Vérification d'une égalité à l'aide de la dérivation (2) - Exercice 1
30 min
45
Question 1
Soit x un nombre réel positif. Démontrer que : ∀x⩾0,arccos(1+x1−x)=2arctan(x)
Correction
Posons f(x)=arccos(1+x1−x) et g(x)=2arctan(x). Sur l'intervalle R−{1} la fonction x⟼1+x1−x existe et y est dérivable, donc continue. De fait cette fonction existe et y est dérivable pour x⩾0. En outre, pour x⩾0, la fonction x⟼1+x1−x admet ses images dans l'intervalle ]−1;1]. La fonction arccos est définie sur [−1;1] et est dérivable sur ]−1;1[. De fait, on en déduit que l'expression f(x)=arccos(1+x1−x) existe pour x⩾0 et est dérivable pour x>0. La fonction arctan existe, est continue et est dérivable sur R. Le terme x existe pour x⩾0 et admet une dérivée pour x>0. Par composition de ces termes, on en déduit que l'expression g(x)=2arctan(x) est continu sur R+ et est dérivable sur R+⋆. D'après ce qui précède, nous pouvons calculer les expressions f′ et g′ pour x>0. On a alors : ∀x∈R+⋆,f′(x)=(arccos(1+x1−x))′=−1−(1+x1−x)21×(1+x1−x)′ Soit : ∀x∈R+⋆,f′(x)=−(1+x1+x)2−(1+x1−x)21×(1+x)2(1−x)′(1+x)−(1−x)(1+x)′ Soit encore : ∀x∈R+⋆,f′(x)=−(1+x)2(1+x)2−(1+x)2(1−x)21×(1+x)2−1(1+x)−(1−x)1 Donc : ∀x∈R+⋆,f′(x)=−(1+x)2(1+x)2−(1−x)21×(1+x)2−1−x−1+x On a alors : ∀x∈R+⋆,f′(x)=−(1+x)2−(1−x)2(1+x)×(1+x)2−2 De fait : ∀x∈R+⋆,f′(x)=1+2x+x2−(1−2x+x2)1×1+x2 D'où : ∀x∈R+⋆,f′(x)=1+2x+x2−1+2x−x21×1+x2 On arrive donc à : ∀x∈R+⋆,f′(x)=2x+2x1×1+x2 Ainsi : ∀x∈R+⋆,f′(x)=4x1×1+x2 Donc : ∀x∈R+⋆,f′(x)=2x1×1+x2 Finalement : ∀x∈R+⋆,f′(x)=(1+x)x1 Puis, on a aussi : ∀x∈R+⋆,g′(x)=(2arctan(x))′=2(arctan(x))′ Donc : ∀x∈R+⋆,g′(x)=2(x)′×1+(x)21 On a alors : ∀x∈R+⋆,g′(x)=22x1×1+x1 Ainsi : ∀x∈R+⋆,g′(x)=x1×1+x1 Finalement : ∀x∈R+⋆,g′(x)=(1+x)x1 On constate alors que : ∀x∈R+⋆,f′(x)=g′(x) Cela implique que : ∀x∈R+,f(x)=g(x)+K(K∈R) Posons x=0∈R+. On a alors : f(0)=g(0)+K⟺arccos(1+01−0)=2arctan(0)+K⟺arccos(11)=2arctan(0)+K Ce qui nous donne : arccos(1)=2arctan(0)+K⟺0=0+K⟺0=K On peut donc conclure que :