle. Sa hauteur par rapport au niveau moyen, en mètres, vaut h(t)=1,5sin(0,5t), où t est en secondes. Sa vitesse est la dérivée :
v(t)=h′(t)=1,5×0,5cos(0,5t)=0,75cos(0,5t).
À l'instant 0, h(0)=0 et v(0)=0,75 : la bouée passe au niveau moyen à 0,75 m/s, en montant. En t=π, soit après environ 3,1 secondes, h(π)=1,5 : c'est le sommet de la vague, et v(π)=0. La bouée s'arrête un instant, puis redescend. Le mouvement se répète toutes les 4π≈12,6 secondes.