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Niveau école ingénieur
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Somme d'un sinus et d'un cosinus

Posté par
bozon
14-12-15 à 23:55

Bonjour,
Aujourd'hui nous avons vu avec un diagramme de Fresnel que
Asin(wt+phi)=acos(wt) + bsin(wt)
Je comprends cette formule géométrique avec le diagramme de Fresnel mais j'aimerais pouvoir l'expliquer mathématiquement. J'essaie de travailler sur la formule d'culer mais je n'aboutie pas ...
Ce problème me travaille pas mal, votre aide me serait précieuse.
Merci d'avance.
Cordialement.

Posté par
mdr_non
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 00:02

bonsoir : )

acos(wt) + bsin(wt) = V(a² + b²)[a/V(a² + b²)cos(wt) + b/V(a² + b²)sin(wt)]

or -1 <= a/V(a² + b²) <= 1, il existe donc un phi réel tel que a/V(a² + b²) = sin(phi)
d'où b/V(a² + b²) = cos(phi)

donc acos(wt) + bsin(wt) = V(a² + b²)[sin(phi)cos(wt) + cos(phi)sin(wt)] = V(a² + b²)sin(wt + phi)

Posté par
bozon
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 00:10

Merci beaucoup pour votre réponse !
C'est une démonstration assez elegante.
Je me demande toujours s'il est possible de passer par la formule d'Euler :
cos(x) = 0.5(e^(ix)+e^(-ix))    sin(x) = (e^(ix)-e^(-ix)) / (2i) )
Vous pensez qu'il y un moyen d'aboutir en passer par celle-ci ?
En tout cas, merci encore pour votre aide.

Posté par
lediletantex
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 05:03

Bonjour;

\begin{array}{l}
 \\  a\cos x + b\sin x = a\frac{{e^{ix}  + e^{ - ix} }}{2} + b\frac{{e^{ix}  - e^{ - ix} }}{{2i}} = a\frac{{e^{ix}  + e^{ - ix} }}{2} + ib\frac{{e^{ - ix}  - e^{ - ix} }}{2} \\ 
 \\   = \frac{1}{2}\left[ {e^{ix} (a - ib) + e^{ - ix} (a + ib)} \right] \\ 
 \\  \end{array}

Posté par
lediletantex
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 05:35


correction 1° ligne

a\frac{{e^{ix}  + e^{ - ix} }}{2} + ib\frac{{e^{ - ix}  - e^{ix} }}{2}

Posté par
bozon
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 13:21

Merci beaucoup pour cette réponse.
Par contre je suis désole mais je vois pas comment on débouche sur "Asin(wt + phi)".

Posté par
bozon
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 13:56

Par ailleurs, je reviens sur la démonstration mdr_non.
Si on pose a/V(a² + b²) = cos(phi) on obtient  b/V(a² + b²) = sin(phi).
Ainsi la formule deviendrait acos(wt) + bsin(wt) = Acos(wt + phi).
Je me trompe ?

Posté par
mdr_non
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 14:08

tu as la somme de deux complexes conjugué,

Posté par
mdr_non
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 14:12

si tu choisis a/V(a² + b²) = cos(phi)

on obtient acos(wt) + bsin(wt) = V(a² + b²)cos(wt - phi) = V(a² + b²)sin(wt + phi')

par exemple, cos(pi/2 - x) = sin(x), on peut toujours passer de cosinus à sinus, j'ai choisi a/V(a² + b²) = sin(phi) pour obtenir exactement ta formule,

Posté par
bozon
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 14:19

On a la somme de deux complexes conjugués z et /z, donc on obtient 2*Re(z) ce qui ne nous pas de sinus.
En fait je commence à me dire que la formule que j'essaie de démontrer est fausse.
En effet, si on considere cette formule avec  b=0, on obtient cos(x)=sin(x) ce qui est absurde ...

Posté par
mdr_non
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 14:22

Citation :
En fait je commence à me dire que la formule que j'essaie de démontrer est fausse.
non, je t'en ai fait la démonstration,

b = 0 n'implique pas cos(x) = sin(x),

Posté par
mdr_non
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 14:23

Citation :
On a la somme de deux complexes conjugués z et /z, donc on obtient 2*Re(z) ce qui ne nous pas de sinus.
sin(x + pi/2) = cos(x) donc ce n'est pas un souci,

Posté par
bozon
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 14:26

Voila comment j'en arrive à mon résultat aberrent .
Soit b=0,
D'ou A=a et phi=0
Donc Asin(wt +phi) = asin(wt).
De l'autre cote de l'égalité, on a acos(wt) + bsin(wt)= acos(wt).
Je me trompe ?

Posté par
mdr_non
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 14:31

je suppose que tu as posé A = V(a² + b²) et phi = arcsin(a/V(a² + b²))

si b = 0 alors A  = a et phi = arcsin(1) = pi/2

Posté par
bozon
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 14:35

Ah vous avez raison avec vos hypothèse ça fonctionne.
Le soucis c'est que dans mon cours (et géométriquement je trouve ça coherent) phi=Arctan(b/a) et A=racine(a^2 + b^2).

Posté par
mdr_non
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 14:39

on a plutôt sin(phi) = a/V(a² + b²) et cos(phi) = b/V(a² + b²)
d'où sin(phi)/cos(phi) = tan(phi) = a/b d'où phi = arctan(a/b), à condition que b ne soit pas nul !

Posté par
bozon
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 14:52

Tres bien merci beaucoup je définitivement compris pleinement votre démonstration.
A présent je reviens sur le passage par le formule d'Euler.
Si j'ai bien compris, nous avons
acosx +bsinx = 1/2*2*Re(e^(ix)*(a-ib)).
e^(ix)*(a-ib) = (acosx +bsinx) +i(asin -bcosx)
Donc acosx +bsinx = acosx + sinx ... Il semblerait que je tourne en rond ...

Posté par
mdr_non
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 14:58

oui si tu développes à nouveau oui on revient au point de départ,

a - ib peut s'écrire sous forme exponentielle, après avoir trouvé la forme exponentielle tu pourras conclure,

Posté par
mdr_non
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 15:01

et après avoir fait les calculs tu remarqueras que le passage par les formules d'Euler n'a fait qu'alourdir la démonstration puiqu'au final on est revenu aux formules d'additions : cos(a+b), cos(a-b), sin(a+b), sin(a-b)

Posté par
bozon
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 15:26

Très bien donc si je fais ça j'obtient :
a-ib = 1/racine(a^2+b2)*(a/(racine(...)-ib/racine(...))
-1<a/racine(...)<1
Posons cos(phi) = a/racine(a^2 +b^2).
D'ou sin(phi) = b/racine(a^2 + b^2).
On obtient a-ib = 1/racine(a^2 + b^2)*(cos(phi-ibsin(phi))
Donc a-ib = e^(-i*phi)
D'ou e^(ix)(a-ib) = e^(i(x-phi))
Donc Re(e^(-i*phi))= cos(x-phi).
On pose phi = pi/2 - phi'
On a Re(...)=cos(x+phi'-pi/2)=sin(x+phi'), avec sin(phi') = a/racine(a^2 +b^2) et cos(phi') = b/racine(a^2 + b^2).

Je trouve bien le même résultat que vous. Mon seul soucis c'est que ce n'est pas du tout cohérent avec l'approche géométrique. Si l'on trace un diagramme de Fresnel avec les cos sur l'axe des abscisses et les sin sur l'axe des ordonnées. On observe que pour cette formule sin(phi)=b/racine(a^2 +b^2) et cos(phi) = a/racine(a^2 + b^2). Et on bien phi = Arctan(b/a).

Posté par
mdr_non
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 17:01

tout simplement,

a - ib à mettre sous forme exponentielle,
1 / calculer le module
|a - ib| = V(a² + b²)
arg(a - ib) = phi

d'où a - ib = V(a² + b²)exp(i*phi)

d'où (a - ib)exp(ix) = V(a² + b²)exp(i(phi + x))...

Citation :
Mon seul soucis c'est que ce n'est pas du tout cohérent avec l'approche géométrique. Si l'on trace un diagramme de Fresnel avec les cos sur l'axe des abscisses et les sin sur l'axe des ordonnées. On observe que pour cette formule sin(phi)=b/racine(a^2 +b^2) et cos(phi) = a/racine(a^2 + b^2). Et on bien phi = Arctan(b/a).
si tu prends une autre convention que celle que j'ai définie, tu obtiens un autre résultat c'est normal

reprends mon message, j'avais posé sin(phi) = a/V(a² + b²) et cos(phi) = b/V(a² + b²)
d'où sin(phi)/cos(phi) = tan(phi) = a/b d'où phi = arctan(a/b), à condition que b ne soit pas nul,

et dans CE CAS, acos(wt) + bsin(wt) = Asin(wt + phi), avec A = V(a² + b²) et phi = arctan(a/b)



Si en revanche on pose cos(phi) = a/V(a² + b²) et sin(phi) = b/V(a² + b²)
d'où sin(phi)/cos(phi) = tan(phi) = b/a d'où phi = arctan(b/a), à condition que a ne soit pas nul

MAIS, dans ce cas,

acos(wt) + bsin(wt) = V(a² + b²)(cos(phi)cos(wt) + sin(phi)sin(wt)) = V(a² + b²)cos(wt - phi) = V(a² + b²)sin(wt - phi + pi/2)

Posté par
bozon
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 17:18

Super merci pour cette explication détaillété,  ça m'éclaire.
En effet, j'aurais du penser à la notion de "convention" qui est aussi lié à la représentation géométrique.
Finalement, il y a bien une erreur dans mon cours : Tel que phi est définie, on devrait avoir sin (wt-phi+pi/2) et non pas sin (wt +phi).

Posté par
mdr_non
re : Somme d'un sinus et d'un cosinus 15-12-15 à 18:35

oui : )

de rien : ) et bonne continuation : )



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