Première spécialité · Chapitre 2

Trigonométrie

Du triangle rectangle au cercle trigonométrique : comprendre l’enroulement de la droite numérique, le radian, puis lire géométriquement le cosinus et le sinus d’un réel.

Introduction

À quoi sert la trigonométrie aujourd’hui ?

Au collège, la trigonométrie a surtout été utilisée pour étudier les relations entre longueurs et angles dans un triangle rectangle. Mais son domaine d’application est beaucoup plus vaste : dès qu’un phénomène fait intervenir des angles, des directions, des rotations ou des phénomènes périodiques, la trigonométrie devient un outil naturel.

🧭 Se repérer, mesurer, construire

En navigation et en orientation, elle permet de relier une direction à une position. En génie civil et en architecture, elle intervient pour déterminer des distances, des pentes, des hauteurs et des angles sans nécessairement pouvoir les mesurer directement.

🔬 Décrire le monde physique

En physique et en optique, de nombreux phénomènes oscillatoires ou ondulatoires se décrivent à l’aide de la trigonométrie. Elle apparaît également en chimie pour étudier certaines géométries et orientations.

🎵 Son, images et numérique

La musique et le traitement du son font intervenir des oscillations. Les jeux vidéo, l’imagerie et la modélisation utilisent constamment angles et rotations pour déplacer un objet, orienter une caméra ou représenter une scène.

📊 Des applications parfois inattendues

On rencontre aussi des outils trigonométriques en mathématiques, en psychologie dans certains traitements de données, ou encore dans l’étude de signaux et de modèles utilisés sur les marchés financiers.

🔎 Des métiers à découvrir. La trigonométrie n’est pas seulement un chapitre de mathématiques : elle se retrouve derrière de nombreux métiers scientifiques et techniques. Découvre par exemple le métier de géomètre-topographe, où l’on mesure et représente le terrain, ou explore les métiers liés à l’acoustique, dans lesquels angles, ondes et signaux occupent une place importante. Tu peux aussi rechercher les métiers de l’astronomie, de l’aéronautique, de l’imagerie ou du jeu vidéo et repérer où interviennent angles, rotations et coordonnées.
👩‍🔬 Des femmes de science à découvrir. Katherine Johnson, mathématicienne à la NASA, a notamment travaillé sur les trajectoires des missions spatiales américaines : géométrie, angles, orbites et calculs de trajectoire étaient au cœur de son travail. Sophie Germain, mathématicienne française, a quant à elle mené des travaux importants sur les vibrations et l’élasticité, des domaines où l’étude des phénomènes oscillatoires conduit naturellement aux outils trigonométriques. Ces portraits sont là pour aller plus loin : ils ne sont pas à apprendre pour le cours.
L’idée de ce chapitre. Jusqu’ici, un angle était surtout associé à un triangle. Nous allons changer de point de vue : une droite numérique va s’enrouler autour d’un cercle. Un nombre réel pourra alors désigner un point du cercle. C’est ce passage de la droite au cercle qui permettra de donner un sens géométrique au radian, puis au cosinus et au sinus d’un réel.
Fil rouge : à chaque étape, cherche à faire le lien entre les trois représentations : le nombre sur la droite → le point sur le cercle → l’écriture algébrique.
Réactivation

1. Avant de commencer

Dans un triangle rectangle, complète les trois rapports :

\(\sin(\alpha)=\) ; \(\cos(\alpha)=\) ; \(\tan(\alpha)=\) .

Mémo : SOH – CAH – TOA. Au lycée, on va donner un sens à \(\cos(x)\) et \(\sin(x)\) pour n’importe quel réel \(x\), grâce au cercle trigonométrique.
Idée centrale

2. Cercle trigonométrique et radian

Définition. Le cercle trigonométrique est le cercle de centre \(O\), de rayon , orienté dans le sens , c’est-à-dire dans le sens inverse des aiguilles d’une montre.

Le sens direct correspond aux mesures positives ; le sens opposé aux mesures négatives.

QCM flash. À partir du point \(I(1;0)\), un quart de tour dans le sens direct conduit :

Angle orienté

Contrairement à un angle géométrique, un angle orienté tient compte du sens de rotation. Ainsi, un même point du cercle peut être atteint après plusieurs tours.

Énigme 1

Je pars de \(I\), je fais exactement un tour complet dans le sens direct et je reviens à \(I\). Quelle longueur ai-je parcourue sur un cercle de rayon 1 ?

La longueur du cercle vaut \(2\pi R\). Ici \(R=1\).

L’enroulement de la droite numérique autour du cercle

C’est le passage essentiel : on imagine la droite numérique tangente au cercle en \(I\), puis on l’enroule autour du cercle. À chaque réel \(x\) correspond alors un point du cercle.

Animation GeoGebra intégrée : déplace le point sur la droite et observe son image sur le cercle.

Le radian. Un radian est la mesure d’un angle au centre qui intercepte, sur un cercle, un arc dont la longueur est égale au rayon. Sur le cercle trigonométrique, rayon et arc ont donc la même mesure numérique.
Degrés\(0^\circ\)\(30^\circ\)\(45^\circ\)\(60^\circ\)\(90^\circ\)\(180^\circ\)\(360^\circ\)
Radians\(0\)\(\frac{\pi}{6}\)\(\frac{\pi}{4}\)\(\frac{\pi}{3}\)\(\frac{\pi}{2}\)\(\pi\)\(2\pi\)
À toi. Complète : \(270^\circ=\) rad et \(-90^\circ=\) rad.
Plusieurs mesures, un même point. Si \(x\) est une mesure d’un angle, alors \(x+2k\pi\), avec \(k\in\mathbb Z\), en est aussi une. L’unique mesure appartenant à \(]-\pi;\pi]\) est appelée mesure principale.

Énigme 2 — même point ou pas ?

Sans calculatrice : les réels \(\frac{\pi}{3}\) et \(\frac{13\pi}{3}\) ont-ils le même point image sur le cercle ?

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Lecture graphique. Sur la droite, \(\frac{13\pi}{3}\) est situé quatre longueurs \(\pi\) plus loin que \(\frac{\pi}{3}\). Lorsqu'on enroule la droite, une longueur \(2\pi\) fait exactement un tour complet. Après deux tours supplémentaires, on retombe donc sur le même point.
Traduction algébrique. Le dessin conduit au calcul : \[\frac{13\pi}{3}-\frac{\pi}{3}=\frac{12\pi}{3}=4\pi=2\times2\pi.\] Autrement dit, \(\frac{13\pi}{3}=\frac{\pi}{3}+2\times2\pi\). Le « \(2k\pi\) » de la formule représente graphiquement un nombre entier de tours.
Oui. Les deux réels diffèrent de \(4\pi\), soit deux tours complets. Ils ont donc le même point image. Plus généralement, \(x\) et \(x+2k\pi\), avec \(k\in\mathbb Z\), ont le même point image.
Lecture graphique

3. Cosinus et sinus d’un réel

Définition. Soit \(x\in\mathbb R\) et \(M\) le point du cercle trigonométrique associé à \(x\). Le cosinus de \(x\) est l’abscisse de \(M\), et le sinus de \(x\) est son ordonnée. Ainsi : \[M\big(\cos(x)\,;\,\sin(x)\big).\]

Manipule le point \(M\)

60° · ≈ 1,047 rad

Abscisse : 0,500 → \(\cos(x)\)

Ordonnée : 0,866 → \(\sin(x)\)

Les projections de \(M\) sur les axes rendent visibles le cosinus et le sinus. Ici on étudie des valeurs, pas les fonctions trigonométriques.

Conséquences graphiques.
Pour tout \(x\in\mathbb R\), \(-1\leqslant\cos(x)\leqslant1\) et \(-1\leqslant\sin(x)\leqslant1\).
Identité fondamentale.
Comme \(M\) appartient au cercle de rayon 1 : \[\cos^2(x)+\sin^2(x)=1.\]
QCM graphique. Si \(M\) est dans le deuxième quadrant, quels signes ont ses coordonnées ?
À connaître

4. Valeurs remarquables

Les valeurs de \(\cos(x)\) et \(\sin(x)\) pour \(0\), \(\frac\pi6\), \(\frac\pi4\), \(\frac\pi3\) et \(\frac\pi2\) sont à connaître par cœur. Mais le cercle permet surtout de les retrouver.

Voir les valeurs sur le cercle

Chaque résultat est accompagné de son point-image et de ses projections : l’abscisse donne le cosinus, l’ordonnée donne le sinus.

\(x=\frac{\pi}{6}\)\(\cos x=\frac{\sqrt3}{2}\), \(\sin x=\frac12\)
\(x=\frac{\pi}{4}\)\(\cos x=\frac{\sqrt2}{2}\), \(\sin x=\frac{\sqrt2}{2}\)
\(x=\frac{\pi}{3}\)\(\cos x=\frac12\), \(\sin x=\frac{\sqrt3}{2}\)
\(x\)\(0\)\(\frac\pi6\)\(\frac\pi4\)\(\frac\pi3\)\(\frac\pi2\)
\(\cos(x)\)\(1\)\(\frac{\sqrt3}{2}\)\(\frac{\sqrt2}{2}\)\(\frac12\)\(0\)
\(\sin(x)\)\(0\)\(\frac12\)\(\frac{\sqrt2}{2}\)\(\frac{\sqrt3}{2}\)\(1\)

Défi — reconstruire plutôt que réciter

On sait que \(\sin\left(\frac\pi6\right)=\frac12\) et que le point correspondant est dans le premier quadrant. Retrouve \(\cos\left(\frac\pi6\right)\) avec l’identité fondamentale.

\(\cos^2\left(\frac\pi6\right)+\frac14=1\), donc \(\cos^2\left(\frac\pi6\right)=\frac34\). Dans le premier quadrant le cosinus est positif, donc \(\cos\left(\frac\pi6\right)=\frac{\sqrt3}{2}\).
QCM minute. \(\sin\left(\frac{\pi}{3}\right)=\) ?
Symétries

5. Angles associés

Les formules ne sont pas des recettes isolées : elles se lisent sur le cercle par symétrie.

\(x\) et \(-x\)Même abscisse, ordonnées opposées.
\(x\) et \(\pi-x\)Abscisses opposées, même ordonnée.
\(x\) et \(\pi+x\)Abscisses et ordonnées opposées.
Symétrie par rapport à l’axe des abscisses :
\[\cos(-x)=\cos(x),\qquad \sin(-x)=-\sin(x).\]
Symétrie par rapport à l’axe des ordonnées :
\[\cos(\pi-x)=-\cos(x),\qquad \sin(\pi-x)=\sin(x).\]
Symétrie centrale de centre \(O\) : \[\cos(\pi+x)=-\cos(x),\qquad \sin(\pi+x)=-\sin(x).\]

Énigme 3

Sans calculatrice, détermine \(\cos\left(\frac{5\pi}{6}\right)\) et \(\sin\left(\frac{5\pi}{6}\right)\).

Comme \(\frac{5\pi}{6}=\pi-\frac\pi6\), on obtient \(\cos\left(\frac{5\pi}{6}\right)=-\frac{\sqrt3}{2}\) et \(\sin\left(\frac{5\pi}{6}\right)=\frac12\).
Complément

6. Tangente

Définition. Pour tout réel \(x\) tel que \(\cos(x)\neq0\), \[\tan(x)=\frac{\sin(x)}{\cos(x)}.\]

Géométriquement, la tangente se relie à la droite tangente au cercle en \(I\). Les valeurs remarquables de tangente ne sont pas à retenir par cœur dans ce chapitre.

Question flash. Pourquoi \(\tan\left(\frac\pi2\right)\) n’est-elle pas définie ?
Parce que \(\cos\left(\frac\pi2\right)=0\) : le quotient \(\frac{\sin(x)}{\cos(x)}\) aurait un dénominateur nul.
Application

7. Résoudre une équation trigonométrique

Méthode graphique. Pour résoudre par exemple \(\cos(x)=\frac12\) : 1) tracer ou imaginer le cercle ; 2) chercher les points dont l’abscisse vaut \(\frac12\) ; 3) lire les angles correspondants ; 4) adapter les solutions à l’ensemble demandé.

Exemple

La droite verticale \(x=\frac12\) coupe le cercle en deux points : on lit immédiatement les deux angles.

Sur le cercle, l’abscisse \(\frac12\) correspond aux angles \(\frac\pi3\) et \(-\frac\pi3\) modulo \(2\pi\).

Dans \(]-\pi;\pi]\) : \[x=-\frac\pi3\quad\text{ou}\quad x=\frac\pi3.\]

Dans \(\mathbb R\) : \[x=2k\pi\pm\frac\pi3,\quad k\in\mathbb Z.\]

À toi

Résous dans \(]-\pi;\pi]\) : \(\sin(x)=\frac{\sqrt2}{2}\).

L’ordonnée vaut \(\frac{\sqrt2}{2}\) dans les quadrants I et II : \(x=\frac\pi4\) ou \(x=\frac{3\pi}{4}\).
Auto-évaluation

8. Bilan du chapitre

1. Le point associé à \(2\pi\) est le même que celui associé à 0.
2. Si \(M\) est le point associé à \(x\), son ordonnée est :
3. \(\cos(-x)\) vaut :
4. \(\cos^2(x)+\sin^2(x)=\) :