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En raison de limitations techniques, la typographie souhaitable du titre, «
Trigonométrie : Les formules de trigonométrie Trigonométrie/Les formules de trigonométrie », n'a pu être restituée correctement ci-dessus.
Cette annexe va présenter une démonstration des formules de trigonométrie du chapitre 7 (page dont il serait très pratique d’avoir en parallèle avec ce cours, dans votre navigateur). Il existe des démonstrations ne relevant que de géométrie pure mais dans le but de généraliser les formules aux angles orientés et à valeur réelle (angles négatifs, angles supérieurs à 360°), nous allons devoir recourir à la géométrie analytique.
Notre priorité sera avant tout de montrer les deux formules concernant
cos
(
a
+
b
)
{\displaystyle \cos(a+b)}
et
sin
(
a
+
b
)
{\displaystyle \sin(a+b)}
. Toutes les autres en découleront immédiatement.
Somme de deux angles dans le cercle trigonométrique.
Soient
a
{\displaystyle a}
et
b
{\displaystyle b}
deux réels. Dans un repère orthonormé
(
O
;
i
→
,
j
→
)
{\displaystyle (O;{\vec {i}},{\vec {j}})}
, posons
A
{\displaystyle A}
et
B
{\displaystyle B}
les points du cercle trigonométrique tels que
(
i
→
,
O
A
→
)
=
a
{\displaystyle ({\vec {i}},{\overrightarrow {OA}})=a}
et
(
O
A
→
,
O
B
→
)
=
b
{\displaystyle ({\overrightarrow {OA}},{\overrightarrow {OB}})=b}
.
Soit encore
A
′
{\displaystyle A'}
le point du cercle trigonométrique tel que
(
i
→
,
O
A
′
→
)
=
a
+
π
2
{\displaystyle ({\vec {i}},{\overrightarrow {OA'}})=a+{\frac {\pi }{2}}}
.
Alors :
O
A
→
=
(
cos
a
)
i
→
+
(
sin
a
)
j
→
O
A
′
→
=
cos
(
a
+
π
2
)
i
→
+
sin
(
a
+
π
2
)
j
→
=
−
(
sin
a
)
i
→
+
(
cos
a
)
j
→
O
B
→
=
cos
(
a
+
b
)
i
→
+
sin
(
a
+
b
)
j
→
.
{\displaystyle {\begin{aligned}{\overrightarrow {OA}}&=(\cos a){\vec {i}}+(\sin a){\vec {j}}\\{\overrightarrow {OA'}}&=\cos \left(a+{\frac {\pi }{2}}\right){\vec {i}}+\sin \left(a+{\frac {\pi }{2}}\right){\vec {j}}\\&=-(\sin a){\vec {i}}+(\cos a){\vec {j}}\\{\overrightarrow {OB}}&=\cos(a+b){\vec {i}}+\sin(a+b){\vec {j}}.\end{aligned}}}
Mais dans le repère
(
O
;
O
A
→
,
O
A
′
→
)
{\displaystyle (O;{\overrightarrow {OA}},{\overrightarrow {OA'}})}
,
O
B
→
=
(
cos
b
)
O
A
→
+
(
sin
b
)
O
A
′
→
=
(
cos
b
)
(
(
cos
a
)
i
→
+
(
sin
a
)
j
→
)
+
(
sin
b
)
(
−
(
sin
a
)
i
→
+
(
cos
a
)
j
→
)
=
(
cos
a
cos
b
−
sin
a
sin
b
)
i
→
+
(
sin
a
cos
b
+
cos
a
sin
b
)
j
→
{\displaystyle {\begin{aligned}{\overrightarrow {OB}}&=(\cos b){\overrightarrow {OA}}+(\sin b){\overrightarrow {OA'}}\\&=(\cos b)((\cos a){\vec {i}}+(\sin a){\vec {j}})+(\sin b)\left(-(\sin a){\vec {i}}+(\cos a){\vec {j}}\right)\\&=(\cos a\cos b-\sin a\sin b){\vec {i}}+(\sin a\cos b+\cos a\sin b){\vec {j}}\end{aligned}}}
Or
O
B
→
=
cos
(
a
+
b
)
i
→
+
sin
(
a
+
b
)
j
→
{\displaystyle {\overrightarrow {OB}}=\cos(a+b){\vec {i}}+\sin(a+b){\vec {j}}}
.
Les composantes d’un vecteur étant uniques, nous pouvons identifier :
cos
(
a
+
b
)
=
cos
a
cos
b
−
sin
a
sin
b
sin
(
a
+
b
)
=
sin
a
cos
b
+
cos
a
sin
b
.
{\displaystyle {\begin{aligned}\cos(a+b)&=\cos a\cos b-\sin a\sin b\\\sin(a+b)&=\sin a\cos b+\cos a\sin b.\end{aligned}}}
Enfin,
tan
(
a
+
b
)
=
sin
(
a
+
b
)
cos
(
a
+
b
)
=
sin
a
cos
b
+
cos
a
sin
b
cos
a
cos
b
−
sin
a
sin
b
=
sin
a
cos
b
+
cos
a
sin
b
cos
a
cos
b
×
cos
a
cos
b
cos
a
cos
b
−
sin
a
sin
b
=
tan
a
+
tan
b
1
−
tan
a
tan
b
.
{\displaystyle {\begin{aligned}\tan(a+b)&={\frac {\sin(a+b)}{\cos(a+b)}}\\&={\frac {\sin a\cos b+\cos a\sin b}{\cos a\cos b-\sin a\sin b}}\\&={\frac {\sin a\cos b+\cos a\sin b}{\cos a\cos b}}\times {\frac {\cos a\cos b}{\cos a\cos b-\sin a\sin b}}\\&={\frac {\tan a+\tan b}{1-\tan a\tan b}}.\end{aligned}}}
Démonstration géométrique
Construction
Soient :
un cercle de centre
o
{\displaystyle o}
, de rayon
r
{\displaystyle r}
;
trois point
r
0
,
r
1
,
r
2
{\displaystyle r_{0},r_{1},r_{2}}
sur le cercle tels que
r
0
o
r
1
^
=
a
{\displaystyle {\widehat {r_{0}or_{1}}}=a}
et
r
1
o
r
2
^
=
b
{\displaystyle {\widehat {r_{1}or_{2}}}=b}
;
h
1
,
h
2
{\displaystyle h_{1},h_{2}}
les projetés orthogonaux de
r
1
,
r
2
{\displaystyle r_{1},r_{2}}
sur
o
r
0
{\displaystyle or_{0}}
;
h
3
{\displaystyle h_{3}}
le projeté orthogonal de
r
2
{\displaystyle r_{2}}
sur
o
r
1
{\displaystyle or_{1}}
;
x
{\displaystyle x}
le point d'intersection de
o
r
1
{\displaystyle or_{1}}
et
r
2
h
2
{\displaystyle r_{2}h_{2}}
.
On remarque que :
o
h
2
o
x
=
cos
a
{\displaystyle {\frac {oh_{2}}{ox}}=\cos a}
,
h
2
x
o
x
=
sin
a
{\displaystyle {\frac {h_{2}x}{ox}}=\sin a}
,
o
h
3
r
=
cos
b
{\displaystyle {\frac {oh_{3}}{r}}=\cos b}
,
h
3
r
2
r
=
sin
b
{\displaystyle {\frac {h_{3}r_{2}}{r}}=\sin b}
;
o
x
h
2
^
=
h
3
x
r
2
^
⇒
x
r
2
h
3
^
=
a
⇒
h
3
x
h
3
r
2
=
tan
a
{\displaystyle {\widehat {oxh_{2}}}={\widehat {h_{3}xr_{2}}}\Rightarrow {\widehat {xr_{2}h_{3}}}=a\Rightarrow {\frac {h_{3}x}{h_{3}r_{2}}}=\tan a}
et
h
3
r
2
x
r
2
=
cos
a
{\displaystyle {\frac {h_{3}r_{2}}{xr_{2}}}=\cos a}
;
o
x
r
=
o
h
3
−
h
3
x
r
=
o
h
3
r
−
h
3
x
h
3
r
2
h
3
r
2
r
=
cos
b
−
tan
a
sin
b
{\displaystyle {\frac {ox}{r}}={\frac {oh_{3}-h_{3}x}{r}}={\frac {oh_{3}}{r}}-{\frac {h_{3}x}{h_{3}r_{2}}}{\frac {h_{3}r_{2}}{r}}=\cos b-\tan a\sin b}
.
cos(a + b )
cos
(
a
+
b
)
=
o
h
2
r
=
o
x
cos
a
r
=
(
cos
b
−
tan
a
sin
b
)
cos
a
=
cos
a
cos
b
−
sin
a
sin
b
.
{\displaystyle {\begin{aligned}\cos(a+b)&={\frac {oh_{2}}{r}}\\&={\frac {ox\cos a}{r}}\\&=(\cos b-\tan a\sin b)\cos a\\&=\cos a\cos b-\sin a\sin b.\end{aligned}}}
sin(a + b )
sin
(
a
+
b
)
=
h
2
r
2
r
=
h
2
x
+
x
r
2
r
=
o
x
r
sin
a
+
x
r
2
h
3
r
2
h
3
r
2
r
=
(
cos
b
−
tan
a
sin
b
)
sin
a
+
1
cos
a
sin
b
=
cos
b
sin
a
+
sin
b
cos
a
(
1
−
sin
2
a
)
=
cos
b
sin
a
+
sin
b
cos
a
.
{\displaystyle {\begin{aligned}\sin(a+b)&={\frac {h_{2}r_{2}}{r}}\\&={\frac {h_{2}x+xr_{2}}{r}}\\&={\frac {ox}{r}}\sin a+{\frac {xr_{2}}{h_{3}r_{2}}}{\frac {h_{3}r_{2}}{r}}\\&=(\cos b-\tan a\sin b)\sin a+{\frac {1}{\cos a}}\sin b\\&=\cos b\sin a+{\frac {\sin b}{\cos a}}(1-\sin ^{2}a)\\&=\cos b\sin a+\sin b\cos a.\end{aligned}}}
En posant
a
=
b
{\displaystyle a=b}
, et en n'oubliant pas que
cos
2
a
+
sin
2
a
=
1
{\displaystyle \cos ^{2}a+\sin ^{2}a=1}
— ou encore (en divisant les deux membres par
cos
2
a
{\displaystyle \cos ^{2}a}
) :
1
+
tan
2
a
=
1
cos
2
a
{\displaystyle 1+\tan ^{2}a={\frac {1}{\cos ^{2}a}}}
— les formules de duplication viennent clairement.
De là, on trouve facilement les formules de linéarisation à l'aide de deux expressions de
cos
(
2
a
)
{\displaystyle \cos(2a)}
.
Les formulaires 4 et 5 s'obtiennent à partir du formulaire 1 :
cos
(
a
+
b
)
+
cos
(
a
−
b
)
=
2
cos
a
cos
b
{\displaystyle \cos(a+b)+\cos(a-b)=2\cos a\cos b}
donc
cos
a
cos
b
=
cos
(
a
+
b
)
+
cos
(
a
−
b
)
2
{\displaystyle \cos a\cos b={\frac {\cos(a+b)+\cos(a-b)}{2}}}
et, par un changement de variable, en posant
p
=
a
+
b
{\displaystyle p=a+b}
et
q
=
a
−
b
{\displaystyle q=a-b}
,
cos
p
+
cos
q
=
2
cos
p
+
q
2
cos
p
−
q
2
{\displaystyle \cos p+\cos q=2\cos {\frac {p+q}{2}}\cos {\frac {p-q}{2}}}
.
La formule
tan
a
+
tan
b
=
sin
(
a
+
b
)
cos
a
cos
b
{\displaystyle \tan a+\tan b={\frac {\sin(a+b)}{\cos a\cos b}}}
se déduit directement de la formule d'addition pour
sin
{\displaystyle \sin }
.