🔴  Lives #BAC2024

À partir du 12 mai, révise le bac avec nous sur YouTube tous les soirs à 19h30 ! Découvrir la chaîne →

Trigonométrie

Exercice 5 - C'est diabolique ! - Exercice 1

45 min
70
Dans certain exercice, il faut savoir faire preuve de patience et de prise d'initiative.
Question 1
Soit xx et yy deux nombres réels. Trouver tous les couples (x;y)(x\,;\,y) qui satisfont au système suivant :

S:{sin(x)+sin(y)=1cos(x)×cos(y)=34S : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} \sin(x) + \sin(y) & = & 1 \\ \cos(x) \times \cos(y) & = & -\dfrac{3}{4}\end{array} \right.

Correction
Il s'agit d'un exercice plus délicat, qui nécessite beaucoup d'attention.
On sait que pour xx et yy réels, on a nécessairement :
{1sin(x)11sin(y)1\left\lbrace \begin{array}{crclc} -1 & \leqslant & \sin(x) & \leqslant & 1 \\ -1 & \leqslant & \sin(y) & \leqslant & 1 \end{array} \right.
Ainsi, si l'un des deux sinus est strictement négatif il est alors impossible d'avoir sin(x)+sin(y)=1\sin(x) + \sin(y) = 1 car cela obligerait l'autre sinus d'être supérieur à 11. Ce qui implique que :
{0sin(x)10sin(y)1\left\lbrace \begin{array}{crclc} 0 & \leqslant & \sin(x) & \leqslant & 1 \\ 0 & \leqslant & \sin(y) & \leqslant & 1 \end{array} \right.
Ce qui nous permet d'écrire que :
{x[2kπ;π+2kπ](kZ)y[2hπ;π+2hπ](hZ)\left\lbrace \begin{array}{rcl} x & \in & [\, 2k\pi \,;\, \pi + 2k\pi \,] \,\,\,\, (k \in \mathbb{Z}) \\ y & \in & [\, 2h\pi \,;\, \pi + 2h\pi \,] \,\,\,\, (h \in \mathbb{Z}) \end{array} \right.
D'autre part, on constate que cos(x)×cos(y)=34<0 \cos(x) \times \cos(y) = -\dfrac{3}{4} < 0, c'est à dire que les deux cosinus sont de signes contraires. On doit donc avoir :
{cos(x)=1sin2(x)etcos(y)=1sin2(y)ou{cos(x)=1sin2(x)etcos(y)=1sin2(y)\left\lbrace \begin{array}{rcr} \cos(x) & = & \sqrt{1 - \sin^2(x)} \\ & \text{et} & \\ \cos(y) & = & - \sqrt{1 - \sin^2(y)} \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\, \text{ou} \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcr} \cos(x) & = & -\sqrt{1 - \sin^2(x)} \\ & \text{et} & \\ \cos(y) & = & \sqrt{1 - \sin^2(y)} \\ \end{array} \right.
Fort de ceci, éliminons l'impact des signes (juste précédemment mentionné) en étudiant le système S2S_2 suivant :
S2:{sin(x)+sin(y)=1cos2(x)×cos2(y)=916S_2 : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} \sin(x) + \sin(y) & = & 1 \\ \cos^2(x) \times \cos^2(y) & = & \dfrac{9}{16}\end{array} \right.
Soit encore :
S2:{sin(x)+sin(y)=1(1sin2(x))×(1sin2(y))=916S_2 : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} \sin(x) + \sin(y) & = & 1 \\ (1-\sin^2(x)) \times (1-\sin^2(y)) & = & \dfrac{9}{16}\end{array} \right.
En développant le seconde égalité :
S2:{sin(x)+sin(y)=11sin2(y)sin2(x)+sin2(x)×sin2(y)=916S_2 : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} \sin(x) + \sin(y) & = & 1 \\ 1 - \sin^2(y) - \sin^2(x) + \sin^2(x) \times \sin^2(y) & = & \dfrac{9}{16}\end{array} \right.
Donc :
S2:{sin(x)+sin(y)=11(sin2(y)+sin2(x))+sin2(x)×sin2(y)=916S_2 : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} \sin(x) + \sin(y) & = & 1 \\ 1 - (\sin^2(y) + \sin^2(x)) + \sin^2(x) \times \sin^2(y) & = & \dfrac{9}{16}\end{array} \right.
Où encore :
S2:{sin(x)+sin(y)=11(sin(y)+sin(x))2+2sin(y)×sin(x)+sin2(x)×sin2(y)=916S_2 : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} \sin(x) + \sin(y) & = & 1 \\ 1 - (\sin(y) + \sin(x))^2 + 2 \sin(y) \times \sin(x) + \sin^2(x) \times \sin^2(y) & = & \dfrac{9}{16}\end{array} \right.
Ainsi, on a alors :
S2:{sin(x)+sin(y)=11(1)2+2sin(y)×sin(x)+sin2(x)×sin2(y)=916S_2 : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} \sin(x) + \sin(y) & = & 1 \\ 1 - (1)^2 + 2 \sin(y) \times \sin(x) + \sin^2(x) \times \sin^2(y) & = & \dfrac{9}{16}\end{array} \right.
Donc :
S2:{sin(x)+sin(y)=10+2sin(y)×sin(x)+sin2(x)×sin2(y)=916S_2 : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} \sin(x) + \sin(y) & = & 1 \\ 0 + 2 \sin(y) \times \sin(x) + \sin^2(x) \times \sin^2(y) & = & \dfrac{9}{16}\end{array} \right.
Ce qui nous permet d'obtenir :
S2:{sin(x)+sin(y)=1(sin(y)×sin(x))2+2sin(y)×sin(x)=916S_2 : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} \sin(x) + \sin(y) & = & 1 \\ (\sin(y) \times \sin(x))^2 + 2 \sin(y) \times \sin(x) & = & \dfrac{9}{16}\end{array} \right.
De manière équivalente :
S2:{sin(x)+sin(y)=1(sin(y)×sin(x))2+2sin(y)×sin(x)916=0S_2 : \,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} \sin(x) + \sin(y) & = & 1 \\ (\sin(y) \times \sin(x))^2 + 2 \sin(y) \times \sin(x) - \dfrac{9}{16} & = & 0 \end{array} \right.
En posant P=sin(y)×sin(x)P = \sin(y) \times \sin(x), la seconde équation devient :
P2+2P916=0Δ=254>0P=14ouA=94P^2+2P - \dfrac{9}{16} = 0 \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, \Delta = \dfrac{25}{4} > 0 \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, P = \dfrac{1}{4} \,\,\, \text{ou} \,\,\, A = -\dfrac{9}{4}
Or, on sait que :
{0sin(x)10sin(y)1\left\lbrace \begin{array}{crclc} 0 & \leqslant & \sin(x) & \leqslant & 1 \\ 0 & \leqslant & \sin(y) & \leqslant & 1 \end{array} \right.
Ce qui implique que P=sin(y)×sin(x)>0P = \sin(y) \times \sin(x) > 0. Donc, de fait, on en déduit qu'il nous faut retenir uniquement le résultat suivant :
P=sin(y)×sin(x)=14P = \sin(y) \times \sin(x) = \dfrac{1}{4}
On a alors le système suivant :
{sin(x)+sin(y)=1sin(x)×sin(y)=14\left\lbrace \begin{array}{rcl} \sin(x) + \sin(y) & = & 1 \\ \sin(x) \times \sin(y) & = & \dfrac{1}{4} \end{array} \right.
En notant P=sin(x)×sin(y)P = \sin(x) \times \sin(y) et S=sin(x)+sin(y)\mathcal{S} = \sin(x) + \sin(y), on constate que :
{S=1P=14\left\lbrace \begin{array}{rcl} \mathcal{S} & = & 1 \\ P & = & \dfrac{1}{4} \end{array} \right.
Ainsi, d'après la théorie des polynômes du second degré, on sait que sin(x)\sin(x) et sin(y)\sin(y) sont les solutions de l'équation (polynomiale du second degré) suivante :
X2SX+P=0X21X+14=0X2X+14=0X22X12+(12)2=0X^2 - \mathcal{S}X + P = 0 \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, X^2 - 1X + \dfrac{1}{4} = 0 \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, X^2 - X + \dfrac{1}{4} = 0 \,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\, X^2 - 2X\dfrac{1}{2} + \left(\dfrac{1}{2}\right)^2 = 0
Ce qui nous donne directement :
(X12)2=0\left(X - \dfrac{1}{2}\right)^2 = 0
Donc :
X12X - \dfrac{1}{2}
Ce qui implique que :
sin(x)=sin(y)=12\sin(x) = \sin(y) = \dfrac{1}{2}
On en déduit alors que :
{cos(x)=1(12)2etcos(y)=1(12)2ou{cos(x)=1(12)2etcos(y)=1(12)2\left\lbrace \begin{array}{rcr} \cos(x) & = & \sqrt{1 - \left( \dfrac{1}{2} \right)^2} \\ & \text{et} & \\ \cos(y) & = & - \sqrt{1 - \left( \dfrac{1}{2} \right)^2} \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\, \text{ou} \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcr} \cos(x) & = & -\sqrt{1 - \left( \dfrac{1}{2} \right)^2} \\ & \text{et} & \\ \cos(y) & = & \sqrt{1 - \left( \dfrac{1}{2} \right)^2} \\ \end{array} \right.
Soit :
{cos(x)=32etcos(y)=32ou{cos(x)=32etcos(y)=32\left\lbrace \begin{array}{rcr} \cos(x) & = & \dfrac{\sqrt{3}}{2} \\ & \text{et} & \\ \cos(y) & = & - \dfrac{\sqrt{3}}{2} \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\, \text{ou} \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcr} \cos(x) & = & -\dfrac{\sqrt{3}}{2} \\ & \text{et} & \\ \cos(y) & = & \dfrac{\sqrt{3}}{2} \\ \end{array} \right.
On a alors les couples trigonométriques suivants :
({cos(x)=32etsin(x)=12et{cos(y)=32etsin(y)=12)ou({cos(x)=32etsin(x)=12et{cos(y)=32etsin(y)=12)\left( \left\lbrace \begin{array}{rcr} \cos(x) & = & \dfrac{\sqrt{3}}{2} \\ & \text{et} & \\ \sin(x) & = & \dfrac{1}{2} \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\, \text{et} \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcr} \cos(y) & = & -\dfrac{\sqrt{3}}{2} \\ & \text{et} & \\ \sin(y) & = & \dfrac{1}{2} \\ \end{array} \right. \right) \,\,\,\,\, \text{ou} \,\,\,\,\, \left( \left\lbrace \begin{array}{rcr} \cos(x) & = & -\dfrac{\sqrt{3}}{2} \\ & \text{et} & \\ \sin(x) & = & \dfrac{1}{2} \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\, \text{et} \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcr} \cos(y) & = & \dfrac{\sqrt{3}}{2} \\ & \text{et} & \\ \sin(y) & = & \dfrac{1}{2} \\ \end{array} \right. \right)
Finalement, les couples solutions (x;y)(x\,;\,y) recherchés pour le système SS, initialement proposé, sont donc donnés par :
{x=π6+k2πety=5π6+k2πou{x=5π6+k2πety=π6+k2π(kZ){\color{red}{\boxed{\left\lbrace \begin{array}{rcr} x & = & \dfrac{\pi}{6} + k2\pi \\ & \text{et} & \\ y & = & \dfrac{5\pi}{6} + k2\pi \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\, \text{ou} \,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcr} x & = & \dfrac{5\pi}{6} + k2\pi \\ & \text{et} & \\ y & = & \dfrac{\pi}{6} + k2\pi \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\,\, (k \in \mathbb{Z})}}}