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Première Spé Maths / Chapitre 6 : Trigonométrie

Trigonométrie : le cours

Une roue tourne, l'aiguille d'une horloge avance, un point décrit un cercle : pour repérer sa position, il faut un angle. Ce chapitre t'apprend à mesurer les angles avec une unité plus maligne que le degré, puis à repérer un point d'un cercle avec le cosinus et le sinus.

En Seconde, tu les as utilisés dans un triangle rectangle, avec des angles entre 0°0° et 90°90°. Ici, on va plus loin : on les définit pour tout nombre réel, grâce au cercle trigonométrique.

Dans tout le cours, tu verras des astuces 💡, des pièges ⚠️ et un peu d'humour 😄.

🎯 Au programme de ce chapitre

  • le radian et la longueur d'arc ;
  • le cercle trigonométrique, l'enroulement de la droite et l'image d'un nombre réel ;
  • le cosinus et le sinus d'un réel, et leur lien avec le triangle rectangle ;
  • les valeurs remarquables, avec la démonstration de cos⁡π4\cos\dfrac{\pi}{4}, sin⁡π4\sin\dfrac{\pi}{4}, cos⁡π3\cos\dfrac{\pi}{3}, sin⁡π3\sin\dfrac{\pi}{3} ;
  • les angles associés, lus sur le cercle ;
  • un algorithme : l'approximation de π\pi par la méthode d'Archimède.

🎯 Comment utiliser ce cours

  • Lis une partie, puis fais tout de suite la fiche correspondante.
  • Retiens le fil rouge : cos⁡x\cos x est l'abscisse, sin⁡x\sin x est l'ordonnée du point du cercle repéré par xx.
  • Pour les valeurs à connaître, dessine le cercle plutôt que d'apprendre par cœur : les symétries font le travail.

1. Radian et longueur d'arc

Sur un cercle de rayon RR, la longueur d'un arc est proportionnelle à l'angle au centre qui l'intercepte. Tu le sais depuis le collège avec les degrés : l'angle plein, 360°360°, intercepte le cercle entier, de longueur 2πR2\pi R. On choisit maintenant une unité d'angle taillée sur mesure pour cette proportionnalité : le radian.

Définition. Sur un cercle de rayon RR, un angle au centre mesure 11 radian (noté 11 rad) lorsqu'il intercepte un arc de longueur RR.

Par proportionnalité, un angle de mesure α\alpha radians intercepte un arc de longueur

ℓ=R α\ell=R\,\alpha

Le cercle entier (arc de longueur 2πR2\pi R) correspond donc à α=2π\alpha=2\pi radians :

360°=2π raddonc180°=π rad360° = 2\pi \text{ rad} \qquad\text{donc}\qquad 180° = \pi \text{ rad}
OAB1 radRRarc AB de longueur R
Un angle de 1 radian intercepte un arc AB de longueur R
Angle au centre (rad)11α\alpha2π2\pi
Longueur de l'arc RR R αR\,\alpha 2πR2\pi R

Sur le cercle trigonométrique (rayon R=1R=1), on a simplement ℓ=α\ell=\alpha : la mesure en radians d'un angle est la longueur de l'arc qu'il intercepte.

Conversion. Les degrés et les radians sont proportionnels (180°↔π180°\leftrightarrow\pi). Pour passer des degrés aux radians, on multiplie par π180\dfrac{\pi}{180}. Pour passer des radians aux degrés, on multiplie par 180π\dfrac{180}{\pi}.

Degrés0°0°30°30°45°45°60°60°90°90°180°180°360°360°
Radians 00 π6\dfrac{\pi}{6} π4\dfrac{\pi}{4} π3\dfrac{\pi}{3} π2\dfrac{\pi}{2} π\pi 2π2\pi

Exemples. Sur un cercle de rayon 55 cm, un angle de 2π3\dfrac{2\pi}{3} rad intercepte un arc de longueur ℓ=5×2π3=10π3≈10,5\ell=5\times\dfrac{2\pi}{3}=\dfrac{10\pi}{3}\approx10{,}5 cm. Sur un cercle de rayon 66 cm, un arc de 44 cm correspond à un angle de α=ℓR=46=23\alpha=\dfrac{\ell}{R}=\dfrac{4}{6}=\dfrac23 rad.

⚠️ Pièges :

  • Une calculatrice réglée en degrés donne des résultats faux avec des radians. Vérifie le mode avant de calculer.
  • On n'écrit pas « π=180\pi=180 » : on écrit « π\pi rad =180°=180° ».
  • La formule ℓ=R α\ell=R\,\alpha n'est valable que si α\alpha est en radians. Si l'angle est donné en degrés, convertis d'abord.
  • Quand on écrit sin⁡x\sin x sans unité, xx est en radians.

😄 Un angle de 9090 radians, c'est un peu plus de quatorze tours : de quoi donner le tournis à n'importe quel manège.

2. Cercle trigonométrique et enroulement de la droite

Définition. Dans un repère orthonormé (O ; I,J)(O\,;\,I,J), le cercle trigonométrique est le cercle de centre OO et de rayon 11, orienté dans le sens direct (sens inverse des aiguilles d'une montre). On note I′(−1 ; 0)I'(-1\,;\,0) et J′(0 ; −1)J'(0\,;\,-1) les points diamétralement opposés à II et JJ.

Imagine la droite des réels, graduée, tangente au cercle en II (le 00 de la droite est posé sur II, la partie positive part vers le haut). On enroule cette droite sur le cercle, sans que les graduations glissent : la partie positive s'enroule dans le sens direct, la partie négative dans le sens indirect.

−10123M(1)M(2)M(3)M(−1)droite des réelsI
Enroulement de la droite des réels sur le cercle trigonométrique

Définition. Au réel xx correspond un point M(x)M(x) du cercle, appelé image du réel xx : c'est le point atteint en partant de II et en parcourant sur le cercle une longueur ∣x∣|x|,

  • dans le sens direct si x⩾0x\geqslant0 ;
  • dans le sens indirect si x<0x<0.

Comme le rayon vaut 11, la longueur ∣x∣|x| de l'arc IM(x)⌢\overset{\frown}{IM(x)} est aussi la mesure en radians de l'angle IOM(x)^\widehat{IOM(x)} : retrouve le lien avec la partie 1.

Points à connaître : M(0)=IM(0)=I, M(π2)=JM\left(\dfrac{\pi}{2}\right)=J, M(π)=I′M(\pi)=I', M(3π2)=J′M\left(\dfrac{3\pi}{2}\right)=J', M(2π)=IM(2\pi)=I (un tour complet).

Propriété. Un tour complet mesure 2π2\pi. Donc pour tout réel xx et tout entier relatif kk,

M(x+2kπ)=M(x)M(x+2k\pi)=M(x)

Réciproquement, deux réels ont la même image si et seulement si leur différence est un multiple entier de 2π2\pi.

Méthode pour placer M(x)M(x).

  1. Écris xx sous la forme d'un multiple de π6\dfrac{\pi}{6} ou de π4\dfrac{\pi}{4} (dénominateur commun).
  2. Ajoute ou retranche des 2π2\pi pour te ramener dans [0 ; 2π[[0\,;\,2\pi[ (ou dans ]−π ; π]]-\pi\,;\,\pi] si c'est plus commode) : c'est un outil de calcul, pas une notion à apprendre.
  3. Place le point avec les angles du cercle (voir la figure ci-dessous).

Exemples.

  • 7π3=π3+2π\dfrac{7\pi}{3}=\dfrac{\pi}{3}+2\pi : un tour complet puis π3\dfrac{\pi}{3}. Donc M(7π3)=M(π3)M\left(\dfrac{7\pi}{3}\right)=M\left(\dfrac{\pi}{3}\right).
  • −11π4+4π=5π4-\dfrac{11\pi}{4}+4\pi=\dfrac{5\pi}{4} : on a retranché deux tours en sens indirect. Donc M(−11π4)=M(5π4)M\left(-\dfrac{11\pi}{4}\right)=M\left(\dfrac{5\pi}{4}\right), point du troisième quadrant situé sur la droite y=xy=x.
  • 25π6−4π=π6\dfrac{25\pi}{6}-4\pi=\dfrac{\pi}{6}, donc M(25π6)=M(π6)M\left(\dfrac{25\pi}{6}\right)=M\left(\dfrac{\pi}{6}\right).

💡 Astuce. Pour travailler avec le même dénominateur, écris 2π=12π6=8π4=6π32\pi=\dfrac{12\pi}{6}=\dfrac{8\pi}{4}=\dfrac{6\pi}{3}. Pour un grand réel comme x=100x=100 (à la calculatrice), compte combien de fois 2π≈6,282\pi\approx6{,}28 « rentre » dans xx, puis regarde le reste.

0π/6π/4π/3π/22π/33π/45π/6π7π/65π/44π/33π/25π/37π/411π/6cossin
Le cercle trigonométrique : les points remarquables et leurs réels, en radians

3. Cosinus et sinus d'un réel

Définition. Soit M(x)M(x) l'image du réel xx sur le cercle trigonométrique.

  • cos⁡x\cos x est l'abscisse de M(x)M(x) ;
  • sin⁡x\sin x est l'ordonnée de M(x)M(x).

Donc M(x)=(cos⁡x ; sin⁡x)M(x)=\big(\cos x\,;\,\sin x\big).

Lien avec le triangle rectangle

Prenons x∈]0 ; π2[x\in\left]0\,;\,\dfrac{\pi}{2}\right[. Le point M(x)M(x) est dans le premier quadrant. Soit HH son projeté orthogonal sur (OI)(OI) : le triangle OHMOHM est rectangle en HH, et son hypoténuse est [OM][OM], de longueur 11.

OHM(x)IxOH = cos xHM = sin xOM = 1
Le triangle OHM, rectangle en H, avec x dans ]0 ; π/2[

Dans ce triangle, l'angle HOM^\widehat{HOM} mesure xx radians, le côté adjacent OHOH vaut l'abscisse de M(x)M(x), et le côté opposé HMHM vaut son ordonnée :

OHOM=cos⁡x1=cos⁡xetHMOM=sin⁡x1=sin⁡x\frac{OH}{OM}=\frac{\cos x}{1}=\cos x \qquad\text{et}\qquad \frac{HM}{OM}=\frac{\sin x}{1}=\sin x

On retrouve exactement les définitions de Seconde : cos⁡x=coˆteˊ adjacenthypoteˊnuse\cos x=\dfrac{\text{côté adjacent}}{\text{hypoténuse}} et sin⁡x=coˆteˊ opposeˊhypoteˊnuse\sin x=\dfrac{\text{côté opposé}}{\text{hypoténuse}}. Pour un triangle rectangle quelconque ayant un angle aigu de mesure xx, le triangle est semblable à OHMOHM : les rapports sont les mêmes.

Propriétés. Pour tout réel xx :

  • −1⩽cos⁡x⩽1-1\leqslant\cos x\leqslant 1 et −1⩽sin⁡x⩽1-1\leqslant\sin x\leqslant 1 (les coordonnées d'un point du cercle de rayon 11) ;
  • cos⁡2x+sin⁡2x=1\cos^2x+\sin^2x=1 (le point M(x)M(x) est à la distance 11 de OO, et le repère est orthonormé) ;
  • cos⁡(x+2kπ)=cos⁡x\cos(x+2k\pi)=\cos x et sin⁡(x+2kπ)=sin⁡x\sin(x+2k\pi)=\sin x pour tout entier relatif kk (car M(x+2kπ)=M(x)M(x+2k\pi)=M(x)).

Exemple. Si cos⁡x=35\cos x=\dfrac35 et x∈[0 ; π]x\in[0\,;\,\pi], alors sin⁡2x=1−925=1625\sin^2x=1-\dfrac{9}{25}=\dfrac{16}{25}. Sur [0 ; π][0\,;\,\pi], le point M(x)M(x) est dans le demi-plan supérieur, donc sin⁡x⩾0\sin x\geqslant0 : sin⁡x=45\sin x=\dfrac45.

⚠️ Pièges :

  • cos⁡2x\cos^2x signifie (cos⁡x)2(\cos x)^2, pas cos⁡(x2)\cos(x^2).
  • cos⁡2x+sin⁡2x=1\cos^2x+\sin^2x=1, mais cos⁡x+sin⁡x≠1\cos x+\sin x\neq 1 en général (en π4\dfrac{\pi}{4}, la somme vaut 2\sqrt2).
  • En résolvant sin⁡2x=1625\sin^2x=\dfrac{16}{25}, il y a deux valeurs de sin⁡x\sin x : on choisit avec le signe donné par la position de M(x)M(x).
  • Le lien avec le triangle rectangle ne vaut que pour un angle aigu : pour les autres réels, on lit le cercle.

😄 Un cosinus de 1,21{,}2, c'est un pourcentage de réussite de 120120 % : ça n'existe que dans les copies.

4. Valeurs remarquables

Valeurs remarquables à connaître.

xx00π6\dfrac{\pi}{6}π4\dfrac{\pi}{4}π3\dfrac{\pi}{3}π2\dfrac{\pi}{2}
cos⁡x\cos x 11 32\dfrac{\sqrt3}{2} 22\dfrac{\sqrt2}{2} 12\dfrac12 00
sin⁡x\sin x 00 12\dfrac12 22\dfrac{\sqrt2}{2} 32\dfrac{\sqrt3}{2} 11

Et pour les quatre points II, JJ, I′I', J′J' :

xx00π2\dfrac{\pi}{2}π\pi3π2\dfrac{3\pi}{2}2π2\pi
point II JJ I′I' J′J' II
cos⁡x\cos x 11 00 −1-1 00 11
sin⁡x\sin x 00 11 00 −1-1 00
I(1 ; 0)M(π/6)(√3/2 ; 1/2)M(π/4)(√2/2 ; √2/2)M(π/3)(1/2 ; √3/2)J(0 ; 1)O
Le premier quadrant : points remarquables et coordonnées

💡 Astuce pour ne jamais se tromper. Pour le sinus, retiens la suite 02,12,22,32,42\dfrac{\sqrt0}{2},\dfrac{\sqrt1}{2},\dfrac{\sqrt2}{2},\dfrac{\sqrt3}{2},\dfrac{\sqrt4}{2}, soit 0, 12, 22, 32, 10,\ \dfrac12,\ \dfrac{\sqrt2}{2},\ \dfrac{\sqrt3}{2},\ 1. Pour le cosinus, lis la même suite à l'envers.

Démonstration au programme : cos⁡\cos et sin⁡\sin de π4\dfrac{\pi}{4} et de π3\dfrac{\pi}{3}

On utilise le lien avec le triangle rectangle de la partie 3 : dans un triangle rectangle d'angle aigu xx, cos⁡x=adjacenthypoteˊnuse\cos x=\dfrac{\text{adjacent}}{\text{hypoténuse}} et sin⁡x=opposeˊhypoteˊnuse\sin x=\dfrac{\text{opposé}}{\text{hypoténuse}}.

Cas de π4\dfrac{\pi}{4} (un carré). Soit ABCDABCD un carré de côté 11.

ABCD11AC = √2π/4
Un carré ABCD de côté 1 et sa diagonale [AC]
  • Le triangle ABCABC est rectangle en BB avec AB=BC=1AB=BC=1. D'après le théorème de Pythagore, AC2=12+12=2AC^2=1^2+1^2=2, donc AC=2AC=\sqrt2.
  • Le triangle ABCABC est isocèle en BB : ses angles en AA et en CC sont égaux, et leur somme vaut π−π2=π2\pi-\dfrac{\pi}{2}=\dfrac{\pi}{2}. Donc BAC^=π4\widehat{BAC}=\dfrac{\pi}{4}.
  • Dans le triangle ABCABC, le côté adjacent à l'angle BAC^\widehat{BAC} est AB=1AB=1, le côté opposé est BC=1BC=1, l'hypoténuse est AC=2AC=\sqrt2. Donc
cos⁡π4=ABAC=12=22etsin⁡π4=BCAC=12=22.\cos\frac{\pi}{4}=\frac{AB}{AC}=\frac{1}{\sqrt2}=\frac{\sqrt2}{2} \qquad\text{et}\qquad \sin\frac{\pi}{4}=\frac{BC}{AC}=\frac{1}{\sqrt2}=\frac{\sqrt2}{2}.

Cas de π3\dfrac{\pi}{3} (un triangle équilatéral). Soit ABCABC un triangle équilatéral de côté 22 et HH le milieu de [BC][BC].

BCAH11AB = 2AH = √3π/3π/6
Un triangle équilatéral ABC de côté 2 et sa hauteur [AH]
  • Les trois angles d'un triangle équilatéral valent π3\dfrac{\pi}{3} : ABH^=π3\widehat{ABH}=\dfrac{\pi}{3}. La médiane [AH][AH] est aussi une hauteur et une bissectrice : le triangle ABHABH est rectangle en HH et BAH^=π6\widehat{BAH}=\dfrac{\pi}{6}.
  • On a AB=2AB=2 et BH=1BH=1. D'après le théorème de Pythagore, AH2=22−12=3AH^2=2^2-1^2=3, donc AH=3AH=\sqrt3.
  • Pour l'angle ABH^=π3\widehat{ABH}=\dfrac{\pi}{3}, le côté adjacent est BH=1BH=1, le côté opposé est AH=3AH=\sqrt3 et l'hypoténuse est AB=2AB=2. Donc
cos⁡π3=BHAB=12etsin⁡π3=AHAB=32.\cos\frac{\pi}{3}=\frac{BH}{AB}=\frac12 \qquad\text{et}\qquad \sin\frac{\pi}{3}=\frac{AH}{AB}=\frac{\sqrt3}{2}.

Et π6\dfrac{\pi}{6} ? Pour l'angle BAH^=π6\widehat{BAH}=\dfrac{\pi}{6} du même triangle, le côté adjacent est AH=3AH=\sqrt3 et le côté opposé est BH=1BH=1 :

cos⁡π6=AHAB=32etsin⁡π6=BHAB=12.\cos\frac{\pi}{6}=\frac{AH}{AB}=\frac{\sqrt3}{2} \qquad\text{et}\qquad \sin\frac{\pi}{6}=\frac{BH}{AB}=\frac12.

💡 Une autre preuve pour π4\dfrac{\pi}{4}, directement sur le cercle. Le point M(π4)M\left(\dfrac{\pi}{4}\right) est sur la bissectrice de l'angle IOJ^\widehat{IOJ}, c'est-à-dire sur la droite y=xy=x : son abscisse et son ordonnée sont égales, cos⁡π4=sin⁡π4=c\cos\dfrac{\pi}{4}=\sin\dfrac{\pi}{4}=c. Comme cos⁡2+sin⁡2=1\cos^2+\sin^2=1, on a 2c2=12c^2=1, et c>0c>0 donc c=12=22c=\dfrac{1}{\sqrt2}=\dfrac{\sqrt2}{2}.

5. Angles associés

Les angles associés à xx sont les réels −x-x, π−x\pi-x, π+x\pi+x et π2−x\dfrac{\pi}{2}-x. Leurs images sont les symétriques de M(x)M(x) par rapport à un axe, à OO ou à la droite y=xy=x : on lit donc leurs coordonnées sur le cercle.

y = xM(x)M(π − x)M(π + x)M(−x)M(π/2 − x)O
M(x) et ses symétriques : M(−x), M(π − x), M(π + x), M(π/2 − x)

Propriétés. Pour tout réel xx :

Image du réelSymétrique de M(x)M(x) par rapport àCosinusSinus
M(−x)M(-x) l'axe des abscisses (OI)(OI) cos⁡(−x)=cos⁡x\cos(-x)=\cos x sin⁡(−x)=−sin⁡x\sin(-x)=-\sin x
M(π−x)M(\pi-x) l'axe des ordonnées (OJ)(OJ) cos⁡(π−x)=−cos⁡x\cos(\pi-x)=-\cos x sin⁡(π−x)=sin⁡x\sin(\pi-x)=\sin x
M(π+x)M(\pi+x) le point OO cos⁡(π+x)=−cos⁡x\cos(\pi+x)=-\cos x sin⁡(π+x)=−sin⁡x\sin(\pi+x)=-\sin x
M(π2−x)M\left(\dfrac{\pi}{2}-x\right) la droite y=xy=x cos⁡(π2−x)=sin⁡x\cos\left(\dfrac{\pi}{2}-x\right)=\sin x sin⁡(π2−x)=cos⁡x\sin\left(\dfrac{\pi}{2}-x\right)=\cos x

Pourquoi ces symétries ? Si M(x)=(a ; b)M(x)=(a\,;\,b), ses symétriques ont pour coordonnées (a ; −b)(a\,;\,-b) par rapport à (OI)(OI), (−a ; b)(-a\,;\,b) par rapport à (OJ)(OJ), (−a ; −b)(-a\,;\,-b) par rapport à OO et (b ; a)(b\,;\,a) par rapport à y=xy=x. Il reste à voir que ces symétriques sont bien les images annoncées :

  • M(−x)M(-x) est atteint en parcourant la même longueur ∣x∣|x| dans le sens opposé : c'est le symétrique de M(x)M(x) par rapport à (OI)(OI).
  • M(π+x)M(\pi+x) est atteint en faisant un demi-tour de plus que M(x)M(x) : c'est l'image de M(x)M(x) par la symétrie centrale de centre OO.
  • M(π−x)=M(π+(−x))M(\pi-x)=M(\pi+(-x)) est le symétrique de M(−x)M(-x) par rapport à OO, donc le symétrique de M(x)M(x) par rapport à (OJ)(OJ) (composée de deux symétries axiales d'axes perpendiculaires).
  • La symétrie par rapport à y=xy=x échange II et J=M(π2)J=M\left(\dfrac{\pi}{2}\right) et change le sens de parcours : l'arc de longueur xx issu de II est transformé en l'arc de longueur xx issu de JJ dans le sens indirect, donc en M(π2−x)M\left(\dfrac{\pi}{2}-x\right).

Méthode : « placer, nommer la symétrie, lire le signe ».

  1. Ramène le réel à un tour (enroulement) puis écris-le sous la forme π−x\pi-x, π+x\pi+x ou −x-x avec xx remarquable.
  2. Nomme la symétrie (ou la formule) utilisée.
  3. Contrôle le signe avec le quadrant où se trouve le point.

Exemples.

  • cos⁡5π6=cos⁡(π−π6)=−cos⁡π6=−32\cos\dfrac{5\pi}{6}=\cos\left(\pi-\dfrac{\pi}{6}\right)=-\cos\dfrac{\pi}{6}=-\dfrac{\sqrt3}{2} (point du deuxième quadrant : abscisse négative).
  • sin⁡7π6=sin⁡(π+π6)=−sin⁡π6=−12\sin\dfrac{7\pi}{6}=\sin\left(\pi+\dfrac{\pi}{6}\right)=-\sin\dfrac{\pi}{6}=-\dfrac12 (troisième quadrant : ordonnée négative).
  • cos⁡13π3=cos⁡(π3+4π)=cos⁡π3=12\cos\dfrac{13\pi}{3}=\cos\left(\dfrac{\pi}{3}+4\pi\right)=\cos\dfrac{\pi}{3}=\dfrac12 (deux tours complets).
  • sin⁡(−π4)=−sin⁡π4=−22\sin\left(-\dfrac{\pi}{4}\right)=-\sin\dfrac{\pi}{4}=-\dfrac{\sqrt2}{2}.

⚠️ Pièges :

  • cos⁡(−x)=cos⁡x\cos(-x)=\cos x mais sin⁡(−x)=−sin⁡x\sin(-x)=-\sin x : ne confonds pas les deux.
  • cos⁡(π−x)=−cos⁡x\cos(\pi-x)=-\cos x et sin⁡(π−x)=+sin⁡x\sin(\pi-x)=+\sin x : seul le cosinus change de signe.
  • cos⁡(2x)\cos(2x) n'est pas 2cos⁡x2\cos x : pour x=0x=0, on aurait 1=21=2.
  • Ne devine pas le signe : regarde dans quel quadrant tombe le point.

😄 Un cosinus qui change de signe sans raison, c'est un correcteur qui retire un point. Nomme ta symétrie, il te le rendra.

6. Algorithme : approximer π\pi avec la méthode d'Archimède

Le cercle trigonométrique a pour périmètre 2π2\pi. Pour approcher π\pi, on inscrit dans ce cercle des polygones réguliers ayant de plus en plus de côtés : leur périmètre se rapproche de celui du cercle.

Notons cnc_n le côté du polygone régulier à nn côtés inscrit dans le cercle de rayon 11. Chaque côté est une corde plus courte que l'arc qu'il sous-tend, donc le périmètre n cnn\,c_n est inférieur à 2π2\pi (on l'admet) :

n cn2<π.\frac{n\,c_n}{2}<\pi.

Point de départ : l'hexagone. Si AA et BB sont deux sommets consécutifs de l'hexagone régulier, l'angle AOB^\widehat{AOB} vaut 2π6=π3\dfrac{2\pi}{6}=\dfrac{\pi}{3}. Le triangle OABOAB est isocèle en OO avec un angle au sommet de π3\dfrac{\pi}{3} : il est équilatéral, donc c6=1c_6=1 et le demi-périmètre vaut 6×12=3\dfrac{6\times1}{2}=3.

Passer de nn à 2n2n côtés. Soit [AB][AB] un côté du polygone à nn côtés, de longueur cnc_n, et MM le milieu de l'arc ABAB. Alors [AM][AM] est un côté du polygone à 2n2n côtés.

OABHMcₙ1c₂ₙ
Archimède : A et B voisins dans le polygone à n côtés, M milieu de l'arc AB
  • Comme OA=OBOA=OB et MA=MBMA=MB, les points OO et MM sont sur la médiatrice de [AB][AB]. Cette droite coupe [AB][AB] en son milieu HH, perpendiculairement.
  • Dans le triangle OHAOHA rectangle en HH : OH2=OA2−AH2=1−cn24OH^2=OA^2-AH^2=1-\dfrac{c_n^2}{4}, donc OH=1−cn24OH=\sqrt{1-\dfrac{c_n^2}{4}}. Puis HM=OM−OH=1−OHHM=OM-OH=1-OH.
  • Dans le triangle AHMAHM rectangle en HH :
c2n2=AM2=AH2+HM2=cn24+(1−OH)2=cn24+1−2 OH+OH2.c_{2n}^2=AM^2=AH^2+HM^2=\frac{c_n^2}{4}+(1-OH)^2=\frac{c_n^2}{4}+1-2\,OH+OH^2.

Comme OH2=1−cn24OH^2=1-\dfrac{c_n^2}{4}, les termes en cn2c_n^2 s'annulent : c2n2=2−2 OH=2−21−cn24c_{2n}^2=2-2\,OH=2-2\sqrt{1-\dfrac{c_n^2}{4}}. On rentre le 22 sous la racine (2u=4u2\sqrt{u}=\sqrt{4u}) :

Relation d'Archimède.

c2n2=2−4−cn2soitc2n=2−4−cn2.c_{2n}^2=2-\sqrt{4-c_n^2}\qquad\text{soit}\qquad c_{2n}=\sqrt{2-\sqrt{4-c_n^2}}.

Vérification. Avec c6=1c_6=1 : c122=2−3c_{12}^2=2-\sqrt3, donc c12≈0,5176c_{12}\approx0{,}5176 et le demi-périmètre du dodécagone vaut 12×0,51762≈3,1058\dfrac{12\times0{,}5176}{2}\approx3{,}1058. On a bien gagné sur l'hexagone (33).

L'algorithme. On part de l'hexagone et on double le nombre de côtés à chaque étape. En langage naturel (le symbole ←\leftarrow désigne l'affectation) :

c ← 1
n ← 6
Pour k allant de 1 à 6 :
    c ← √(2 − √(4 − c²))
    n ← 2 × n
    Afficher n et n × c / 2

En Python :

from math import sqrt

c = 1.0              # côté de l'hexagone inscrit dans le cercle de rayon 1
n = 6                # nombre de côtés
for etape in range(6):
    c = sqrt(2 - sqrt(4 - c * c))   # côté du polygone à 2n côtés
    n = 2 * n
    print(n, n * c / 2)             # demi-périmètre : un minorant de pi
Nombre de côtés nn1212242448489696192192384384
Demi-périmètre n cn2\dfrac{n\,c_n}{2} (arrondi à 10−410^{-4}) 3,10583{,}1058 3,13263{,}1326 3,13943{,}1394 3,14103{,}1410 3,14153{,}1415 3,14163{,}1416

Les valeurs croissent et restent inférieures à π≈3,14159\pi\approx3{,}14159 : ce sont des minorants de π\pi de plus en plus précis. Remarque importante : l'algorithme n'utilise ni sinus, ni cosinus, ni la valeur de π\pi, seulement des racines carrées.

⚠️ Pièges :

  • Le demi-périmètre n cn2\dfrac{n\,c_n}{2} donne un minorant de π\pi, pas un encadrement : il n'y a pas de borne supérieure sans polygones circonscrits.
  • Ne confonds pas cnc_n (côté) et n cnn\,c_n (périmètre), ni c2nc_{2n} (côté du polygone à 2n2n côtés) et 2cn2c_n.
  • Dans le programme, mets le carré dans la racine : sqrt(4 - c * c), pas sqrt(4 - c) * c.

📜 Histoire des mathématiques : la trigonométrie chez les Anciens

La trigonométrie a été utilisée chez les Anciens dans des problèmes de natures diverses : géométrie, géographie, astronomie. Elle reposait alors sur la fonction corde, d'un maniement bien moins facile que les fonctions sinus et cosinus d'aujourd'hui.

La corde d'un angle au centre α\alpha est la longueur de la corde [AB][AB] qu'il intercepte dans un cercle de rayon 11. Dans ce langage, les côtés des polygones d'Archimède sont des cordes. Avec nos notations, la corde de l'angle α∈]0 ; π[\alpha\in]0\,;\,\pi[ vaut 2sin⁡α22\sin\dfrac{\alpha}{2} : le triangle OHAOHA de la figure précédente est rectangle en HH, d'hypoténuse OA=1OA=1, d'angle α2\dfrac{\alpha}{2} en OO, donc AH=sin⁡α2AH=\sin\dfrac{\alpha}{2} et AB=2AHAB=2AH. La relation d'Archimède est donc une formule qui passe de la corde d'un angle à celle de l'angle moitié.

Non exigible : cet encart est de la culture mathématique.

🎯 À retenir

  • ℓ=R α\ell=R\,\alpha avec α\alpha en radians ; π rad=180°\pi\text{ rad}=180°.
  • M(x)=M(x+2kπ)M(x)=M(x+2k\pi) ; M(x)=(cos⁡x ; sin⁡x)M(x)=(\cos x\,;\,\sin x) ; cos⁡2x+sin⁡2x=1\cos^2x+\sin^2x=1.
  • Le tableau des valeurs remarquables et les quatre points II, JJ, I′I', J′J'.
  • Les angles associés : −x-x, π−x\pi-x, π+x\pi+x, π2−x\dfrac{\pi}{2}-x, lus par symétrie sur le cercle.
  • La démonstration de cos⁡\cos et sin⁡\sin de π4\dfrac{\pi}{4} (carré) et de π3\dfrac{\pi}{3} (triangle équilatéral).
  • L'algorithme d'Archimède : c2n2=2−4−cn2c_{2n}^2=2-\sqrt{4-c_n^2}.

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