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Sciences · Mathématiques

Les fonctions sinus et cosinus

Les fonctions sinus et cosinus associent à tout réel x les nombres sin x et cos x du cercle trigonométrique. Elles sont 2π-périodiques et à valeurs dans [−1 ; 1].

Mis à jour le 3 min de lecture

Les fonctions trigonométriques sont étudiées en première (définition et courbes) et en terminale spécialité (dérivées, limites, équations). Elles modélisent tous les phénomènes périodiques : ondes sonores, courant alternatif, marées, mouvement d’un pendule, saisons. Elles prolongent le cercle trigonométrique.

Les propriétés en un tableau

PropriétéSinusCosinus
Ensemble de définitionℝℝ
Valeurs[−1 ; 1][−1 ; 1]
Période2π2π
Paritéimpaire : sin(−x) = −sin xpaire : cos(−x) = cos x
Valeur en 001
Dérivéecos x−sin x

La périodicité

sin(x + 2π) = sin x et cos(x + 2π) = cos x pour tout réel x. Il suffit d’étudier les fonctions sur un intervalle de longueur 2π, par exemple [−π ; π], puis de reproduire la courbe par translation. Grâce à la parité, on peut même se limiter à [0 ; π].

Les courbes : sinusoïdes

La courbe de sinus passe par (0 ; 0), monte jusqu’à (π/2 ; 1), redescend à (π ; 0), atteint (3π/2 ; −1) et revient à (2π ; 0). Elle est symétrique par rapport à l’origine.

La courbe de cosinus a la même forme, décalée : cos x = sin(x + π/2). Elle passe par (0 ; 1), (π/2 ; 0), (π ; −1). Elle est symétrique par rapport à l’axe des ordonnées.

Variations sur [0 ; π]

FonctionSur [0 ; π/2]Sur [π/2 ; π]
sin xcroissante, de 0 à 1décroissante, de 1 à 0
cos xdécroissante, de 1 à 0décroissante, de 0 à −1

Sinus est croissante sur [0 ; π/2] puis décroissante sur [π/2 ; π] ; cosinus est décroissante sur tout [0 ; π]. Voir le tableau de variations.

Les dérivées (terminale)

  • (sin x)′ = cos x et (cos x)′ = −sin x, à condition que x soit en radians.
  • Avec une composée : (sin(ax + b))′ = a cos(ax + b) et (cos(ax + b))′ = −a sin(ax + b).
  • Limite remarquable : sin x / x tend vers 1 quand x tend vers 0. C’est le nombre dérivé de sinus en 0.

Les fonctions sinusoïdales

En physique, on écrit f(t) = A sin(ωt + φ) :

  • A est l’amplitude (valeurs entre −A et A) ;
  • ω la pulsation, liée à la période par T = 2π / ω ;
  • φ la phase à l’origine.

Exemple : le courant du secteur en France a une fréquence de 50 Hz, donc une période de 0,02 s et une pulsation ω = 100π rad/s.

Résoudre une équation trigonométrique

sin x = 1/2 sur ℝ. Sur [0 ; 2π[, les solutions sont π/6 et π − π/6 = 5π/6. Sur ℝ : x = π/6 + 2kπ ou x = 5π/6 + 2kπ, avec k entier relatif.

Règle générale : sin x = sin a équivaut à x = a + 2kπ ou x = π − a + 2kπ ; cos x = cos a équivaut à x = a + 2kπ ou x = −a + 2kπ.

Erreurs fréquentes

  • Dériver en degrés : les formules de dérivation n’ont de sens qu’en radians.
  • Oublier le signe moins de (cos x)′ = −sin x.
  • Ne donner qu’une solution sur une période.
  • Confondre période et amplitude dans A sin(ωt).
  • Croire que sin x peut valoir 2 : ses valeurs sont dans [−1 ; 1].

Exercice corrigé

  1. Période de f(x) = sin(3x) : 2π/3.
  2. Dérivée de g(x) = cos(2x + 1) : −2 sin(2x + 1).
  3. Dérivée de h(x) = x sin x : sin x + x cos x.
  4. Résoudre cos x = 0 sur [0 ; 2π[ : π/2 et 3π/2.
  5. Valeurs extrêmes de 5 cos x − 2 : entre −7 et 3.

Questions fréquentes

Quelle est la période des fonctions sinus et cosinus ?

2π : leurs courbes se répètent identiques tous les 2π. La fonction sin(ωx) a pour période 2π/ω.

Pourquoi cosinus est-elle paire ?

Parce que les points du cercle associés à x et −x sont symétriques par rapport à l’axe des abscisses : ils ont la même abscisse, donc le même cosinus.

Quelle est la dérivée de sinus ?

(sin x)′ = cos x. Et (cos x)′ = −sin x. Dériver quatre fois sinus redonne sinus.

Quelle différence entre sinus et sinusoïde ?

Le sinus est un nombre (ou la fonction) ; une sinusoïde est une courbe de la forme y = A sin(ωx + φ), qui décrit une oscillation régulière.

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