mathématiques (PCSI) · Chapitre 4 · Application directe du cours
Cosinus hyperbolique égal à deux
Calcul différentiel et intégral · D. Fonctions circulaires réciproques et hyperboliques · niveau 2
Énoncé
Résoudre dans l'équation , puis étudier les variations de et sa limite en .
Corrigé
Stratégie : ramener une équation hyperbolique à une équation du second degré. Le cosinus hyperbolique est fait de et , qui sont inverses l'un de l'autre. En posant , l'équation devient un trinôme en — et l'on n'oubliera pas que doit être strictement positif pour revenir à .
1) L'équation . Par définition,
Posons , qui est strictement positif. Alors , et l'équation devient . Multiplions par :
Le discriminant vaut , donc et
⚠️ Il faut vérifier la positivité des deux racines. Ici , donc : les deux racines conviennent. C'est un contrôle qu'on doit faire systématiquement — pour une équation comme , le discriminant serait négatif et il n'y aurait aucune solution.
En revenant à :
Et l'on remarque que : les deux racines sont inverses l'une de l'autre, donc leurs logarithmes sont opposés. Les solutions s'écrivent donc
Ce n'est pas un hasard : le cosinus hyperbolique est pair, ses solutions vont nécessairement par paires opposées.
2) La fonction . Les définitions donnent immédiatement
Tout est dit : cette fonction est l'exponentielle décroissante. Elle est dérivable sur , de dérivée , donc strictement décroissante sur ; elle tend vers en , vaut en , et
Ce résultat est frappant : et tendent tous deux vers , mais leur différence tend vers zéro. Les deux courbes se rapprochent indéfiniment sans jamais se toucher — la fonction ne s'annulant jamais.
Contrôle numérique. Avec : et , dont la demi-somme vaut . ✔ Et pour la seconde question, en : , , différence , tandis que . ✔ L'identité est vérifiée à près sur tout l'intervalle testé.
Ce que l'exercice installe. Le changement de variable , qui ramène toute équation en , ou à une équation algébrique — à condition de ne garder que les racines strictement positives. Et l'identité , symétrique de : les deux fonctions hyperboliques ne sont rien d'autre que les parties paire et impaire de l'exponentielle.