FORMULAIRE M-008 · CPGE/CONCOURS

Formulaire de trigonométrie — Prépa et concours

Cette fiche reprend les acquis du lycée et rassemble les identités de transformation, fonctions usuelles, limites et méthodes d’intégration mobilisées pendant les deux années de CPGE scientifique et aux concours.

Niveau
Prépa · concours
Contenu
35 formules et repères
Référentiel
CPGE scientifiques · première et deuxième années
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01

Définitions de base

Cosinus, sinus et tangente dans un triangle rectangle

Cosinus

cos⁡(α)=coˆteˊ adjacent aˋ αhypoteˊnuse\cos(\alpha)=\dfrac{\text{côté adjacent à }\alpha}{\text{hypoténuse}}

Sinus

sin⁡(α)=coˆteˊ opposeˊ aˋ αhypoteˊnuse\sin(\alpha)=\dfrac{\text{côté opposé à }\alpha}{\text{hypoténuse}}

Tangente

tan⁡(α)=coˆteˊ opposeˊ aˋ αcoˆteˊ adjacent aˋ α\tan(\alpha)=\dfrac{\text{côté opposé à }\alpha}{\text{côté adjacent à }\alpha}
Côtés d’un triangle rectangle relativement à l’angle alphaLe triangle ABC est rectangle en C. Pour l’angle alpha situé au sommet A, AC est le côté adjacent, BC le côté opposé et AB l’hypoténuse.
Le nom « adjacent » ou « opposé » dépend de l’angle choisi ; l’hypoténuse reste toujours le côté opposé à l’angle droit.
  • Le triangle est rectangle et α désigne l’un de ses deux angles aigus.
  • L’hypoténuse est le côté opposé à l’angle droit.
Pourquoi ? — Définition

Ces trois rapports définissent les lignes trigonométriques d’un angle aigu dans un triangle rectangle. Ils ne dépendent pas de la taille du triangle : deux triangles rectangles possédant le même angle aigu sont semblables, donc leurs côtés correspondants sont proportionnels.

Ainsi, lorsque le triangle est agrandi ou réduit, le numérateur et le dénominateur de chaque rapport sont multipliés par le même nombre. Le quotient reste inchangé.

Relier la tangente au sinus et au cosinus

tan⁡(α)=sin⁡(α)cos⁡(α)\tan(\alpha)=\dfrac{\sin(\alpha)}{\cos(\alpha)}
  • La formule est valable lorsque cos(α) ≠ 0 ; dans un triangle rectangle, α est aigu.
Pourquoi ? — Démonstration

Dans un triangle rectangle, notons aa le côté adjacent, oo le côté opposé et hh l’hypoténuse. En divisant les deux rapports, on obtient

sin⁡(α)cos⁡(α)=o/ha/h=oa=tan⁡(α).\frac{\sin(\alpha)}{\cos(\alpha)} =\frac{o/h}{a/h} =\frac{o}{a} =\tan(\alpha).

02

Cercle trigonométrique et angles remarquables

Convertir les degrés et les radians

180∘=π rad180^{\circ}=\pi\ \text{rad}
x rad=x×180π ∘x\ \text{rad}=x\times\dfrac{180}{\pi}\ ^{\circ}
θ∘=θ×π180 rad\theta^{\circ}=\theta\times\dfrac{\pi}{180}\ \text{rad}
  • En analyse, un angle non accompagné d’une unité est exprimé en radians.
Pourquoi ? — Définition

La mesure en radians est définie par le rapport entre la longueur de l’arc et le rayon. Un tour complet a pour longueur 2πr2\pi r, donc mesure (2πr)/r=2π(2\pi r)/r=2\pi radians. Ce même tour vaut 360∘360^\circ, d’où π\pi radians pour 180∘180^\circ. Les conversions découlent ensuite d’une proportionnalité.

Coordonnées sur le cercle trigonométrique

M(cos⁡x ; sin⁡x)M(\cos x\,;\,\sin x)
Coordonnées d’un point sur le cercle trigonométriqueDans un repère orthonormé, le point M du cercle unité est atteint après un angle x depuis l’axe horizontal. Sa projection sur l’axe horizontal a pour abscisse cosinus x et sa projection sur l’axe vertical a pour ordonnée sinus x.
Les coordonnées de M sont les longueurs algébriques de ses projections sur les deux axes : cos x horizontalement etsin x verticalement.
  • Le cercle est centré à l’origine, de rayon 1, et orienté dans le sens trigonométrique.
Pourquoi ? — Définition

Par définition, le cosinus de xx est l’abscisse du point obtenu après un déplacement angulaire de xx radians sur le cercle unité, et son sinus est l’ordonnée de ce point.

La relation cos⁡2x+sin⁡2x=1\cos^2 x+\sin^2 x=1 découle alors immédiatement de l’équation du cercle unité.

Relation fondamentale

cos⁡2(α)+sin⁡2(α)=1\cos^2(\alpha)+\sin^2(\alpha)=1
  • Cette identité est valable pour tout angle réel α.
Pourquoi ? — Démonstration

Dans un triangle rectangle de côtés adjacent aa, opposé oo et d’hypoténuse hh, le théorème de Pythagore donne a2+o2=h2a^2+o^2=h^2. En divisant par h2h^2, on trouve

(ah)2+(oh)2=1,\left(\frac{a}{h}\right)^2+\left(\frac{o}{h}\right)^2=1,

soit cos⁡2(α)+sin⁡2(α)=1\cos^2(\alpha)+\sin^2(\alpha)=1. Sur le cercle trigonométrique, c’est simplement l’équation x2+y2=1x^2+y^2=1 du cercle unité.

Valeurs remarquables

Valeurs exactes du cosinus, du sinus et de la tangente pour les angles du premier quadrant
Angle\text{Angle}00π6\dfrac{\pi}{6}π4\dfrac{\pi}{4}π3\dfrac{\pi}{3}π2\dfrac{\pi}{2}
cos⁡\cos1132\dfrac{\sqrt{3}}{2}22\dfrac{\sqrt{2}}{2}12\dfrac{1}{2}00
sin⁡\sin0012\dfrac{1}{2}22\dfrac{\sqrt{2}}{2}32\dfrac{\sqrt{3}}{2}11
tan⁡\tan0013\dfrac{1}{\sqrt{3}}113\sqrt{3}non deˊfinie\text{non définie}
  • Les autres valeurs se retrouvent avec les symétries du cercle trigonométrique.
Pourquoi ? — Démonstration

Pour π/4\pi/4, un triangle rectangle isocèle de côtés 1,1,21,1,\sqrt2 donne cos⁡(π/4)=sin⁡(π/4)=1/2=2/2\cos(\pi/4)=\sin(\pi/4)=1/\sqrt2=\sqrt2/2.

Pour π/3\pi/3, on coupe un triangle équilatéral de côté 22 en deux. Le triangle rectangle obtenu a pour côtés 1,3,21,\sqrt3,2, donc cos⁡(π/3)=1/2\cos(\pi/3)=1/2 et sin⁡(π/3)=3/2\sin(\pi/3)=\sqrt3/2. Les valeurs en π/6\pi/6 s’en déduisent en échangeant sinus et cosinus.

Équations trigonométriques usuelles

cos⁡x=cos⁡a  ⟺  x=2kπ+a  ou  x=2kπ−a\cos x=\cos a\iff x=2k\pi+a\ \text{ ou }\ x=2k\pi-a
sin⁡x=sin⁡a  ⟺  x=2kπ+a  ou  x=(2k+1)π−a\sin x=\sin a\iff x=2k\pi+a\ \text{ ou }\ x=(2k+1)\pi-a
tan⁡x=tan⁡a  ⟺  x=kπ+a\tan x=\tan a\iff x=k\pi+a
  • k parcourt l’ensemble des entiers relatifs.
  • Pour la tangente, a et x ne doivent pas être congrus à π/2 modulo π.
Pourquoi ? — Justification

Deux points du cercle unité ont la même abscisse lorsqu’ils sont confondus ou symétriques par rapport à l’axe des abscisses. Cela donne les deux familles de solutions pour le cosinus, auxquelles on ajoute un nombre entier de tours.

Pour le sinus, on raisonne de même avec l’ordonnée et la symétrie par rapport à l’axe des ordonnées. Enfin, la tangente est de période π\pi et prend une seule fois chaque valeur sur tout intervalle où elle est continue entre deux asymptotes consécutives.

03

Symétries et angles associés

Parité et périodicité

cos⁡(−x)=cos⁡x\cos(-x)=\cos x
sin⁡(−x)=−sin⁡x\sin(-x)=-\sin x
tan⁡(−x)=−tan⁡x\tan(-x)=-\tan x
cos⁡(x+2kπ)=cos⁡x;sin⁡(x+2kπ)=sin⁡x\cos(x+2k\pi)=\cos x\quad;\quad\sin(x+2k\pi)=\sin x
tan⁡(x+kπ)=tan⁡x\tan(x+k\pi)=\tan x
  • k désigne un entier relatif ; les égalités avec la tangente supposent qu’elle est définie.
Pourquoi ? — Justification

Sur le cercle trigonométrique, les points d’angles xx et −x-x sont symétriques par rapport à l’axe des abscisses : leur abscisse est identique et leur ordonnée opposée. Cela donne la parité du cosinus et l’imparité du sinus, puis celle de la tangente.

Ajouter 2kπ2k\pi revient à effectuer kk tours complets. Pour la tangente, un demi-tour change simultanément les signes du sinus et du cosinus : leur quotient reste donc inchangé.

Angles associés

cos⁡(π−x)=−cos⁡x;sin⁡(π−x)=sin⁡x\cos(\pi-x)=-\cos x\quad;\quad\sin(\pi-x)=\sin x
cos⁡(π+x)=−cos⁡x;sin⁡(π+x)=−sin⁡x\cos(\pi+x)=-\cos x\quad;\quad\sin(\pi+x)=-\sin x
cos⁡(π2−x)=sin⁡x\cos\left(\dfrac{\pi}{2}-x\right)=\sin x
sin⁡(π2−x)=cos⁡x\sin\left(\dfrac{\pi}{2}-x\right)=\cos x
  • Ces relations se lisent directement à l’aide des symétries du cercle trigonométrique.
Pourquoi ? — Démonstration

Le point d’angle π−x\pi-x est le symétrique du point d’angle xx par rapport à l’axe des ordonnées : son cosinus change de signe et son sinus est conservé. Un demi-tour, correspondant à l’ajout de π\pi, change les deux coordonnées de signe.

Enfin, les angles xx et π/2−x\pi/2-x sont complémentaires. La symétrie par rapport à la droite y=xy=x échange leurs abscisses et leurs ordonnées, donc échange cosinus et sinus.

04

Trigonométrie et produit scalaire

Produit scalaire et cosinus

u⃗⋅v⃗=∥u⃗∥ ∥v⃗∥cos⁡(θ)\vec u\cdot\vec v=\lVert\vec u\rVert\,\lVert\vec v\rVert\cos(\theta)
  • θ est l’angle non orienté entre deux vecteurs non nuls.
  • Si l’un des vecteurs est nul, le produit scalaire vaut 0.
Pourquoi ? — Définition

Cette égalité est la définition géométrique du produit scalaire. Si l’on projette orthogonalement v⃗\vec v sur la direction de u⃗\vec u, la longueur algébrique de la projection vaut ∥v⃗∥cos⁡(θ)\lVert\vec v\rVert\cos(\theta). Le produit par ∥u⃗∥\lVert\vec u\rVert donne alors u⃗⋅v⃗\vec u\cdot\vec v.

Formule d’Al-Kashi

a2=b2+c2−2bccos⁡(A)a^2=b^2+c^2-2bc\cos(A)
Notations de la formule d’Al-KashiDans le triangle ABC, l’angle A est l’angle BAC. Le côté a, entre B et C, lui est opposé ; le côté b est CA et le côté c est AB.
Dans a2 = b2 + c2 − 2bc cos A, le côté isolé a est celui qui se trouve en face de l’angle A = ∠BAC.
  • Dans le triangle ABC, A désigne l’angle BAC, c’est-à-dire l’angle au sommet A.
  • Les longueurs sont a = BC, b = CA et c = AB ; le côté a est donc opposé à l’angle A.
Pourquoi ? — Démonstration

Avec BC⃗=BA⃗+AC⃗\vec{BC}=\vec{BA}+\vec{AC}, on développe le carré de la norme :

a2=∥BC⃗∥2=∥BA⃗∥2+∥AC⃗∥2+2BA⃗⋅AC⃗.a^2=\lVert\vec{BC}\rVert^2 =\lVert\vec{BA}\rVert^2+\lVert\vec{AC}\rVert^2 +2\vec{BA}\cdot\vec{AC}.

Or l’angle entre BA⃗\vec{BA} et AC⃗\vec{AC} vaut π−A\pi-A, donc leur produit scalaire vaut bccos⁡(π−A)=−bccos⁡Abc\cos(\pi-A)=-bc\cos A. On obtient bien la formule.

05

Propriétés des fonctions trigonométriques

Dérivées du sinus et du cosinus

(sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)^{\prime}=\cos x
(cos⁡x)′=−sin⁡x(\cos x)^{\prime}=-\sin x
  • L’angle x est exprimé en radians.
Pourquoi ? — Démonstration

À partir de la formule d’addition, on écrit

sin⁡(x+h)−sin⁡xh=sin⁡xcos⁡h−1h+cos⁡xsin⁡hh.\frac{\sin(x+h)-\sin x}{h} =\sin x\frac{\cos h-1}{h}+\cos x\frac{\sin h}{h}.

Lorsque hh tend vers 00, les limites sin⁡hh→1\frac{\sin h}{h}\to1 et cos⁡h−1h→0\frac{\cos h-1}{h}\to0 donnent (sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)'=\cos x. Le même calcul appliqué au cosinus donne (cos⁡x)′=−sin⁡x(\cos x)'=-\sin x.

Primitives usuelles

∫cos⁡x dx=sin⁡x+C\displaystyle \int\cos x\,\mathrm dx=\sin x+C
∫sin⁡x dx=−cos⁡x+C\displaystyle \int\sin x\,\mathrm dx=-\cos x+C
  • C désigne une constante réelle.
  • L’angle x est exprimé en radians.
Pourquoi ? — Justification

Une primitive de ff est une fonction dont la dérivée vaut ff. Comme (sin⁡x)′=cos⁡x(\sin x)'=\cos x, les primitives de cos⁡x\cos x sont sin⁡x+C\sin x+C. De même, (−cos⁡x)′=sin⁡x(-\cos x)'=\sin x, ce qui donne la seconde formule.

Dérivée et primitive de la tangente

Dérivée

(tan⁡x)′=1+tan⁡2x=1cos⁡2x(\tan x)^{\prime}=1+\tan^2x=\dfrac{1}{\cos^2x}

Primitive de la tangente

∫tan⁡x dx=−ln⁡∣cos⁡x∣+C\displaystyle\int\tan x\,\mathrm dx=-\ln|\cos x|+C

Primitive de 1 sur cosinus carré

∫dxcos⁡2x=tan⁡x+C\displaystyle\int\dfrac{\mathrm dx}{\cos^2x}=\tan x+C
  • Ces formules s’utilisent sur un intervalle ne contenant aucun point π/2 + kπ, où la tangente n’est pas définie.
  • C désigne une constante réelle et les angles sont exprimés en radians.
Pourquoi ? — Démonstration

La règle de dérivation d’un quotient donne

(tan⁡x)′=(sin⁡xcos⁡x)′=cos⁡2x+sin⁡2xcos⁡2x=1cos⁡2x.(\tan x)'=\left(\frac{\sin x}{\cos x}\right)' =\frac{\cos^2x+\sin^2x}{\cos^2x} =\frac{1}{\cos^2x}.

Par ailleurs, (ln⁡∣cos⁡x∣)′=−sin⁡x/cos⁡x=−tan⁡x(\ln|\cos x|)'=-\sin x/\cos x=-\tan x sur tout intervalle où le cosinus ne s’annule pas, ce qui fournit la primitive de la tangente.

06

Fonctions réciproques, hyperboliques et limites

Les fonctions usuelles et les limites classiques

Fonctions circulaires réciproques

Arc sinus

arcsin⁡:[−1,1]⟶[−π2,π2],sin⁡(arcsin⁡x)=x\arcsin:[-1,1]\longrightarrow\left[-\dfrac{\pi}{2},\dfrac{\pi}{2}\right],\qquad \sin(\arcsin x)=x

Arc cosinus

arccos⁡:[−1,1]⟶[0,π],cos⁡(arccos⁡x)=x\arccos:[-1,1]\longrightarrow[0,\pi],\qquad \cos(\arccos x)=x

Arc tangente

arctan⁡:R⟶]−π2,π2[,tan⁡(arctan⁡x)=x\arctan:\mathbb R\longrightarrow\left]-\dfrac{\pi}{2},\dfrac{\pi}{2}\right[,\qquad \tan(\arctan x)=x
  • Arcsin, Arccos et Arctan désignent les bijections réciproques des restrictions de sin, cos et tan aux intervalles indiqués.
  • Les égalités arcsin(sin x) = x, arccos(cos x) = x et arctan(tan x) = x ne valent que lorsque x appartient à l’intervalle image choisi.
Pourquoi ? — Définition

Les fonctions sinus, cosinus et tangente ne sont pas injectives sur tout R\mathbb R. On les restreint donc à des intervalles où elles sont continues et strictement monotones : respectivement [−π/2,π/2][-\pi/2,\pi/2], [0,π][0,\pi] et ]−π/2,π/2[]-\pi/2,\pi/2[. Elles y admettent une fonction réciproque, ce qui définit arcsin⁡\arcsin, arccos⁡\arccos et arctan⁡\arctan.

Dérivées et symétries des fonctions circulaires réciproques

(arcsin⁡x)′=11−x2(∣x∣<1)(\arcsin x)^{\prime}=\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}\qquad (|x|<1)
(arccos⁡x)′=−11−x2(∣x∣<1)(\arccos x)^{\prime}=-\dfrac{1}{\sqrt{1-x^2}}\qquad (|x|<1)
(arctan⁡x)′=11+x2(x∈R)(\arctan x)^{\prime}=\dfrac{1}{1+x^2}\qquad (x\in\mathbb R)
arccos⁡x=π2−arcsin⁡x\arccos x=\dfrac{\pi}{2}-\arcsin x
arcsin⁡(−x)=−arcsin⁡x,arccos⁡(−x)=π−arccos⁡x,arctan⁡(−x)=−arctan⁡x\arcsin(-x)=-\arcsin x,\quad \arccos(-x)=\pi-\arccos x,\quad \arctan(-x)=-\arctan x
lim⁡x→±∞arctan⁡x=±π2\lim_{x\to\pm\infty}\arctan x=\pm\dfrac{\pi}{2}
  • Les domaines des fonctions et les intervalles images sont ceux de leur définition comme fonctions réciproques.
Pourquoi ? — Démonstration

Si y=arcsin⁡xy=\arcsin x, alors sin⁡y=x\sin y=x avec y∈[−π/2,π/2]y\in[-\pi/2,\pi/2]. En dérivant, on obtient cos⁡y y′=1\cos y\,y'=1. Sur cet intervalle, cos⁡y=1−sin⁡2y=1−x2\cos y=\sqrt{1-\sin^2y}=\sqrt{1-x^2}, d’où la première formule. Le même raisonnement donne les deux autres dérivées.

Les relations de symétrie proviennent de l’imparité du sinus et de la tangente, ainsi que de cos⁡(π−y)=−cos⁡y\cos(\pi-y)=-\cos y.

Fonctions hyperboliques

ch⁡x=ex+e−x2\operatorname{ch}x=\dfrac{\mathrm e^x+\mathrm e^{-x}}{2}
sh⁡x=ex−e−x2\operatorname{sh}x=\dfrac{\mathrm e^x-\mathrm e^{-x}}{2}
th⁡x=sh⁡xch⁡x\operatorname{th}x=\dfrac{\operatorname{sh}x}{\operatorname{ch}x}
ch⁡2x−sh⁡2x=1\operatorname{ch}^2x-\operatorname{sh}^2x=1
  • Les fonctions ch et sh sont définies sur R ; comme ch x est strictement positif, th est également définie sur R.
  • Les fonctions hyperboliques réciproques sont présentées dans deux cartes séparées de la variante prépa et concours.
Pourquoi ? — Démonstration

Les trois fonctions sont définies à partir de l’exponentielle. En développant,

ch⁡2x−sh⁡2x=(ex+e−x)2−(ex−e−x)24=1.\operatorname{ch}^2x-\operatorname{sh}^2x =\frac{(\mathrm e^x+\mathrm e^{-x})^2-(\mathrm e^x-\mathrm e^{-x})^2}{4} =1.

L’identité fondamentale est donc une conséquence directe de exe−x=1\mathrm e^x\mathrm e^{-x}=1.

Dérivées et formules d’addition hyperboliques

(sh⁡x)′=ch⁡x,(ch⁡x)′=sh⁡x(\operatorname{sh}x)^{\prime}=\operatorname{ch}x,\qquad (\operatorname{ch}x)^{\prime}=\operatorname{sh}x
(th⁡x)′=1ch⁡2x=1−th⁡2x(\operatorname{th}x)^{\prime}=\dfrac{1}{\operatorname{ch}^2x}=1-\operatorname{th}^2x
ch⁡(a+b)=ch⁡ach⁡b+sh⁡ash⁡b\operatorname{ch}(a+b)=\operatorname{ch}a\operatorname{ch}b+\operatorname{sh}a\operatorname{sh}b
sh⁡(a+b)=sh⁡ach⁡b+ch⁡ash⁡b\operatorname{sh}(a+b)=\operatorname{sh}a\operatorname{ch}b+\operatorname{ch}a\operatorname{sh}b
ch⁡(2x)=ch⁡2x+sh⁡2x,sh⁡(2x)=2sh⁡xch⁡x\operatorname{ch}(2x)=\operatorname{ch}^2x+\operatorname{sh}^2x,\qquad \operatorname{sh}(2x)=2\operatorname{sh}x\operatorname{ch}x
  • Les formules d’addition se déduisent des définitions exponentielles ; le programme officiel demande surtout de connaître l’identité ch² x − sh² x = 1.
Pourquoi ? — Démonstration

Les dérivées suivent de (ex)′=ex(\mathrm e^x)'=\mathrm e^x et (e−x)′=−e−x(\mathrm e^{-x})'=-\mathrm e^{-x}. Pour l’addition, on remplace chaque fonction hyperbolique par sa définition et on utilise ea+b=eaeb\mathrm e^{a+b}=\mathrm e^a\mathrm e^b. Les formules de duplication sont les cas particuliers obtenus avec a=b=xa=b=x.

Fonctions hyperboliques réciproques

Argument sinus hyperbolique

argsh⁡:R⟶R,argsh⁡x=ln⁡ ⁣(x+x2+1)\operatorname{argsh}:\mathbb R\longrightarrow\mathbb R,\qquad \operatorname{argsh}x=\ln\!\left(x+\sqrt{x^2+1}\right)

Argument cosinus hyperbolique

argch⁡:[1,+∞[⟶[0,+∞[,argch⁡x=ln⁡ ⁣(x+x2−1)\operatorname{argch}:[1,+\infty[\longrightarrow[0,+\infty[,\qquad \operatorname{argch}x=\ln\!\left(x+\sqrt{x^2-1}\right)

Argument tangente hyperbolique

argth⁡:]−1,1[⟶R,argth⁡x=12ln⁡ ⁣(1+x1−x)\operatorname{argth}:]-1,1[\longrightarrow\mathbb R,\qquad \operatorname{argth}x=\dfrac12\ln\!\left(\dfrac{1+x}{1-x}\right)
  • Argsh est la bijection réciproque de sh sur R.
  • Argch est la réciproque de la restriction de ch à [0, +∞[ ; cette restriction est nécessaire car ch est paire.
  • Argth est la bijection réciproque de th de R vers ]−1, 1[.
  • Ces fonctions constituent un complément utile pour les concours, même lorsqu’elles ne figurent pas explicitement dans le socle commun de première année.
Pourquoi ? — Démonstration

Pour retrouver les expressions logarithmiques, on résout les équations y=sh⁡xy=\operatorname{sh}x, y=ch⁡xy=\operatorname{ch}x et y=th⁡xy=\operatorname{th}x en posant X=ex>0X=\mathrm e^x>0.

Les deux premières deviennent des équations du second degré en XX ; on garde la racine positive compatible avec le domaine. Pour la troisième, y=(X2−1)/(X2+1)y=(X^2-1)/(X^2+1) donne X2=(1+y)/(1−y)X^2=(1+y)/(1-y), puis on applique le logarithme.

Propriétés des fonctions hyperboliques réciproques

Compositions avec sh

sh⁡(argsh⁡x)=x,argsh⁡(sh⁡x)=x\operatorname{sh}(\operatorname{argsh}x)=x,\qquad \operatorname{argsh}(\operatorname{sh}x)=x

Compositions avec ch

ch⁡(argch⁡x)=x (x≥1),argch⁡(ch⁡x)=∣x∣\operatorname{ch}(\operatorname{argch}x)=x\ (x\geq1),\qquad \operatorname{argch}(\operatorname{ch}x)=|x|

Compositions avec th

th⁡(argth⁡x)=x (∣x∣<1),argth⁡(th⁡x)=x\operatorname{th}(\operatorname{argth}x)=x\ (|x|<1),\qquad \operatorname{argth}(\operatorname{th}x)=x

Dérivées d’argsh et d’argch

(argsh⁡)′(x)=11+x2,(argch⁡)′(x)=1x2−1(\operatorname{argsh})'(x)=\dfrac1{\sqrt{1+x^2}},\qquad (\operatorname{argch})'(x)=\dfrac1{\sqrt{x^2-1}}

Dérivée d’argth

(argth⁡)′(x)=11−x2(\operatorname{argth})'(x)=\dfrac1{1-x^2}

Parité

argsh⁡(−x)=−argsh⁡x,argth⁡(−x)=−argth⁡x\operatorname{argsh}(-x)=-\operatorname{argsh}x,\qquad \operatorname{argth}(-x)=-\operatorname{argth}x
  • La dérivée d’argsh est valable sur R, celle d’argch pour x strictement supérieur à 1 et celle d’argth pour |x| strictement inférieur à 1.
  • Argch n’est pas dérivable en 1 ; sa dérivée tend vers +∞ lorsque x tend vers 1 par valeurs supérieures.
  • Dans argch(ch x) = |x|, la valeur absolue provient du choix de la branche [0, +∞[ pour définir la réciproque.
Pourquoi ? — Démonstration

Si ff est une bijection dérivable et si sa dérivée ne s’annule pas, alors

(f−1)′(x)=1f′(f−1(x)).(f^{-1})'(x)=\frac{1}{f'(f^{-1}(x))}.

On applique cette relation à sh⁡\operatorname{sh}, ch⁡∣[0,+∞[\operatorname{ch}_{|[0,+\infty[} et th⁡\operatorname{th}, puis on utilise ch⁡2u−sh⁡2u=1\operatorname{ch}^2u-\operatorname{sh}^2u=1 et 1−th⁡2u=1/ch⁡2u1-\operatorname{th}^2u=1/\operatorname{ch}^2u. Les propriétés de composition découlent directement des domaines choisis pour chaque bijection réciproque.

Limites trigonométriques et hyperboliques à l’origine

lim⁡x→0sin⁡xx=1,lim⁡x→0tan⁡xx=1\lim_{x\to0}\dfrac{\sin x}{x}=1,\qquad \lim_{x\to0}\dfrac{\tan x}{x}=1
lim⁡x→01−cos⁡xx2=12\lim_{x\to0}\dfrac{1-\cos x}{x^2}=\dfrac12
lim⁡x→0arcsin⁡xx=1,lim⁡x→0arctan⁡xx=1\lim_{x\to0}\dfrac{\arcsin x}{x}=1,\qquad \lim_{x\to0}\dfrac{\arctan x}{x}=1
lim⁡x→0sh⁡xx=1,lim⁡x→0th⁡xx=1\lim_{x\to0}\dfrac{\operatorname{sh}x}{x}=1,\qquad \lim_{x\to0}\dfrac{\operatorname{th}x}{x}=1
lim⁡x→0ch⁡x−1x2=12\lim_{x\to0}\dfrac{\operatorname{ch}x-1}{x^2}=\dfrac12
  • Les quotients sont considérés pour x différent de 0 et les angles circulaires sont exprimés en radians.
Pourquoi ? — Justification

Pour 0<x<π/20<x<\pi/2, une comparaison géométrique des aires dans le cercle unité donne cos⁡x≤sin⁡x/x≤1\cos x\leq\sin x/x\leq1. Le théorème d’encadrement, puis l’imparité du sinus, fournissent la première limite sans utiliser de dérivée. Comme tan⁡x/sin⁡x=1/cos⁡x\tan x/\sin x=1/\cos x, on obtient ensuite la limite de tan⁡x/x\tan x/x ; enfin 1−cos⁡x=2sin⁡2(x/2)1-\cos x=2\sin^2(x/2) donne la limite en 1/21/2.

Pour les fonctions réciproques, on pose y=arcsin⁡xy=\arcsin x ou y=arctan⁡xy=\arctan x et on se ramène aux deux premières limites. Les limites hyperboliques découlent de leurs définitions exponentielles ; enfin ch⁡x−1=2sh⁡2(x/2)\operatorname{ch}x-1=2\operatorname{sh}^2(x/2) fournit la dernière limite.

Développements limités de sinus, cosinus et tangente

Sinus à l’ordre 5

sin⁡x=x−x36+x5120+o(x5)\sin x=x-\dfrac{x^3}{6}+\dfrac{x^5}{120}+o(x^5)

Cosinus à l’ordre 6

cos⁡x=1−x22+x424−x6720+o(x6)\cos x=1-\dfrac{x^2}{2}+\dfrac{x^4}{24}-\dfrac{x^6}{720}+o(x^6)

Tangente à l’ordre 7

tan⁡x=x+x33+2x515+17x7315+o(x7)\tan x=x+\dfrac{x^3}{3}+\dfrac{2x^5}{15}+\dfrac{17x^7}{315}+o(x^7)
  • Ces développements sont écrits lorsque x tend vers 0 et les angles sont exprimés en radians.
  • On les tronque à l’ordre utile ; un terme ne doit pas être conservé au-delà de la précision du reste.
  • Pour un développement au voisinage d’un autre point, on commence par effectuer une translation et utiliser les identités trigonométriques adaptées.
Pourquoi ? — Démonstration

La formule de Taylor-Young appliquée en 00 donne directement les développements de sinus et de cosinus à partir du cycle de leurs dérivées. Celui de la tangente s’obtient ensuite en effectuant la division des développements de sin⁡x\sin x et de cos⁡x\cos x, puisque tan⁡x=sin⁡x/cos⁡x\tan x=\sin x/\cos x et cos⁡0=1\cos 0=1.

Développements limités des fonctions réciproques et hyperboliques

Arc sinus à l’ordre 7

arcsin⁡x=x+x36+3x540+5x7112+o(x7)\arcsin x=x+\dfrac{x^3}{6}+\dfrac{3x^5}{40}+\dfrac{5x^7}{112}+o(x^7)

Arc cosinus à l’ordre 7

arccos⁡x=π2−x−x36−3x540−5x7112+o(x7)\arccos x=\dfrac{\pi}{2}-x-\dfrac{x^3}{6}-\dfrac{3x^5}{40}-\dfrac{5x^7}{112}+o(x^7)

Arc tangente à l’ordre 7

arctan⁡x=x−x33+x55−x77+o(x7)\arctan x=x-\dfrac{x^3}{3}+\dfrac{x^5}{5}-\dfrac{x^7}{7}+o(x^7)

Sinus et cosinus hyperboliques

sh⁡x=x+x36+x5120+o(x5),ch⁡x=1+x22+x424+x6720+o(x6)\operatorname{sh}x=x+\dfrac{x^3}{6}+\dfrac{x^5}{120}+o(x^5),\qquad \operatorname{ch}x=1+\dfrac{x^2}{2}+\dfrac{x^4}{24}+\dfrac{x^6}{720}+o(x^6)

Tangente hyperbolique à l’ordre 7

th⁡x=x−x33+2x515−17x7315+o(x7)\operatorname{th}x=x-\dfrac{x^3}{3}+\dfrac{2x^5}{15}-\dfrac{17x^7}{315}+o(x^7)

Argument sinus hyperbolique à l’ordre 7

argsh⁡x=x−x36+3x540−5x7112+o(x7)\operatorname{argsh}x=x-\dfrac{x^3}{6}+\dfrac{3x^5}{40}-\dfrac{5x^7}{112}+o(x^7)

Argument tangente hyperbolique à l’ordre 7

argth⁡x=x+x33+x55+x77+o(x7)\operatorname{argth}x=x+\dfrac{x^3}{3}+\dfrac{x^5}{5}+\dfrac{x^7}{7}+o(x^7)
  • Tous les développements sont écrits lorsque x tend vers 0.
  • Le développement d’arc cosinus découle de arccos x = π/2 − arcsin x ; au voisinage de 1, arc cosinus n’admet pas de développement limité en puissances entières.
  • Ces formules complètent la fiche de concours, mais la méthode de composition, de dérivation ou d’intégration des développements reste prioritaire sur leur mémorisation intégrale.
Pourquoi ? — Justification

On détermine le développement de arcsin⁡\arcsin en composant une série impaire inconnue avec celle de sin⁡\sin et en imposant sin⁡(arcsin⁡x)=x\sin(\arcsin x)=x. Pour arctan⁡\arctan, on peut intégrer le développement géométrique de sa dérivée 1/(1+x2)1/(1+x^2).

Les développements de sh⁡\operatorname{sh} et ch⁡\operatorname{ch} résultent immédiatement de leurs définitions avec ex\mathrm e^x et e−x\mathrm e^{-x} ; celui de th⁡\operatorname{th} s’obtient par quotient. Enfin, on retrouve les développements d’argsh⁡\operatorname{argsh} et d’argth⁡\operatorname{argth} en composant avec les fonctions directes, ou en intégrant leurs dérivées.

07

Transformations

Formules d’Euler et de Moivre

eix=cos⁡x+isin⁡xe^{ix}=\cos x+i\sin x
cos⁡x=eix+e−ix2\cos x=\dfrac{e^{ix}+e^{-ix}}{2}
sin⁡x=eix−e−ix2i\sin x=\dfrac{e^{ix}-e^{-ix}}{2i}
(cos⁡x+isin⁡x)n=cos⁡(nx)+isin⁡(nx)(\cos x+i\sin x)^n=\cos(nx)+i\sin(nx)
  • x est réel et n est un entier relatif.
Pourquoi ? — Démonstration

La formule d’Euler se justifie, par exemple, en comparant les développements en série entière de l’exponentielle, du sinus et du cosinus. En lui appliquant xx puis −x-x, l’addition et la soustraction des deux égalités isolent le cosinus et le sinus.

Enfin, la propriété einx=(eix)ne^{inx}=(e^{ix})^n, combinée à la formule d’Euler, donne immédiatement la formule de Moivre.

Formules d’addition et de soustraction

cos⁡(a+b)=cos⁡acos⁡b−sin⁡asin⁡b\cos(a+b)=\cos a\cos b-\sin a\sin b
cos⁡(a−b)=cos⁡acos⁡b+sin⁡asin⁡b\cos(a-b)=\cos a\cos b+\sin a\sin b
sin⁡(a+b)=sin⁡acos⁡b+cos⁡asin⁡b\sin(a+b)=\sin a\cos b+\cos a\sin b
sin⁡(a−b)=sin⁡acos⁡b−cos⁡asin⁡b\sin(a-b)=\sin a\cos b-\cos a\sin b
  • a et b sont des réels exprimés en radians.
Pourquoi ? — Démonstration

On utilise la formule d’Euler et le produit des exponentielles :

ei(a+b)=eiaeib=(cos⁡a+isin⁡a)(cos⁡b+isin⁡b).e^{i(a+b)}=e^{ia}e^{ib} =(\cos a+i\sin a)(\cos b+i\sin b).

En identifiant les parties réelle et imaginaire, on obtient les formules pour a+ba+b. Les formules de soustraction suivent en remplaçant bb par −b-b et en utilisant la parité du cosinus et l’imparité du sinus.

Formules de duplication

cos⁡(2x)=cos⁡2x−sin⁡2x=2cos⁡2x−1=1−2sin⁡2x\cos(2x)=\cos^2x-\sin^2x=2\cos^2x-1=1-2\sin^2x
sin⁡(2x)=2sin⁡xcos⁡x\sin(2x)=2\sin x\cos x
tan⁡(2x)=2tan⁡x1−tan⁡2x\tan(2x)=\dfrac{2\tan x}{1-\tan^2x}
  • La formule de la tangente s’emploie lorsque les deux membres sont définis.
Pourquoi ? — Démonstration

Il suffit de poser a=b=xa=b=x dans les formules d’addition. On obtient cos⁡(2x)=cos⁡2x−sin⁡2x\cos(2x)=\cos^2x-\sin^2x et sin⁡(2x)=2sin⁡xcos⁡x\sin(2x)=2\sin x\cos x. Les deux autres écritures du cosinus se déduisent de cos⁡2x+sin⁡2x=1\cos^2x+\sin^2x=1.

Enfin,

tan⁡(2x)=sin⁡(2x)cos⁡(2x)=2tan⁡x1−tan⁡2x\tan(2x)=\frac{\sin(2x)}{\cos(2x)} =\frac{2\tan x}{1-\tan^2x}

après division du numérateur et du dénominateur par cos⁡2x\cos^2x.

Tangente d’une somme ou d’une différence

tan⁡(a+b)=tan⁡a+tan⁡b1−tan⁡atan⁡b\tan(a+b)=\dfrac{\tan a+\tan b}{1-\tan a\tan b}
tan⁡(a−b)=tan⁡a−tan⁡b1+tan⁡atan⁡b\tan(a-b)=\dfrac{\tan a-\tan b}{1+\tan a\tan b}
  • Les expressions ne sont utilisées que lorsque les tangentes et les quotients écrits sont définis.
Pourquoi ? — Démonstration

On part de tan⁡(a+b)=sin⁡(a+b)/cos⁡(a+b)\tan(a+b)=\sin(a+b)/\cos(a+b), puis on remplace le sinus et le cosinus par leurs formules d’addition. En divisant le numérateur et le dénominateur par cos⁡acos⁡b\cos a\cos b, on obtient

tan⁡a+tan⁡b1−tan⁡atan⁡b.\frac{\tan a+\tan b}{1-\tan a\tan b}.

La formule de soustraction se déduit en remplaçant bb par −b-b.

Carrés et demi-angle

cos⁡2x=1+cos⁡(2x)2\cos^2x=\dfrac{1+\cos(2x)}{2}
sin⁡2x=1−cos⁡(2x)2\sin^2x=\dfrac{1-\cos(2x)}{2}
  • Ces identités sont particulièrement utiles pour linéariser des carrés.
Pourquoi ? — Démonstration

Les deux écritures de la formule de duplication donnent cos⁡(2x)=2cos⁡2x−1\cos(2x)=2\cos^2x-1 et cos⁡(2x)=1−2sin⁡2x\cos(2x)=1-2\sin^2x. Il suffit d’isoler respectivement cos⁡2x\cos^2x et sin⁡2x\sin^2x.

Paramétrisation par la tangente de l’angle moitié

Changement de variable

t=tan⁡(θ2)t=\tan\left(\dfrac{\theta}{2}\right)
cos⁡θ=1−t21+t2\cos\theta=\dfrac{1-t^2}{1+t^2}
sin⁡θ=2t1+t2\sin\theta=\dfrac{2t}{1+t^2}
tan⁡θ=2t1−t2\tan\theta=\dfrac{2t}{1-t^2}

Écriture complexe

eiθ=1+it1−it\mathrm e^{\mathrm i\theta}=\dfrac{1+\mathrm i t}{1-\mathrm i t}

Pour un changement de variable dans une intégrale

dθ=2 dt1+t2\mathrm d\theta=\dfrac{2\,\mathrm dt}{1+t^2}
  • Le paramètre t est fini lorsque θ n’est pas congru à π modulo 2π.
  • La formule de tan θ demande en plus t différent de −1 et de 1.
  • Pour une intégrale, on travaille sur un intervalle ne traversant pas un angle congru à π modulo 2π.
Pourquoi ? — Démonstration

Comme 1+t2=1/cos⁡2(θ/2)1+t^2=1/\cos^2(\theta/2), les formules de duplication donnent

sin⁡θ=2tan⁡(θ2)cos⁡2(θ2)=2t1+t2\sin\theta =2\tan\left(\frac{\theta}{2}\right)\cos^2\left(\frac{\theta}{2}\right) =\frac{2t}{1+t^2}

et

cos⁡θ=(1−tan⁡2(θ2))cos⁡2(θ2)=1−t21+t2.\cos\theta =\left(1-\tan^2\left(\frac{\theta}{2}\right)\right) \cos^2\left(\frac{\theta}{2}\right) =\frac{1-t^2}{1+t^2}.

Le quotient de ces deux égalités fournit la formule de tan⁡θ\tan\theta. L’écriture complexe s’obtient en réunissant cos⁡θ\cos\theta et isin⁡θ\mathrm i\sin\theta. Enfin, dt=12(1+t2) dθ\mathrm dt=\frac12(1+t^2)\,\mathrm d\theta, d’où la dernière relation.

Transformer des produits en sommes

cos⁡acos⁡b=cos⁡(a+b)+cos⁡(a−b)2\cos a\cos b=\dfrac{\cos(a+b)+\cos(a-b)}{2}
sin⁡asin⁡b=cos⁡(a−b)−cos⁡(a+b)2\sin a\sin b=\dfrac{\cos(a-b)-\cos(a+b)}{2}
sin⁡acos⁡b=sin⁡(a+b)+sin⁡(a−b)2\sin a\cos b=\dfrac{\sin(a+b)+\sin(a-b)}{2}
Pourquoi ? — Démonstration

On écrit les formules d’addition pour a+ba+b et a−ba-b. Leur somme ou leur différence permet d’éliminer l’un des deux produits. Par exemple,

cos⁡(a+b)+cos⁡(a−b)=2cos⁡acos⁡b.\cos(a+b)+\cos(a-b)=2\cos a\cos b.

Les deux autres identités s’obtiennent de la même manière.

Transformer des sommes en produits

cos⁡p+cos⁡q=2cos⁡(p+q2)cos⁡(p−q2)\cos p+\cos q=2\cos\left(\dfrac{p+q}{2}\right)\cos\left(\dfrac{p-q}{2}\right)
cos⁡p−cos⁡q=−2sin⁡(p+q2)sin⁡(p−q2)\cos p-\cos q=-2\sin\left(\dfrac{p+q}{2}\right)\sin\left(\dfrac{p-q}{2}\right)
sin⁡p+sin⁡q=2sin⁡(p+q2)cos⁡(p−q2)\sin p+\sin q=2\sin\left(\dfrac{p+q}{2}\right)\cos\left(\dfrac{p-q}{2}\right)
sin⁡p−sin⁡q=2cos⁡(p+q2)sin⁡(p−q2)\sin p-\sin q=2\cos\left(\dfrac{p+q}{2}\right)\sin\left(\dfrac{p-q}{2}\right)
Pourquoi ? — Démonstration

Dans les formules transformant les produits en sommes, on pose a=(p+q)/2a=(p+q)/2 et b=(p−q)/2b=(p-q)/2. Alors a+b=pa+b=p et a−b=qa-b=q. Après substitution et multiplication par 22, on obtient les quatre identités.

Mettre une combinaison sous forme d’un seul cosinus

acos⁡x+bsin⁡x=Rcos⁡(x−φ)a\cos x+b\sin x=R\cos(x-\varphi)
R=a2+b2,cos⁡φ=aR,sin⁡φ=bRR=\sqrt{a^2+b^2},\qquad\cos\varphi=\dfrac{a}{R},\qquad\sin\varphi=\dfrac{b}{R}
  • a et b ne sont pas simultanément nuls ; φ est choisi modulo 2π.
Pourquoi ? — Démonstration

La formule de soustraction donne

Rcos⁡(x−φ)=Rcos⁡xcos⁡φ+Rsin⁡xsin⁡φ.R\cos(x-\varphi) =R\cos x\cos\varphi+R\sin x\sin\varphi.

Avec Rcos⁡φ=aR\cos\varphi=a et Rsin⁡φ=bR\sin\varphi=b, le membre de droite devient acos⁡x+bsin⁡xa\cos x+b\sin x. Un tel angle φ\varphi existe car (a/R)2+(b/R)2=1(a/R)^2+(b/R)^2=1.

08

Intégrales trigonométriques classiques

Réductions de puissances, intégrales de Wallis et orthogonalité à mobiliser rapidement dans les calculs et problèmes de concours.

Réduction des puissances de sinus et de cosinus

Puissances de cosinus

Cn(x)=∫0xcos⁡nt dt=sin⁡x cos⁡n−1xn+n−1nCn−2(x)C_n(x)=\displaystyle\int_0^x\cos^n t\,\mathrm dt=\dfrac{\sin x\,\cos^{n-1}x}{n}+\dfrac{n-1}{n}C_{n-2}(x)

Puissances de sinus

Sn(x)=∫0xsin⁡nt dt=−cos⁡x sin⁡n−1xn+n−1nSn−2(x)S_n(x)=\displaystyle\int_0^x\sin^n t\,\mathrm dt=-\dfrac{\cos x\,\sin^{n-1}x}{n}+\dfrac{n-1}{n}S_{n-2}(x)
  • Les relations de récurrence sont valables pour tout entier n supérieur ou égal à 2.
  • Pour une primitive sans borne, on ajoute une constante réelle au résultat.
  • Si une puissance est impaire, on isole souvent un facteur sin ou cos avant un changement de variable ; si les deux puissances sont paires, on linéarise.
Pourquoi ? — Démonstration

Pour CnC_n, une intégration par parties avec u=cos⁡n−1tu=\cos^{n-1}t et dv=cos⁡t dt\mathrm dv=\cos t\,\mathrm dt donne

Cn(x)=sin⁡xcos⁡n−1x+(n−1)∫0xsin⁡2tcos⁡n−2t dt.C_n(x)=\sin x\cos^{n-1}x +(n-1)\int_0^x\sin^2t\cos^{n-2}t\,\mathrm dt.

On remplace sin⁡2t\sin^2t par 1−cos⁡2t1-\cos^2t, puis on regroupe les deux occurrences de CnC_n. Le calcul de SnS_n est analogue en échangeant sinus et cosinus.

Intégrales de Wallis

Wn=∫0π/2sin⁡nx dx=∫0π/2cos⁡nx dxW_n=\displaystyle\int_0^{\pi/2}\sin^n x\,\mathrm dx=\int_0^{\pi/2}\cos^n x\,\mathrm dx
W0=π2,W1=1,Wn=n−1nWn−2(n≥2)W_0=\dfrac{\pi}{2},\quad W_1=1,\quad W_n=\dfrac{n-1}{n}W_{n-2}\quad(n\geq2)
W2p=(2p)!22p(p!)2 π2,W2p+1=22p(p!)2(2p+1)!W_{2p}=\dfrac{(2p)!}{2^{2p}(p!)^2}\,\dfrac{\pi}{2},\qquad W_{2p+1}=\dfrac{2^{2p}(p!)^2}{(2p+1)!}
WnWn+1=π2(n+1),Wn∼n→+∞π2nW_nW_{n+1}=\dfrac{\pi}{2(n+1)},\qquad W_n\underset{n\to+\infty}{\sim}\sqrt{\dfrac{\pi}{2n}}
  • n et p sont des entiers naturels.
  • Les valeurs exactes viennent de la récurrence ; l’équivalent demande en plus la comparaison de deux termes consécutifs.
Pourquoi ? — Démonstration

Le changement de variable u=π/2−xu=\pi/2-x échange sinus et cosinus. Une intégration par parties fournit ensuite Wn=(n−1)Wn−2/nW_n=(n-1)W_{n-2}/n. En itérant séparément pour les indices pairs et impairs, on obtient les deux expressions factorielles.

Enfin, Wn+2≤Wn+1≤WnW_{n+2}\leq W_{n+1}\leq W_n et Wn+2/Wn=(n+1)/(n+2)W_{n+2}/W_n=(n+1)/(n+2) donnent Wn+1∼WnW_{n+1}\sim W_n. La relation exacte WnWn+1=π/[2(n+1)]W_nW_{n+1}=\pi/[2(n+1)] permet alors d’en déduire l’équivalent.

Orthogonalité sur une période

∫02πcos⁡(mx)cos⁡(nx) dx={πsi m=n,0si m≠n,\displaystyle\int_0^{2\pi}\cos(mx)\cos(nx)\,\mathrm dx=\begin{cases}\pi&\text{si }m=n,\\0&\text{si }m\ne n,\end{cases}
∫02πsin⁡(mx)sin⁡(nx) dx={πsi m=n,0si m≠n,\displaystyle\int_0^{2\pi}\sin(mx)\sin(nx)\,\mathrm dx=\begin{cases}\pi&\text{si }m=n,\\0&\text{si }m\ne n,\end{cases}
∫02πsin⁡(mx)cos⁡(nx) dx=0\displaystyle\int_0^{2\pi}\sin(mx)\cos(nx)\,\mathrm dx=0
∫02πeikx dx={2πsi k=0,0si k≠0.\displaystyle\int_0^{2\pi}\mathrm e^{\mathrm ikx}\,\mathrm dx=\begin{cases}2\pi&\text{si }k=0,\\0&\text{si }k\ne0.\end{cases}
  • m et n sont des entiers strictement positifs ; k est un entier relatif.
  • Les mêmes relations se transportent sur toute période complète par changement de variable.
Pourquoi ? — Démonstration

Les formules produit-somme transforment chaque produit en une combinaison de cos⁡((m−n)x)\cos((m-n)x) et cos⁡((m+n)x)\cos((m+n)x), ou de sinus de fréquences entières. L’intégrale d’un sinus ou d’un cosinus de fréquence entière non nulle sur [0,2π][0,2\pi] vaut zéro. Lorsque m=nm=n, le terme constant restant donne π\pi.

La dernière relation se vérifie directement avec une primitive de eikx\mathrm e^{\mathrm ikx} lorsque k≠0k\ne0.

Sources et programme de référence

  1. Programme d’enseignement de spécialité de mathématiques de la classe terminale de la voie généraleMinistère de l’Éducation nationale — Bulletin officiel spécial du 25 juillet 2019
  2. Programmes des classes préparatoires scientifiquesMinistère de l’Enseignement supérieur — Bulletin officiel spécial du 11 février 2021
  3. Programme de mathématiques de MPSI — fonctions usuellesMinistère de l’Éducation nationale et de l’Enseignement supérieur
  4. Programme de mathématiques de deuxième année — voie MPMinistère de l’Enseignement supérieur — programme 2021

Les démonstrations et justifications sont rédigées pour cette fiche à partir des définitions usuelles.