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Tangente

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Pourquoi apprendre ça ?

La tangente est omniprésente en géométrie et en physique : la pente d'une colline, l'angle d'inclinaison d'un rayon lumineux, la pente d'une courbe en un point — tout cela s'exprime avec tan. C'est la fonction trigonométrique qui mesure directement un rapport de pente. En architecture, en navigation, en optique et en calcul différentiel, tan est incontournable.

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Analogie

Si sin et cos donnent les coordonnées d'un point sur un cercle, tan donne la pente de la droite qui relie l'origine à ce point. Imagine une lampe torche orientée à un angle θ : sin mesure la hauteur du faisceau, cos mesure la distance horizontale, et tan donne directement le rapport hauteur/distance — c'est-à-dire la pente. Quand la lampe est presque verticale (θ proche de 90°), la pente devient immense : c'est pourquoi tan "explose" près de ces angles.

Définition de la tangente

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Théorie

Pour tout angle θ\theta tel que cos⁡θ≠0\cos\theta \neq 0, la tangente est définie par :

tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ\boxed{\tan\theta = \frac{\sin\theta}{\cos\theta}}

Domaine : tan⁡\tan n'est pas définie là où cos⁡θ=0\cos\theta = 0, c'est-à-dire pour θ=π2+kπ\theta = \dfrac{\pi}{2} + k\pi avec k∈Zk \in \mathbb{Z}.

Interprétation géométrique : si M=(cos⁡θ,sin⁡θ)M = (\cos\theta, \sin\theta) est sur le cercle unité, la droite OMOM a une pente égale à sin⁡θcos⁡θ=tan⁡θ\dfrac{\sin\theta}{\cos\theta} = \tan\theta.

Relation fondamentale (issue de cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\cos^2\theta + \sin^2\theta = 1) : 1+tan⁡2θ=1cos⁡2θ\boxed{1 + \tan^2\theta = \frac{1}{\cos^2\theta}}

Preuve : diviser cos⁡2θ+sin⁡2θ=1\cos^2\theta + \sin^2\theta = 1 par cos⁡2θ\cos^2\theta membre à membre.

Propriétés algébriques :

  • Impaire : tan⁡(−θ)=−tan⁡θ\tan(-\theta) = -\tan\theta
  • Périodique de période π\pi : tan⁡(θ+π)=tan⁡θ\tan(\theta + \pi) = \tan\theta
  • Monotone croissante sur chaque intervalle ]−π2+kπ, π2+kπ[\left]-\frac{\pi}{2}+k\pi,\, \frac{\pi}{2}+k\pi\right[
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Calculer tan à partir de sin et cos

Calculer tan⁡(π3)\tan\left(\dfrac{\pi}{3}\right).

On sait que cos⁡(π3)=12\cos\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{1}{2} et sin⁡(π3)=32\sin\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{\sqrt{3}}{2}.

tan⁡(π3)=sin⁡(π/3)cos⁡(π/3)=3/21/2=3\tan\left(\frac{\pi}{3}\right) = \frac{\sin(\pi/3)}{\cos(\pi/3)} = \frac{\sqrt{3}/2}{1/2} = \sqrt{3}

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Checkpoint

Quelle est la valeur de ?

Valeurs remarquables et tableau

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Théorie

| θ\theta | 00 | π6\dfrac{\pi}{6} | π4\dfrac{\pi}{4} | π3\dfrac{\pi}{3} | π2\dfrac{\pi}{2} | |---|---|---|---|---|---| | tan⁡θ\tan\theta | 00 | 13=33\dfrac{1}{\sqrt{3}} = \dfrac{\sqrt{3}}{3} | 11 | 3\sqrt{3} | indéfini |

Comportement aux asymptotes : les droites θ=π2+kπ\theta = \frac{\pi}{2} + k\pi sont des asymptotes verticales.

  • Quand θ→π2−\theta \to \frac{\pi}{2}^- : tan⁡θ→+∞\tan\theta \to +\infty
  • Quand θ→π2+\theta \to \frac{\pi}{2}^+ : tan⁡θ→−∞\tan\theta \to -\infty

Formules utiles : tan⁡(π−θ)=−tan⁡θ\tan(\pi - \theta) = -\tan\theta et tan⁡(π2−θ)=1tan⁡θ\tan\left(\frac{\pi}{2} - \theta\right) = \dfrac{1}{\tan\theta} (pour tan⁡θ≠0\tan\theta \neq 0).

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Valeurs de tan hors du premier quadrant

Calculer tan⁡(2π3)\tan\left(\dfrac{2\pi}{3}\right).

Méthode : 2π3=π−π3\dfrac{2\pi}{3} = \pi - \dfrac{\pi}{3}, donc tan⁡(2π3)=−tan⁡(π3)=−3\tan\left(\frac{2\pi}{3}\right) = -\tan\left(\frac{\pi}{3}\right) = -\sqrt{3}.

Vérification : sin⁡(2π3)=32\sin\left(\frac{2\pi}{3}\right) = \frac{\sqrt{3}}{2} et cos⁡(2π3)=−12\cos\left(\frac{2\pi}{3}\right) = -\frac{1}{2}, donc tan⁡=3/2−1/2=−3\tan = \frac{\sqrt{3}/2}{-1/2} = -\sqrt{3} ✓

Résolution d'équations avec tan et arctan

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Théorie

Résoudre tan⁡θ=k\tan\theta = k pour k∈Rk \in \mathbb{R} :

tan⁡θ=k⟺θ=arctan⁡(k)+nπ,n∈Z\tan\theta = k \Longleftrightarrow \theta = \arctan(k) + n\pi, \quad n \in \mathbb{Z}

Contrairement à sin et cos, il y a une seule famille de solutions (période π\pi).

Valeurs d'arctan à connaître : arctan⁡(0)=0arctan⁡(1)=π4arctan⁡(3)=π3arctan⁡ ⁣(13)=π6\arctan(0) = 0 \qquad \arctan(1) = \frac{\pi}{4} \qquad \arctan(\sqrt{3}) = \frac{\pi}{3} \qquad \arctan\!\left(\frac{1}{\sqrt{3}}\right) = \frac{\pi}{6}

Propriétés d'arctan :

  • Domaine : arctan⁡:R→]−π2,π2[\arctan : \mathbb{R} \to \left]-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\right[
  • Impaire : arctan⁡(−x)=−arctan⁡(x)\arctan(-x) = -\arctan(x)
  • Limites : lim⁡x→+∞arctan⁡(x)=π2\displaystyle\lim_{x\to+\infty}\arctan(x) = \frac{\pi}{2}, lim⁡x→−∞arctan⁡(x)=−π2\displaystyle\lim_{x\to-\infty}\arctan(x) = -\frac{\pi}{2}
  • Identité : pour x>0x > 0, arctan⁡(x)+arctan⁡ ⁣(1x)=π2\arctan(x) + \arctan\!\left(\frac{1}{x}\right) = \frac{\pi}{2}
  • Dérivée : (arctan⁡x)′=11+x2(\arctan x)' = \dfrac{1}{1+x^2}
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Résoudre tan θ = −1

Résoudre tan⁡θ=−1\tan\theta = -1 sur [0 ; 2π[[0\,;\,2\pi[.

Valeur de référence : arctan⁡(1)=π4\arctan(1) = \frac{\pi}{4}, donc arctan⁡(−1)=−π4\arctan(-1) = -\frac{\pi}{4}.

Solutions générales : θ=−π4+nπ\theta = -\frac{\pi}{4} + n\pi, n∈Zn \in \mathbb{Z}.

Restriction à [0 ; 2π[[0\,;\,2\pi[ :

  • n=1n = 1 : θ=3π4\theta = \frac{3\pi}{4} ✓
  • n=2n = 2 : θ=7π4\theta = \frac{7\pi}{4} ✓

Ensemble solution : S={3π4 ; 7π4}S = \left\{\dfrac{3\pi}{4}\,;\,\dfrac{7\pi}{4}\right\}

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Piège — asymptotes et domaine

tan⁡(π2)\tan\left(\dfrac{\pi}{2}\right) n'existe pas — ce n'est pas +∞+\infty, c'est simplement indéfini. Écrire tan⁡(π/2)=+∞\tan(\pi/2) = +\infty est une erreur.

De même, pour résoudre cos⁡θ⋅tan⁡θ=0\cos\theta \cdot \tan\theta = 0, il faut vérifier que les solutions de tan⁡θ=0\tan\theta = 0 sont bien dans le domaine (i.e., cos⁡θ≠0\cos\theta \neq 0 en ces points).

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Checkpoint

Quelle est la période de la fonction ?

Applications : pente d'une droite et angle d'inclinaison

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Théorie

Pente et angle : si une droite forme un angle α\alpha avec l'axe des abscisses, sa pente mm vérifie :

m=tan⁡α\boxed{m = \tan\alpha}

Réciproquement : connaissant la pente mm, l'angle d'inclinaison est α=arctan⁡(m)∈]−π2,π2[\alpha = \arctan(m) \in \left]-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\right[.

Angle entre deux droites : si deux droites ont des pentes m1m_1 et m2m_2 (avec m1m2≠−1m_1 m_2 \neq -1), l'angle ϕ\phi entre elles vérifie :

tan⁡ϕ=∣m1−m21+m1m2∣\tan\phi = \left|\frac{m_1 - m_2}{1 + m_1 m_2}\right|

Cette formule découle de la formule de soustraction : tan⁡(α1−α2)=tan⁡α1−tan⁡α21+tan⁡α1tan⁡α2\tan(\alpha_1 - \alpha_2) = \dfrac{\tan\alpha_1 - \tan\alpha_2}{1 + \tan\alpha_1\tan\alpha_2}.

Cas perpendiculaire : m1m2=−1m_1 m_2 = -1 (le dénominateur s'annule, angle =π2= \frac{\pi}{2}).

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Angle entre deux droites

Trouver l'angle entre les droites y=2x+1y = 2x + 1 et y=−13x+4y = -\frac{1}{3}x + 4.

Les pentes sont m1=2m_1 = 2 et m2=−13m_2 = -\frac{1}{3}.

tan⁡ϕ=∣2−(−1/3)1+2⋅(−1/3)∣=∣7/31/3∣=7\tan\phi = \left|\frac{2 - (-1/3)}{1 + 2 \cdot (-1/3)}\right| = \left|\frac{7/3}{1/3}\right| = 7

Donc ϕ=arctan⁡(7)≈81,87°\phi = \arctan(7) \approx 81{,}87°.

Remarque : m1⋅m2=−23≠−1m_1 \cdot m_2 = -\frac{2}{3} \neq -1, donc les droites ne sont pas perpendiculaires.

Tangente hyperbolique

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Théorie

La tangente hyperbolique est définie par analogie avec tan, à partir des fonctions hyperboliques :

tanh⁡(x)=sinh⁡(x)cosh⁡(x)=ex−e−xex+e−x\tanh(x) = \frac{\sinh(x)}{\cosh(x)} = \frac{e^x - e^{-x}}{e^x + e^{-x}}

Propriétés :

  • Domaine : R\mathbb{R}, image :  ]−1,1[\,]-1, 1[
  • Impaire : tanh⁡(−x)=−tanh⁡(x)\tanh(-x) = -\tanh(x)
  • Limites : lim⁡x→±∞tanh⁡(x)=±1\displaystyle\lim_{x\to\pm\infty}\tanh(x) = \pm 1 (asymptotes horizontales y=±1y = \pm 1)
  • Dérivée : tanh⁡′(x)=1−tanh⁡2(x)=1cosh⁡2(x)\tanh'(x) = 1 - \tanh^2(x) = \dfrac{1}{\cosh^2(x)}

Comparaison tan vs tanh :

| Propriété | tan⁡\tan | tanh⁡\tanh | |---|---|---| | Image | R\mathbb{R} |  ]−1,1[\,]-1,1[ | | Asymptotes | verticales | horizontales | | Périodique | oui (π\pi) | non | | Utilisation | géométrie, pentes | réseaux de neurones, physique |

Application en IA : tanh⁡\tanh est une fonction d'activation classique dans les réseaux de neurones car elle "écrase" les valeurs dans ]−1,1[]-1,1[, centrée en 00.

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tanh ≠ (tan h) — ne pas confondre

tanh⁡(x)\tanh(x) est la tangente hyperbolique, une fonction entière sur R\mathbb{R}, bornée entre −1-1 et 11. Elle n'a aucun lien direct avec tan⁡\tan au sens trigonométrique — c'est une coïncidence de notation. En particulier, tanh⁡\tanh ne présente aucune asymptote verticale.

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Checkpoint

Une droite a une pente . Quel est l'angle d'inclinaison d'une droite de pente ?

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Checkpoint

Quelle est l'image de la fonction

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À retenir

  • tan⁡θ=sin⁡θcos⁡θ\tan\theta = \dfrac{\sin\theta}{\cos\theta}, défini pour cos⁡θ≠0\cos\theta \neq 0 (asymptotes en θ=π2+kπ\theta = \frac{\pi}{2} + k\pi)
  • Valeurs clés : tan⁡0=0\tan 0 = 0, tan⁡π6=33\tan\frac{\pi}{6} = \frac{\sqrt{3}}{3}, tan⁡π4=1\tan\frac{\pi}{4} = 1, tan⁡π3=3\tan\frac{\pi}{3} = \sqrt{3}
  • Période π\pi, fonction impaire ; tan⁡θ=k⇔θ=arctan⁡(k)+nπ\tan\theta = k \Leftrightarrow \theta = \arctan(k) + n\pi
  • arctan : R→]−π2,π2[\mathbb{R} \to ]-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}[, impaire, dérivée 11+x2\frac{1}{1+x^2}
  • La pente d'une droite inclinée d'un angle α\alpha vaut m=tan⁡αm = \tan\alpha
  • tanh⁡(x)=ex−e−xex+e−x\tanh(x) = \frac{e^x - e^{-x}}{e^x + e^{-x}} est bornée dans ]−1,1[]-1,1[, utilisée en IA
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