Vidéo 3 : Variations et courbes · 3 min 30 s · sous-titres en français
Le cours écrit
3.1 Réduire l'intervalle d'étude
Les deux fonctions sont périodiques de période 2π : on les étudie sur [−π;π]. Comme cos est paire et sin impaire, on peut même se limiter à [0;π], et compléter par symétrie.
3.2 Variations de cosinus
Sur [0;π], cos′(x)=−sinx et sinx≥0, donc cos′(x)≤0, et cos′ ne s'annule qu'en 0 et en π : cos est strictement décroissante sur [0;π], de 1 à −1. Par parité, elle est strictement croissante sur [−π;0].
x
−π
0
π
cos′(x)=−sinx
0
+
0
−
0
cos
−1
croissante
1
décroissante
−1
Le maximum de cos vaut 1, atteint en 0 ; son minimum vaut −1, atteint en −π et en π.
3.3 Variations de sinus
Sur [−π;π], sin′(x)=cosx. Or cosx>0 sur ]−2π;2π[ et cosx<0 sur le reste de l'intervalle, sauf aux points −2π et 2π où il s'annule.
x
−π
−2π
2π
π
sin′(x)=cosx
−
0
+
0
−
sin
0
décroissante
−1
croissante
1
décroissante
0
3.4 Les courbes
Les courbes de sinus et de cosinus s'appellent des sinusoïdes. Elles ont la même forme : comme sinx=cos(x−2π), la courbe de sinus est l'image de la courbe de cosinus par la translation de vecteur 2π.
Pour les tracer, on place les points des valeurs remarquables et les tangentes utiles : la tangente y=x en 0 pour sinus, les tangentes horizontales aux sommets.
Limites. Comme on l'a vu au chapitre 4, cos et sin n'ont pas de limite en +∞ ni en −∞ : elles oscillent sans fin entre −1 et 1. Leur encadrement sert en revanche dans les théorèmes de comparaison.
Exemple 13. Pour tout réel x, x−1≤x+cosx≤x+1. Par comparaison, x→+∞lim(x+cosx)=+∞ et x→−∞lim(x+cosx)=−∞. De plus, (x+cosx)′=1−sinx≥0 : cette fonction est croissante sur R.
Exemple 14. Pour x>0, −x1≤xsinx≤x1. Par le théorème des gendarmes, x→+∞limxsinx=0.
3.5 Convexité
Pour tout réel x, sin′′(x)=−sinx et cos′′(x)=−cosx.
Sur [0;π], sinx≥0, donc sin′′≤0 : sin est concave sur [0;π]. Sur [−π;0], elle est convexe. En 0, sin′′ s'annule en changeant de signe : le point d'abscisse 0 est un point d'inflexion.
Sur [−2π;2π], cosx≥0, donc cos est concave sur cet intervalle. Sur [2π;π], elle est convexe. Les points d'abscisses −2π et 2π sont des points d'inflexion.
Conséquence. Une fonction concave est sous ses tangentes (chapitre 5). Sur [0;π], la courbe de sinus est donc sous sa tangente en 0 :
pour tout x∈[0;π],sinx≤x.
Pour x>π, l'inégalité reste vraie, car sinx≤1<π<x.
3.6 Période de cos(ωx) et sin(ωx)
Propriété. Pour ω>0, les fonctions x↦cos(ωx) et x↦sin(ωx) sont périodiques, de période ω2π.
En effet, cos(ω(x+ω2π))=cos(ωx+2π)=cos(ωx), et de même pour le sinus.
Exemple 15. Étudions f:x↦cos(2x). Elle est paire, et périodique de période π : on l'étudie sur [0;2π]. On a f′(x)=−2sin(2x). Pour x∈[0;2π], 2x∈[0;π], donc sin(2x)≥0 et f′(x)≤0 : f décroît de f(0)=1 à f(2π)=−1.
Exemple 16 : la tension d'une prise électrique. La tension, en volts, vaut u(t)=325sin(100πt), où t est en secondes. Sa période est 100π2π=0,02 s. La tension fait donc 0,021=50 oscillations complètes par seconde : c'est la fréquence de 50 hertz du réseau français. Elle varie de −325 à 325 volts, et atteint son maximum pour la première fois en t=0,005 s.