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Comment linéariser sin(x) puissance 3 ?
alphonsio

Voici la forme linéarisée de sin⁡3(x)\sin^3(x) :

sin⁡3(x)=34sin⁡(x)−14sin⁡(3x)\sin^3(x) = \frac{3}{4}\sin(x) - \frac{1}{4}\sin(3x)


Pour linéariser sin⁡3(x)\sin^3(x), on utilise les formules de réduction de puissance en trigonométrie. Voici la démarche :

Étape 1 : Exprimer sin⁡3(x)\sin^3(x) en fonction de sin⁡(x)\sin(x) et sin⁡(3x)\sin(3x)

On utilise la formule de réduction de puissance :
sin⁡3(x)=3sin⁡(x)−sin⁡(3x)4\sin^3(x) = \frac{3\sin(x) - \sin(3x)}{4}

Démonstration :

On utilise l'identité trigonométrique :
sin⁡(3x)=3sin⁡(x)−4sin⁡3(x)\sin(3x) = 3\sin(x) - 4\sin^3(x)
On isole sin⁡3(x)\sin^3(x) :
sin⁡3(x)=3sin⁡(x)−sin⁡(3x)4\sin^3(x) = \frac{3\sin(x) - \sin(3x)}{4}

Ainsi, sin⁡3(x)\sin^3(x) est linéarisé en une somme de termes de la forme sin⁡(x)\sin(x) et sin⁡(3x)\sin(3x), qui sont des fonctions de première puissance.


On peut également linéariser sin⁡3(x)\sin^3(x) en utilisant la notation exponentielle. On commence par exprimer sin⁡(x)\sin(x) sous forme exponentielle :

sin⁡(x)=eix−e−ix2i\sin(x) = \frac{e^{ix} - e^{-ix}}{2i}

Étape 1 : Exprimer sin⁡3(x)\sin^3(x)

On élève au cube :

sin⁡3(x)=(eix−e−ix2i)3\sin^3(x) = \left( \frac{e^{ix} - e^{-ix}}{2i} \right)^3

Développons le cube :

sin⁡3(x)=(eix−e−ix)3(2i)3\sin^3(x) = \frac{(e^{ix} - e^{-ix})^3}{(2i)^3}

Étape 2 : Développement du numérateur

En utilisant l’identité (a−b)3=a3−3a2b+3ab2−b3(a - b)^3 = a^3 - 3a^2b + 3ab^2 - b^3, avec a=eixa = e^{ix} et b=e−ixb = e^{-ix}, on obtient :

(eix−e−ix)3=e3ix−3eix+3e−ix−e−3ix(e^{ix} - e^{-ix})^3 = e^{3ix} - 3e^{ix} + 3e^{-ix} - e^{-3ix}

Étape 3 : Diviser par (2i)3=−8i(2i)^3 = -8i

sin⁡3(x)=e3ix−3eix+3e−ix−e−3ix−8i\sin^3(x) = \frac{e^{3ix} - 3e^{ix} + 3e^{-ix} - e^{-3ix}}{-8i}

En simplifiant :

sin⁡3(x)=3(eix−e−ix)−(e3ix−e−3ix)8i\sin^3(x) = \frac{3(e^{ix} - e^{-ix}) - (e^{3ix} - e^{-3ix})}{8i}

Or, on reconnaît que :

sin⁡(x)=eix−e−ix2i,sin⁡(3x)=e3ix−e−3ix2i\sin(x) = \frac{e^{ix} - e^{-ix}}{2i}, \quad \sin(3x) = \frac{e^{3ix} - e^{-3ix}}{2i}

Donc :

sin⁡3(x)=3⋅2isin⁡(x)−2isin⁡(3x)8i\sin^3(x) = \frac{3 \cdot 2i \sin(x) - 2i \sin(3x)}{8i}

sin⁡3(x)=3sin⁡(x)−sin⁡(3x)4\sin^3(x) = \frac{3\sin(x) - \sin(3x)}{4}

On retrouve la même formule que précédemment ! Cette méthode montre clairement la décomposition en termes exponentiels.