Premier problème classique avant le devoir sur table - Exercice 1

40 min
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Soit xx un nombre réel. On pose f(x)=arcsin⁡(x1+x2)f(x) = \arcsin\left( \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right).
Question 1

Déterminer l'ensemble de définition DfD_f.

Correction
La fonction f:x⟼f(x)=arcsin⁡(x1+x2)f : x \longmapsto f(x) = \arcsin\left( \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right) existe si :
−1⩽x1+x2⩽1-1 \leqslant \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \leqslant 1
Soit :
−1+x2⩽x⩽1+x2-\sqrt{1+x^2} \leqslant x \leqslant \sqrt{1+x^2}
Cette double inégalité est vérifiée pour tout les nombres réels xx. Donc, on en déduit que la fonction ff existe sur R\mathbb{R} tout entier. Donc :
Df=RD_f = \mathbb{R}
Question 2

Déterminer, par dérivation, une expression simplifiée de ff.

Correction
La fonction arcsin⁡\arcsin n'est pas dérivable en ±1\pm 1.
Mais le terme x1+x2\dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} est toujours différents de ±1\pm 1.
Donc la fonction ff est dérivable sur l'intervalle R\mathbb{R}.
On a alors :
∀x∈R,  f′(x)=(arcsin⁡(x1+x2))′\forall x \in \mathbb{R}, \,\, f'(x) = \left( \arcsin\left( \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right) \right)'
Soit :
∀x∈R,  f′(x)=(x1+x2)′×11−(x1+x2)2\forall x \in \mathbb{R}, \,\, f'(x) = \left( \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right)' \times \dfrac{1}{\sqrt{1-\left( \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right)^2}}
Soit encore :
∀x∈R,  f′(x)=x′1+x2−x(1+x2)′(1+x2)2×11−x21+x2\forall x \in \mathbb{R}, \,\, f'(x) = \dfrac{x'\sqrt{1+x^2} - x \left( \sqrt{1+x^2} \right)'}{\left( \sqrt{1+x^2} \right)^2} \times \dfrac{1}{\sqrt{1- \dfrac{x^2}{1+x^2} }}
Ce qui nous donne :
∀x∈R,  f′(x)=11+x2−x(1+x2)′21+x21+x2×11+x21+x2−x21+x2\forall x \in \mathbb{R}, \,\, f'(x) = \dfrac{1\sqrt{1+x^2} - x \dfrac{(1+x^2)'}{2\sqrt{1+x^2}} }{1+x^2} \times \dfrac{1}{\sqrt{ \dfrac{1+x^2}{1+x^2} - \dfrac{x^2}{1+x^2} }}
On obtient donc :
∀x∈R,  f′(x)=1+x2−x2x21+x21+x2×11+x2−x21+x2\forall x \in \mathbb{R}, \,\, f'(x) = \dfrac{\sqrt{1+x^2} - x \dfrac{2x}{2\sqrt{1+x^2}} }{1+x^2} \times \dfrac{1}{\sqrt{ \dfrac{1+x^2-x^2}{1+x^2} }}
D'où :
∀x∈R,  f′(x)=1+x2−x21+x21+x2×111+x2\forall x \in \mathbb{R}, \,\, f'(x) = \dfrac{\sqrt{1+x^2} - \dfrac{x^2}{\sqrt{1+x^2}} }{1+x^2} \times \dfrac{1}{\sqrt{ \dfrac{1}{1+x^2} }}
Ceci prend également la forme suivante :
∀x∈R,  f′(x)=1+x21+x2−x21+x2(1+x2)2×1+x2\forall x \in \mathbb{R}, \,\, f'(x) = \dfrac{ \dfrac{1+x^2}{\sqrt{1+x^2}} - \dfrac{x^2}{\sqrt{1+x^2}} }{\left(\sqrt{1+x^2} \right)^2} \times \sqrt{1+x^2}
En regroupant les termes :
∀x∈R,  f′(x)=1+x2−x21+x2(1+x2)2×1+x2\forall x \in \mathbb{R}, \,\, f'(x) = \dfrac{ \dfrac{1+x^2-x^2}{\sqrt{1+x^2}} }{\left(\sqrt{1+x^2} \right)^2} \times \sqrt{1+x^2}
Puis en simplifiant :
∀x∈R,  f′(x)=11+x21+x2\forall x \in \mathbb{R}, \,\, f'(x) = \dfrac{ \dfrac{1}{\sqrt{1+x^2}} }{\sqrt{1+x^2} }
D'où
∀x∈R,  f′(x)=11+x21+x2\forall x \in \mathbb{R}, \,\, f'(x) = \dfrac{1}{\sqrt{1+x^2}\sqrt{1+x^2}}
Finalement, on trouve que :
∀x∈R,  f′(x)=11+x2\forall x \in \mathbb{R}, \,\, f'(x) = \dfrac{1}{1+x^2}
Nous allons donc pouvoir écrire que :
∀x∈R,  f′(x)=(arctan⁡(x))′\forall x \in \mathbb{R}, \,\, f'(x) = \left( \arctan(x) \right)'
Ainsi, avec K∈RK \in \mathbb{R}, on en déduit immédiatement que :
∀x∈R,  f(x)=arctan⁡(x)+K\forall x \in \mathbb{R}, \,\, f(x) = \arctan(x) + K
Qui s'écrit aussi sous la forme :
∀x∈R,  arcsin⁡(x1+x2)=arctan⁡(x)+K\forall x \in \mathbb{R}, \,\, \arcsin\left( \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right) = \arctan(x) + K
Posons maintenant x=0∈Rx = 0 \in \mathbb{R}. On a alors :
arcsin⁡(01+02)=arctan⁡(0)+K   ⟺   arcsin⁡(0)=arctan⁡(0)+K   ⟺   0=0+K   ⟺   0=K\arcsin\left( \dfrac{0}{\sqrt{1+0^2}} \right) = \arctan(0) + K \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \arcsin(0) = \arctan(0) + K \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 = 0 + K \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, 0 = K
Ce qui nous donne le résultat final suivant :
∀x∈R,  arcsin⁡(x1+x2)=arctan⁡(x)\forall x \in \mathbb{R}, \,\, \arcsin\left( \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right) = \arctan(x)
Question 3

Retrouver, par une méthode directe (ne faisant pas intervenir la dérivation), l'expression simplifiée de ff.

Correction
On pose S=arcsin⁡(x1+x2)S = \arcsin\left( \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right) avec x∈Rx \in \mathbb{R}.
Comme on a toujours −1<x1+x2<1-1 < \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} < 1 cela implique que : −π2<S=arcsin⁡(x1+x2)<π2-\dfrac{\pi}{2} < S = \arcsin\left( \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right) < \dfrac{\pi}{2}.
De plus, on a :
sin⁡(S)=sin⁡(arcsin⁡(x1+x2))\sin(S) = \sin \left( \arcsin\left( \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right) \right)
Et d'après ce qui précède on peut donc écrire que :
sin⁡(S)=x1+x2   ⟹   (sin⁡(S))2=(x1+x2)2\sin(S) = \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \left( \sin(S) \right)^2 = \left( \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right)^2
Donc :
sin⁡2(S)=x21+x2   ⟺   (1+x2)sin⁡2(S)=x2   ⟺   sin⁡2(S)+x2sin⁡2(S)=x2   ⟺   sin⁡2(S)=x2−x2sin⁡2(S)\sin^2(S) = \dfrac{x^2}{1+x^2} \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, (1+x^2)\sin^2(S) = x^2 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \sin^2(S) + x^2\sin^2(S) = x^2 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \sin^2(S) = x^2 - x^2\sin^2(S)
De fait :
sin⁡2(S)=x2(1−sin⁡2(S))   ⟺   sin⁡2(S)=x2cos⁡2(S)   ⟺   sin⁡2(S)cos⁡2(S)=x2   ⟺   tan⁡2(S)=x2\sin^2(S) = x^2 \left( 1-\sin^2(S) \right) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \sin^2(S) = x^2 \cos^2(S) \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \dfrac{\sin^2(S)}{\cos^2(S)} = x^2 \,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\, \tan^2(S) = x^2
Ceci nous donne donc :
tan⁡(S)=±x\tan(S) = \pm x
De plus xx et S=arcsin⁡(x1+x2)S = \arcsin\left( \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right) sont de même signe puisque arcsin⁡\arcsin est impair et que 1+x2>0\sqrt{1+x^2} > 0.
Puis, comme −π2<S=arcsin⁡(x1+x2)<π2-\dfrac{\pi}{2} < S = \arcsin\left( \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right) < \dfrac{\pi}{2} on en déduit que SS et tan⁡(S)\tan(S) sont de même signe.
On en déduit alors que xx et tan⁡(S)\tan(S) sont de même signe. De fait on va pouvoir écrire que :
tan⁡(S)=x\tan(S) = x
On a donc :
arctan⁡(tan⁡(S))=arctan⁡(x)\arctan \left( \tan(S) \right) = \arctan(x)
Comme −π2<S=arcsin⁡(x1+x2)<π2-\dfrac{\pi}{2} < S = \arcsin\left( \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right) < \dfrac{\pi}{2} on en déduit immédiatement que :
S=arctan⁡(x)S = \arctan(x)
Finalement :
∀x∈R,  arcsin⁡(x1+x2)=arctan⁡(x)\forall x \in \mathbb{R}, \,\, \arcsin\left( \dfrac{x}{\sqrt{1+x^2}} \right) = \arctan(x)

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