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Représentation graphique

Chapitres. Fonctions circulaires réciproques arcsin, arccos, arctan

Rappels:

  1. Soit x,yx, y deux sous-ensembles non vides de R\mathbb{R} f:xyf: x \rightarrow y est une bijection. si: (yY)(!xX)(f(x)=y)(\forall y \in Y)(\exists!x \in X)(f(x)=y)

  2. Théorème de la bijection: fIR\underset{I \rightarrow \mathbb{R}}{f}, II deux intervalles de R\mathbb{R} et ff: a) si ff est continue et strictement monotone sur II, alors ff réalise une bijection de II sur l’intervalle image J=f(I)J=f(I) b) Dans ce cas, la bijection réciproque f1f^{-1} est continue sur JJ et strictement monotone de même sens que ff

I) Fonction arcsin

Soit σ:[π2,π2][1;1]xsin(x)\sigma: \left\lvert\, \begin{array}{r}{\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right] \rightarrow[-1 ; 1]} \\ x \mapsto \sin (x)\end{array}\right.

La fonction σ\sigma est dérivable sur [π2,π2]\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right] et: x[π2,π2],σ(x)=cos(x)0\forall x \in\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right], \quad \sigma^{\prime}(x)=\cos (x) \geqslant 0 De plus: σ(x)=0\sigma^{\prime}(x)=0 ssi x=π2x=-\frac{\pi}{2} ou x=π2x=\frac{\pi}{2} La fonction σ\sigma est donc continue et strictement croissante Par ailleurs: σ(π2)=1\sigma\left(-\frac{\pi}{2}\right)=-1 et σ(π2)=1\sigma\left(\frac{\pi}{2}\right)=1 Donc d’après le théorème de la bijection, σ\sigma est une bijection

Par définition, on appelle arcsinus et on note arcsin\arcsin la bijection réciproque σ1\sigma^{-1} de σ\sigma

On a donc l’équivalence suivante:

{y=acsin(x)x[1,1]{x=sin(y)y[π2,π2]\left\{\begin{array} { l } { y = \operatorname { a c s i n } ( x ) } \\ { x \in [ - 1 , 1 ] } \end{array} \Leftrightarrow \left\{\begin{array}{l} x=\sin (y) \\ y \in\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right] \end{array}\right.\right.

Valeurs remarquables

arcsin(0)=0arcsin(±12)=±π4arcsin(1)=π2arcsin(±12)=±π6arcsin(1)=π2\begin{array}{ll} \arcsin (0)=0 & \arcsin \left( \pm \frac{1}{\sqrt{2}}\right)= \pm \frac{\pi}{4} \\ \arcsin (-1)=-\frac{\pi}{2} & \arcsin \left( \pm \frac{1}{2}\right)= \pm \frac{\pi}{6} \\ \arcsin (1)=\frac{\pi}{2} & \end{array}

La fonction arcsin est continue sur [1;1][-1 ; 1] et strictement croissante, d’après le théorème de la bijection

Représentation graphique

La courbe représentative de arcsin\arcsin est obtenue par symétrie par rapport à la droite d’équation y=xy=x

La fonction arcsin est impaire. En effet, soit x[1,1]x \in [-1,1] et y[π2,π2]y \in\left[-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}\right]

y=arcsin(x)x=sin(y)x=sin(y)y=arcsin(x)y=arcsin(x)\begin{aligned} & y=\arcsin (-x) \Leftrightarrow-x=\sin (y) \\ & \Leftrightarrow x=\sin (-y) \\ & \Leftrightarrow-y=\arcsin (x) \\ & \Leftrightarrow y=-\arcsin (x) \end{aligned}

Donc arcsin(x)=arcsin(x)\arcsin (-x)=-\arcsin (x)

Dérivabilité de arcsin\arcsin: Soit x0[1,1]x_{0} \in[-1,1] et x[1,1]x \in[-1,1] tel que xx0x \neq x_{0} Δ(x)=arcsin(x)arcsin(x0)xx0\Delta(x)=\frac{\arcsin (x)-\arcsin \left(x_{0}\right)}{x-x_{0}}y0=arcsin(x)y_{0}=\arcsin (x) et y0=arcsin(x0)y_{0}=\arcsin \left(x_{0}\right). Δ(x)=yy0sin(y)sin(y0)\Delta(x)=\frac{y-y_{0}}{\sin (y)-\sin \left(y_{0}\right)} Par continuité de arcsin\arcsin, lorsque xx0x \rightarrow x_{0}, yy0y \rightarrow y_{0}

1er cas: x0=1y0=π2Δ(x)=y+π2sin(y)+1limxx0Δ(x)=limyπ2y+π2sin(y)+1=limyπ21sin(y)+1y+π2=+(forme 10+)\begin{aligned} & \text{1er cas: } x_{0}=-1 \\ & y_{0}=-\frac{\pi}{2} \\ & \Delta(x)=\frac{y+\frac{\pi}{2}}{\sin (y)+1} \\ & \lim _{x \rightarrow x_{0}} \Delta(x)=\lim _{y \rightarrow-\frac{\pi}{2}} \frac{y+\frac{\pi}{2}}{\sin (y)+1}=\lim _{y \rightarrow-\frac{\pi}{2}} \frac{1}{\frac{\sin (y)+1}{y+\frac{\pi}{2}}} \\ & =+\infty \quad \text{(forme } \frac{1}{0^{+}}\text{)} \end{aligned}

La fonction arcsin n’est donc pas dérivable en x0=1x_{0}=-1 Par impaire, la fonction arcsin n’est pas dérivable en x0=1x_{0}=1 3e cas: x0]1,1[x_{0} \in]-1,1[ limxx0Δ(x)=lim1sin(y)sin(y0)yy0=1cos(y0)\lim _{x \rightarrow x_{0}} \Delta(x)=\lim \frac{1}{\frac{\sin (y)-\sin \left(y_{0}\right)}{y-y_{0}}}=\frac{1}{\cos \left(y_{0}\right)}

III) Fonction arctan:

La fonction ]π2,π2[Rxtan(x)\left\lvert\, \begin{aligned} & ]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}[\rightarrow \mathbb{R} \\ & x \mapsto \tan (x)\end{aligned}\right. est continue, strictement croissante. De plus limxπ2+tan(x)=\lim _{x \rightarrow -\frac{\pi}{2}^{+}} \tan (x)=-\infty, limxπ2tan(x)=+\lim _{x \rightarrow \frac{\pi}{2}^{-}} \tan (x)=+\infty Donc tan\tan réalise une bijection de ]π2,π2[]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}[ sur R\mathbb{R} (théorème de la bijection)

Par définition, on appelle arctangente et on note arctan\arctan la bijection réciproque de la fonction tan\tan

On a l’équivalence:

{y=Arctan(x)xR{x=tan(y)y]π2,π2[\left\{\begin{array}{l}y=\operatorname{Arctan}(x) \\ x \in \mathbb{R}\end{array} \Leftrightarrow\left\{\begin{array}{l}x=\tan (y) \\ y \in ]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}[\end{array}\right.\right.

Valeurs remarquables: Arctan(0)=0\operatorname{Arctan}(0)=0 Arctan(±1)=±π4\operatorname{Arctan}( \pm 1)= \pm \frac{\pi}{4} Arctan(±3)=±π3\operatorname{Arctan}( \pm \sqrt{3})= \pm \frac{\pi}{3}, Arctan(+13)=π6\operatorname{Arctan}\left(+\frac{1}{\sqrt{3}}\right)=\frac{\pi}{6}

La fonction arctan\arctan est continue et strictement croissante Limites: limx+arctan(x)=π2\lim _{x \rightarrow +\infty} \arctan (x)=\frac{\pi}{2} et limxarctan(x)=π2\lim _{x \rightarrow -\infty} \arctan (x)=-\frac{\pi}{2}

Elle est impaire: En effet, soit xRx \in \mathbb{R}

La fonction arctan\arctan est dérivable en x0x_{0} et arcsin(x0)=1cos(y0)\arcsin ^{\prime}\left(x_{0}\right)=\frac{1}{\cos \left(y_{0}\right)} cos2(y0)+sin2(y0)=1\cos ^{2}\left(y_{0}\right)+\sin ^{2}\left(y_{0}\right)=1 cos2(y0)=1x02\cos ^{2}(y_{0})=1-x_{0}^{2} cos(y0)=1x02\mid \cos \left(y_{0}\right)=\sqrt{1-x_{0}^{2}} et y0]π2,π2[y_{0} \in ]-\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}[ donc cos(y0)>0\cos \left(y_{0}\right)>0 Donc cos(y0)=1x02\cos \left(y_{0}\right)=\sqrt{1-x_{0}^{2}} Bilan: La fonction arcsin\arcsin est dérivable sur l’intervalle ]1,1[]-1,1[ \forall x \in]-1,1\left[, \arcsin ^{\prime}(x)=\frac{1}{\sqrt{1-x^{2}}}

Mises en garde:

II) Fonction arccos:

Soit ζ:[0,π][1,1]xcos(x)\zeta: \left\lvert\, \begin{aligned} & [0, \pi] \rightarrow[-1,1] \\ & x \mapsto \cos (x)\end{aligned}\right. La fonction ζ\zeta est continue, strictement décroissante et ζ(0)=1,ζ(π)=1\zeta(0)=1, \zeta(\pi)=-1 Donc (théorème de la bijection) ζ\zeta est une bijection de [0,π][0, \pi] sur [1,1][-1,1]

Par définition, on appelle arccosinus et on note arccos\arccos la bijection réciproque ζ1\zeta^{-1} de ζ\zeta

On dispose donc de l’équivalence:

{y=arccos(x)x[1,1]{x=cos(y)y[0,π]\left\{\begin{array} { l } { y = \operatorname { a r c c o s } ( x ) } \\ { x \in [ - 1 , 1 ] } \end{array} \Leftrightarrow \left\{\begin{array}{l} x=\cos (y) \\ y \in[0, \pi] \end{array}\right.\right.

La fonction arccos\arccos est continue et strictement décroissante sur [1,1][-1,1] (théorème de la bijection)

Valeurs remarquables

arccos(1)=πarccos(0)=π2arccos(32)=π6arccos(1)=0arccos(12)=π3arccos(22)=3π4arccos(12)=2π3\begin{array}{lll} \arccos(-1)=\pi & \arccos (0)=\frac{\pi}{2} & \arccos \left(\frac{\sqrt{3}}{2}\right)=\frac{\pi}{6} \\ \arccos (1)=0 & \arccos \left(\frac{1}{2}\right)=\frac{\pi}{3} & \arccos \left(\frac{\sqrt{2}}{2}\right)=\frac{3 \pi}{4} \\ \arccos \left(-\frac{1}{2}\right)=\frac{2 \pi}{3} & \cdots \end{array}

Courbe représentative

Dérivabilité:

Soit x0[1,1]x_{0} \in[-1,1] et x[1,1]x \in[-1,1] tel que xx0x \neq x_{0}

Δ(x)=arccos(x)arccos(x0)xx0=yy0cos(y)cos(y0)\begin{aligned} \Delta(x) & =\frac{\arccos (x)-\arccos \left(x_{0}\right)}{x-x_{0}} \\ & =\frac{y-y_{0}}{\cos (y)-\cos \left(y_{0}\right)} \end{aligned}

y=arccos(x)y=\arccos (x) et y0=arccos(x0)y_{0}=\arccos \left(x_{0}\right) Par continuité de arccos\arccos, lorsque xx0x \rightarrow x_{0}, yy0y \rightarrow y_{0}

limxx0Δ(x)=limyy0yy0cos(y)cos(y0)=limyy01cos(y)cos(y0)yy01er cas: x0=1(y0=π)limxx0Δ(x)=2e cas: x0=1(y0=0)limxx0Δ(x)=3e cas: x0]1,1[limxx0Δ(x)=1sin(y0)\begin{aligned} & \lim _{x \rightarrow x_{0}} \Delta(x)=\lim _{y \rightarrow y_{0}} \frac{y-y_{0}}{\cos (y)-\cos \left(y_{0}\right)} \\ & =\lim _{y \rightarrow y_{0}} \frac{1}{\frac{\cos (y)-\cos \left(y_{0}\right)}{y-y_{0}}} \\ & \text{1er cas: } x_{0}=-1 \quad (y_{0}=\pi) \\ & \lim _{x \rightarrow x_{0}} \Delta(x)=-\infty \\ & \text{2e cas: } x_{0}=1 \quad (y_{0}=0) \\ & \lim _{x \rightarrow x_{0}} \Delta(x)=-\infty \\ & \text{3e cas: } x_{0} \in]-1,1[ \\ & \lim _{x \rightarrow x_{0}} \Delta(x)=-\frac{1}{\sin \left(y_{0}\right)} \end{aligned}

Donc: arccos(x0)=1sin(y0)\arccos ^{\prime}(x_{0})=-\frac{1}{\sin \left(y_{0}\right)}

cos2(y0)+sin2(y0)=1\cos ^{2}\left(y_{0}\right)+\sin ^{2}\left(y_{0}\right)=1

donc sin2(y0)=1x02\sin ^{2}(y_{0})=1-x_{0}^{2} et sin(y0)>0\sin \left(y_{0}\right)>0 donc sin(y0)=1x02\sin \left(y_{0}\right)=\sqrt{1-x_{0}^{2}} Bilan: La fonction arccos\arccos est dérivable sur ]1,1[]-1,1[ \forall x \in]-1,1\left[, \arccos ^{\prime}(x)=\frac{-1}{\sqrt{1-x^{2}}}

Donc \forall x \in]-1,1\left[, \arccos ^{\prime}(x)=-\frac{1}{\sqrt{1-x^{2}}}

arcsin(x)=11x2arcsin(x)+arccos(x)=0\begin{array}{r} \arcsin(x)=\frac{1}{\sqrt{1-x^{2}}} \\ \arcsin(x)+\arccos(x)=0 \end{array}

Donc arccos+arcsin\arccos + \arcsin est constante sur ]1,1[]-1,1[, puisque arcsin\arcsin et arccos\arccos sont dérivables sur ]1,1[]-1,1[, donc arcsin+arccos\arcsin + \arccos est constante sur [1,1][-1,1] Avec x=0x=0: arcsin(0)+arccos(0)=0+π2\arcsin(0)+\arccos(0)=0+\frac{\pi}{2} Propriété: x[1,1]\forall x \in[-1,1], arcsin(x)+arccos(x)\arcsin(x)+\arccos(x)

=π2=\frac{\pi}{2}
y=Arctan(x){x=tan(y)y]π2π2[{x=tan(x)y]y2x2[y=arctan(x)\begin{aligned} y=\operatorname{Arctan}(x) & \Leftrightarrow\left\{\begin{array} { l } { -x = \operatorname { t a n } ( y ) } \\ { y \in ] - \frac { \pi } { 2 } \frac { \pi } { 2 } [ } \end{array} \Leftrightarrow \left\{\begin{array}{l} x=\tan (x) \\ -y \in] \frac{y}{2} \frac{x}{2}[ \end{array}\right.\right. \\ & \Leftrightarrow-y=\arctan (x) \end{aligned}

Donc arctan(x)=arctan(x)\arctan (-x)=-\arctan (x)

Mises en garde: xR,tan(arctan(x))=x\forall x \in \mathbb{R}, \tan (\arctan (x))=x mais: arctan(tan(x))=x\arctan (\tan (x))=x uniquement pour x]π2,π2[x \in] -\frac{\pi}{2}, \frac{\pi}{2}[

Dérivabilité:

Soit x0Rx_{0} \in \mathbb{R} et xR{x0}x \in \mathbb{R}-\left\{x_{0}\right\}

Δ(x)=arctan(x)arctan(x0)xx0\Delta(x)=\frac{\arctan (x)-\arctan \left(x_{0}\right)}{x-x_{0}}

On pose y=arctan(x),y0=arctan(x0)y=\arctan (x), y_{0}=\arctan \left(x_{0}\right)

Δ(x)=yy0tan(y)tan(y0)=1tan(y)tan(y0)yy0\Delta(x)=\frac{y-y_{0}}{\tan (y)-\tan \left(y_{0}\right)}=\frac{1}{\frac{\tan (y)-\tan \left(y_{0}\right)}{y-y_{0}}}

Par continuité de Arctan, lorsqu’on a yx0,yy0 y \rightarrow x_{0}, y \rightarrow y_{0} donc limxx0A(x)=11+tan2(y0)=11+x02 \lim_{x \rightarrow x_{0}} A(x) = \frac{1}{1 + \tan^{2}(y_{0})} = \frac{1}{1 + x_{0}^{2}}

La fonction Arctan est dérivable sur R \mathbb{R} et xR,arctan(x)=11+x2 \forall x \in \mathbb{R}, \arctan'(x) = \frac{1}{1 + x^{2}}

0111+x2dx=π4arctan(x)=0x11+t2dt\begin{aligned} & \int_{0}^{1} \frac{1}{1 + x^{2}} \, dx = \frac{\pi}{4} \\ & \arctan(x) = \int_{0}^{x} \frac{1}{1 + t^{2}} \, dt \end{aligned}

Propriété

Soit φ:RR \varphi : \mathbb{R}^{*} \rightarrow \mathbb{R}

xarctan(x)+arctan(1x)x \mapsto \arctan(x) + \arctan\left(\frac{1}{x}\right)

xR,φ(x)=0 \forall x \in \mathbb{R}^{*}, \varphi'(x) = 0

Donc φ \varphi est constante sur ],0[ ]-\infty, 0[ et φ \varphi est constante sur ]0,+[ ]0, +\infty[ , donc

φ(1)=π2,φ(1)=π2\varphi(1) = \frac{\pi}{2}, \quad \varphi(-1) = -\frac{\pi}{2}

Donc xR,arctan(x)+arctan(1x)=ε(x)π2 \forall x \in \mathbb{R}^{*}, \arctan(x) + \arctan\left(\frac{1}{x}\right) = \varepsilon(x) \cdot \frac{\pi}{2}

ε(x) \varepsilon(x) désigne le signe de x x

limx0arcsin(x)x=arcsin(0)=1 \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\arcsin(x)}{x} = \arcsin(0) = 1

limx1arcsin(x)1x=2 \lim_{x \rightarrow 1} \frac{\arcsin(x)}{\sqrt{1 - x}} = \sqrt{2}

limx0arctan(x)x=arctan(0)=1 \lim_{x \rightarrow 0} \frac{\arctan(x)}{x} = \arctan(0) = 1

Démonstration pour limx1arccos(x)1x=2 \lim_{x \rightarrow 1} \frac{\arccos(x)}{\sqrt{1 - x}} = \sqrt{2}

Rappel : limu01cos(u)u2=12 \lim_{u \rightarrow 0} \frac{1 - \cos(u)}{u^{2}} = \frac{1}{2}

Quand x1 x \rightarrow 1 , arccos(x)0 \arccos(x) \rightarrow 0 , donc

1cos(arccos(x))arccos(x)x112\frac{1 - \cos(\arccos(x))}{\arccos(x)} \xrightarrow[x \rightarrow 1]{} \frac{1}{2}

Donc

1xarccos(x)x112\frac{1 - x}{\arccos(x)} \xrightarrow[x \rightarrow 1]{} \frac{1}{2}

Donc

arccos2(x)1xx12\frac{\arccos^{2}(x)}{1 - x} \xrightarrow[x \rightarrow 1]{} 2

Donc arccos(x)1xx12 \frac{\arccos(x)}{\sqrt{1 - x}} \xrightarrow[x \rightarrow 1]{} \sqrt{2}