Rappeler les rapports trigonométriques dans le triangle rectangle (cosinus, sinus, tangente)
Découvrir le cercle trigonométrique et la mesure en radians
Connaître les valeurs remarquables de cos et sin pour 0, \(\frac{\pi}{6}\), \(\frac{\pi}{4}\), \(\frac{\pi}{3}\), \(\frac{\pi}{2}\)
Utiliser la relation fondamentale \(\cos^2 x + \sin^2 x = 1\)
Calculer un côté ou un angle dans un triangle rectangle
Appliquer la trigonométrie à des situations professionnelles et quotidiennes
Situation professionnelle — Menuisier agenceur
Un menuisier doit installer une rampe d'accès inclinée à 30° sur une hauteur de 1,5 m. Pour commander la bonne longueur de bois, il doit calculer la longueur de la rampe (l'hypoténuse du triangle rectangle formé). La trigonométrie est l'outil mathématique qui permet ce type de calcul à partir d'un angle et d'un seul côté connu.
1. Rappels — Le triangle rectangle
En classe de 3ème et de Seconde, vous avez découvert les rapports trigonométriques dans un triangle rectangle. Ce chapitre reprend ces notions et les prolonge avec le cercle trigonométrique.
DéfinitionTriangle rectangle :
Un triangle rectangle est un triangle qui possède un angle droit (90°). Le côté le plus long, situé en face de l'angle droit, s'appelle l'hypoténuse.
AttentionBien identifier les côtés :
L'hypoténuse est toujours le côté en face de l'angle droit. C'est le plus long côté.
Le côté opposé à un angle est le côté qui ne touche pas cet angle.
Le côté adjacent à un angle est le côté qui touche cet angle (et qui n'est pas l'hypoténuse).
Les notions d'« opposé » et d'« adjacent » changent selon l'angle considéré.
2. Cosinus, sinus et tangente dans le triangle rectangle
DéfinitionRapports trigonométriques :
Dans un triangle rectangle, pour un angle aigu \(\alpha\) :
\(\cos \alpha = \dfrac{\text{côté adjacent à } \alpha}{\text{hypoténuse}}\)
\(\sin \alpha = \dfrac{\text{côté opposé à } \alpha}{\text{hypoténuse}}\)
\(\tan \alpha = \dfrac{\text{côté opposé à } \alpha}{\text{côté adjacent à } \alpha}\)
Dans un triangle rectangle, l'angle aigu \(\alpha\) vérifie \(\sin \alpha = 0{,}6\). Calculer \(\cos \alpha\) à l'aide de la relation fondamentale \(\cos^2 \alpha + \sin^2 \alpha = 1\), puis vérifier avec la calculatrice.
Certains angles reviennent très souvent dans les calculs. Il est utile de connaître leurs valeurs trigonométriques exactes.
Angle \(\alpha\)
0°
30°
45°
60°
90°
Radians
\(0\)
\(\dfrac{\pi}{6}\)
\(\dfrac{\pi}{4}\)
\(\dfrac{\pi}{3}\)
\(\dfrac{\pi}{2}\)
\(\cos \alpha\)
\(1\)
\(\dfrac{\sqrt{3}}{2} \approx 0{,}87\)
\(\dfrac{\sqrt{2}}{2} \approx 0{,}71\)
\(\dfrac{1}{2} = 0{,}5\)
\(0\)
\(\sin \alpha\)
\(0\)
\(\dfrac{1}{2} = 0{,}5\)
\(\dfrac{\sqrt{2}}{2} \approx 0{,}71\)
\(\dfrac{\sqrt{3}}{2} \approx 0{,}87\)
\(1\)
\(\tan \alpha\)
\(0\)
\(\dfrac{\sqrt{3}}{3} \approx 0{,}58\)
\(1\)
\(\sqrt{3} \approx 1{,}73\)
non définie
AttentionAstuce pour retenir les valeurs de sinus :
Les valeurs de \(\sin\) pour 0°, 30°, 45°, 60°, 90° suivent le schéma :
\[\frac{\sqrt{0}}{2},\quad \frac{\sqrt{1}}{2},\quad \frac{\sqrt{2}}{2},\quad \frac{\sqrt{3}}{2},\quad \frac{\sqrt{4}}{2}\]
Et les valeurs de \(\cos\) sont les mêmes, mais dans l'ordre inverse.
Exemple — Vérification de la relation fondamentale
DéfinitionLe radian :
Le radian est une unité de mesure d'angle. Un angle de 1 radian correspond à un arc de cercle dont la longueur est égale au rayon du cercle.
MéthodeConvertir des degrés en radians et inversement :
1
Degrés → Radians : multiplier par \(\dfrac{\pi}{180}\).
Exemple : \(60° = 60 \times \dfrac{\pi}{180} = \dfrac{\pi}{3}\) rad.
2
Radians → Degrés : multiplier par \(\dfrac{180}{\pi}\).
Exemple : \(\dfrac{\pi}{4}\) rad \(= \dfrac{\pi}{4} \times \dfrac{180}{\pi} = 45°\).
DéfinitionLe cercle trigonométrique :
Le cercle trigonométrique est un cercle de rayon 1, centré à l'origine d'un repère orthonormé. On l'utilise pour définir le cosinus et le sinus de tout nombre réel \(x\).
On « enroule » la droite des réels autour du cercle à partir du point \(I(1\,;\,0)\) :
Le sens positif est le sens inverse des aiguilles d'une montre (sens trigonométrique).
Le point \(M\), image du réel \(x\), a pour coordonnées \((\cos x\,;\,\sin x)\).
PropriétéCosinus et sinus sur le cercle trigonométrique :
Le point \(M\), image du réel \(x\) sur le cercle trigonométrique, a pour coordonnées :
\[M(\cos x\,;\, \sin x)\]
\(\cos x\) est l'abscisse (projection sur l'axe horizontal).
\(\sin x\) est l'ordonnée (projection sur l'axe vertical).
PropriétéEncadrement de cos et sin :
Pour tout réel \(x\) :
\[-1 \leqslant \cos x \leqslant 1 \qquad \text{et} \qquad -1 \leqslant \sin x \leqslant 1\]
6. Angles associés
Le cercle trigonométrique permet de relier les cosinus et sinus d'angles qui ont des positions symétriques.
PropriétéAngles supplémentaires : \(\pi - x\) et \(x\) (symétriques par rapport à l'axe des ordonnées)
\[\cos(\pi - x) = -\cos x \qquad \sin(\pi - x) = \sin x\]
Angles opposés : \(-x\) et \(x\) (symétriques par rapport à l'axe des abscisses)
\[\cos(-x) = \cos x \qquad \sin(-x) = -\sin x\]
Angles complémentaires : \(\frac{\pi}{2} - x\) et \(x\)
\[\cos\!\left(\frac{\pi}{2} - x\right) = \sin x \qquad \sin\!\left(\frac{\pi}{2} - x\right) = \cos x\]
Exemple — Utilisation des angles associés
Calculer \(\cos(120°)\) et \(\sin(120°)\) à l'aide des valeurs de 60°.
On a \(120° = 180° - 60°\), donc ce sont des angles supplémentaires :
MéthodeCalculer un côté connaissant un angle et un autre côté :
1
Repérer l'angle connu et identifier les côtés : hypoténuse, opposé, adjacent.
2
Choisir le rapport trigonométrique qui relie le côté cherché au côté connu (cos, sin ou tan).
3
Écrire l'équation et isoler l'inconnue.
4
Calculer à la calculatrice (vérifier qu'elle est en mode degrés).
Exemple — Calculer un côté (situation professionnelle)
Un menuisier agenceur doit installer une étagère en diagonale dans un placard. L'étagère fait un angle de 35° avec l'horizontale. Le placard mesure 80 cm de large. Quelle est la longueur de l'étagère ?
Résolution :
Par rapport à l'angle de 35° : le côté de 80 cm est le côté adjacent, et l'étagère est l'hypoténuse.
Identifier les deux côtés connus par rapport à l'angle cherché.
2
Choisir le rapport trigonométrique adapté.
3
Calculer la valeur du rapport (un nombre entre -1 et 1 pour cos et sin).
4
Utiliser la touche inverse de la calculatrice : \(\cos^{-1}\) (ou arccos), \(\sin^{-1}\) (ou arcsin), \(\tan^{-1}\) (ou arctan).
Exemple — Calculer un angle (pente d'un toit)
Un charpentier construit un toit dont la charpente mesure 5 m de long (suivant la pente) et s'élève de 2 m par rapport à l'horizontale. Quel est l'angle d'inclinaison du toit ?
Résolution :
Par rapport à \(\alpha\) : le côté de 2 m est le côté opposé, et le côté de 5 m est l'hypoténuse.
L'angle d'inclinaison du toit est d'environ 23,6°.
AttentionErreurs fréquentes avec la calculatrice :
Mode degrés/radians : vérifiez toujours que votre calculatrice est en mode DEG (degrés) et non RAD (radians) quand vous travaillez en degrés. Un affichage « RAD » ou « R » en haut de l'écran signale le mode radian.
Touches inverses : ne confondez pas \(\sin(30°) = 0{,}5\) (calcul direct) et \(\sin^{-1}(0{,}5) = 30°\) (calcul inverse). La touche inverse est souvent obtenue avec 2nde ou SHIFT.
Arrondi : ne pas arrondir les résultats intermédiaires. Arrondir uniquement le résultat final.
Application
Un menuisier installe une rampe d'accès pour PMR (personnes à mobilité réduite). La rampe fait un angle de 8° avec le sol. La longueur de la rampe est de 3,5 m. Calculer la hauteur \(h\) que cette rampe permet de gravir.
La hauteur est le côté opposé à l'angle de 8°, et la rampe est l'hypoténuse.
\(\sin(8°) = \dfrac{h}{3{,}5}\), donc \(h = 3{,}5 \times \sin(8°) = 3{,}5 \times 0{,}1392 \approx 0{,}49\) m.
La rampe permet de gravir environ 49 cm de hauteur.
Application
Un technicien d'agencement mesure qu'une cloison fait un angle inconnu \(\beta\) avec le sol. Le pied de la cloison est à 1,2 m du mur et la cloison mesure 2,8 m de long. Calculer l'angle \(\beta\) en degrés.
Le côté adjacent est 1,2 m et l'hypoténuse est 2,8 m. On utilise le cosinus :
Situation professionnelle 1 — Calcul d'un escalier
Un artisan menuisier conçoit un escalier droit. L'escalier doit gravir une hauteur de 2,80 m avec un angle d'inclinaison de 38° par rapport au sol. Quelle longueur au sol (le reculement) faut-il prévoir ?
Il faut prévoir environ 3,58 m de reculement au sol.
Situation professionnelle 2 — Inclinaison d'un panneau solaire
Un installateur thermique pose un panneau solaire sur un toit plat. Le support mesure 40 cm de haut à l'arrière, et le panneau mesure 1,60 m de long. Quel est l'angle d'inclinaison du panneau par rapport à l'horizontale ?
Résolution
Par rapport à \(\alpha\) : la hauteur (0,40 m) est le côté opposé, le panneau (1,60 m) est l'hypoténuse.
Remarque : on exprime souvent la pente en pourcentage : \(\frac{200}{800} \times 100 = 25\,\%\). Une pente de 25 % correspond à un angle d'environ 14°.
9. La fonction sinus
Le programme de Première introduit la fonction sinus, qui modélise de nombreux phénomènes périodiques (courant alternatif, ondes sonores, marées, etc.).
DéfinitionLa fonction sinus :
La fonction sinus est la fonction \(f\) définie sur \(\mathbb{R}\) par \(f(x) = \sin x\).
Sa courbe représentative est construite point par point à partir de l'enroulement de la droite des réels sur le cercle trigonométrique : pour chaque valeur de \(x\), on lit l'ordonnée du point correspondant sur le cercle.
PropriétéPériodicité de la fonction sinus :
La fonction sinus est périodique de période \(2\pi\), c'est-à-dire :
\[\sin(x + 2\pi) = \sin x \quad \text{pour tout réel } x\]
La courbe se répète à l'identique tous les \(2\pi\) (soit 360°).
PropriétéCaractéristiques de la fonction sinus :
La fonction sinus est définie sur \(\mathbb{R}\).
Elle prend ses valeurs entre \(-1\) et \(1\) : l'amplitude est 1.
Elle est impaire : \(\sin(-x) = -\sin x\). Sa courbe est symétrique par rapport à l'origine.
DéfinitionLa fonction cosinus :
La fonction cosinus est la fonction \(g\) définie sur \(\mathbb{R}\) par \(g(x) = \cos x\).
Pour chaque valeur de \(x\), on lit l'abscisse du point correspondant sur le cercle trigonométrique.
PropriétéCaractéristiques de la fonction cosinus :
La fonction cosinus est périodique de période \(2\pi\).
Elle prend ses valeurs entre \(-1\) et \(1\).
Elle est paire : \(\cos(-x) = \cos x\). Sa courbe est symétrique par rapport à l'axe des ordonnées.
PropriétéLien entre sinus et cosinus :
La courbe du cosinus est obtenue par translation de la courbe du sinus :
\[\cos x = \sin\!\left(x + \frac{\pi}{2}\right)\]
Autrement dit, la courbe du cosinus est la courbe du sinus « décalée de \(\frac{\pi}{2}\) vers la gauche ».
11. Utilisation de la relation fondamentale
MéthodeTrouver sin connaissant cos (ou inversement) :
1
Écrire la relation fondamentale : \(\cos^2 x + \sin^2 x = 1\).
2
Remplacer la valeur connue et isoler l'inconnue.
3
Prendre la racine carrée. Attention : il y a deux solutions possibles (positive et négative). On choisit le signe grâce au cadran dans lequel se trouve l'angle.
Exemple — Trouver sin connaissant cos
On sait que \(\cos x = 0{,}6\) et que \(x \in \left[0\,;\,\frac{\pi}{2}\right]\) (premier quadrant). Calculer \(\sin x\).
Étape 1 :
\[\cos^2 x + \sin^2 x = 1\]
Étape 2 :
\[(0{,}6)^2 + \sin^2 x = 1 \quad \Longrightarrow \quad 0{,}36 + \sin^2 x = 1 \quad \Longrightarrow \quad \sin^2 x = 0{,}64\]
Étape 3 :
\[\sin x = \sqrt{0{,}64} = 0{,}8\]
(On prend la valeur positive car \(x\) est dans le premier quadrant, où le sinus est positif.)
12. Tableau récapitulatif — Quelle formule utiliser ?
Ce tableau vous aide à choisir le bon rapport trigonométrique en fonction des informations dont vous disposez.
Je connais
Je cherche
J'utilise
Formule
angle + hypoténuse
côté adjacent
cosinus
\(\text{adj} = \text{hyp} \times \cos \alpha\)
angle + hypoténuse
côté opposé
sinus
\(\text{opp} = \text{hyp} \times \sin \alpha\)
angle + côté adjacent
côté opposé
tangente
\(\text{opp} = \text{adj} \times \tan \alpha\)
angle + côté adjacent
hypoténuse
cosinus
\(\text{hyp} = \dfrac{\text{adj}}{\cos \alpha}\)
angle + côté opposé
hypoténuse
sinus
\(\text{hyp} = \dfrac{\text{opp}}{\sin \alpha}\)
angle + côté opposé
côté adjacent
tangente
\(\text{adj} = \dfrac{\text{opp}}{\tan \alpha}\)
2 côtés
angle
fonction inverse
\(\alpha = \cos^{-1}, \sin^{-1}\) ou \(\tan^{-1}\)
13. Application complète
Situation professionnelle — Fabrication d'un meuble d'angle
Un menuisier agenceur doit fabriquer un meuble d'angle pour une cuisine. Le meuble occupe un coin à 90° et sa façade en diagonale mesure 60 cm. L'angle entre la façade et le mur de droite est de 55°.
Le menuisier doit calculer :
la profondeur du meuble le long du mur de droite ;
la profondeur du meuble le long du mur de gauche ;
vérifier ses résultats avec le théorème de Pythagore.
Résolution complète
1. Profondeur le long du mur de droite (côté adjacent à 55°) :
Le radian est une unité d'angle : \(180° = \pi\) rad.
Le cercle trigonométrique (rayon 1) donne \(\cos x\) (abscisse) et \(\sin x\) (ordonnée).
Valeurs remarquables à connaître : 0°, 30°, 45°, 60°, 90°.
Pour trouver un côté : choisir le bon rapport, écrire l'équation, isoler l'inconnue.
Pour trouver un angle : calculer le rapport puis utiliser la touche inverse (\(\cos^{-1}\), \(\sin^{-1}\), \(\tan^{-1}\)).
Les fonctions sinus et cosinus sont périodiques de période \(2\pi\) et prennent des valeurs entre \(-1\) et \(1\).
14. Erreurs fréquentes
❌
Inverser les côtés opposé et adjacent
Le côté opposé à l'angle \(\alpha\) est en face de cet angle ; le côté adjacent est à côté de l'angle (mais différent de l'hypoténuse). Se tromper entraîne l'utilisation du mauvais rapport. Conseil : identifier d'abord l'hypoténuse (face à l'angle droit), puis les côtés opposé et adjacent par rapport à l'angle donné.
❌
Calculatrice en mode RAD au lieu de DEG
Travailler avec une calculatrice en mode radians quand on calcule en degrés donne des résultats totalement faux. Par exemple, \(\sin(30)\) en mode RAD donne 0,988 au lieu de 0,5. Conseil : toujours vérifier le mode de la calculatrice avant tout calcul trigonométrique. Changer via le menu ou la touche DRG/MODE.
❌
Confondre \(\sin^{-1}\) et \(\frac{1}{\sin}\)
La notation \(\sin^{-1}(\ldots)\) désigne la fonction arcsinus (inverse de sin), pas l'inverse multiplicatif \(\frac{1}{\sin(\ldots)}\). Conseil : pour trouver un angle, utiliser la touche \(\sin^{-1}\) (ou ASIN/arcsin) de la calculatrice, pas \(1/\sin\).
❌
Arrondir les valeurs intermédiaires
Arrondir à chaque étape accumule des erreurs et peut donner un résultat final incorrect. Par exemple, arrondir \(\sin(35°) = 0{,}57\) au lieu de \(0{,}5736\) introduit une erreur. Conseil : conserver toutes les décimales sur la calculatrice jusqu'à la toute dernière étape, puis arrondir uniquement le résultat final.