27/07/2015

Quels mystères se nichent sous la constante gamma?

gamma.jpgJ'ai déjà parlé dans mon blog de plusieurs nombres particuliers. La constante de Brun, mais bien sûr aussi Pi, e et i, qu'Euler relia dans son identité magique, sans oublier les nombres parfaits, les nombres intouchables, le nombre 2147483647, les nombres de Mersenne et quelques autres que vous pouvez retrouver en vous baladant dans la section mathématiques de mon blog. Aujourd'hui, je vais évoquer la constante gamma, plus connue sous le nom de constante d'Euler-Mascheroni (du nom des deux mathématiciens qui furent les premiers à identifier bon nombre de ses décimales). La voici, avec ses 100 premières décimales:


0,577215664901532860606512090082402431042159335939923598805767234884867726777 6646709369470632917467495

 

Pour la déterminer, il suffit d'abord de considérer une série connue sous le nom de série harmonique (représentation graphique ci-dessus) qui consiste à sommer les inverses des entiers naturels. La voici, exprimée sous sa forme usuelle de somme infinie:

Capture d’écran 2015-07-27 à 19.04.04.png

 

Il s'agit d'une série divergente, c'est-à-dire qui tend vers l'infini pour k très grand. Mais en revanche, sa divergence est extrêmement lente. Si on l'exprime graphiquement, on va très vite observer sa proximité avec une autre fonction, à savoir ln(x), ou logarithme naturel, comme le montre le graphique ci-dessous, sur lequel on voit clairement la similitude entre les deux courbes:

Capture d’écran 2015-07-27 à 19.11.56.png

L'idée est alors de calculer la différence entre les deux, la série harmonique et le logarithme naturel, et de voir ce vers quoi on tend. La formule est aisée à déduire:

Capture d’écran 2015-07-27 à 19.14.42.png

Ou, sous sa forme condensée:

Capture d’écran 2015-07-27 à 19.14.54.png

Mais vers quoi tend cette limite, figurée ci-dessus par la lettre grecque gamma? Justement vers cette constante gamma, qu'on peut approximer par le nombre 0,5772156649. Cela dit, le calcul est lent, et il faut aller jusqu'à de très grandes valeurs de k pour que les décimales se précisent. On ne sait toujours pas aujourd'hui si cette constante d'Euler-Mascheroni est un nombre rationnel ou pas, mais si elle l'était, son dénominateur posséderait plus de 242 080 chiffres. Le Suisse Leonhard Euler (1707 - 1783) fut le premier à la calculer en 1781 avec quinze décimales, puis Lorenzo Mascheroni (1750 - 1800) parvint à en donner dix-neuf (décimales) en 1791. Aujourd'hui, on en connaît environ 30 milliards. Mais à quoi sert-elle, me direz-vous, du moins si vous êtes arrivés jusque là? La réponse pourrait prendre plusieurs billets de ce blog. Mais au-delà de son rôle par rapport à la célèbre fonction gamma, qui fera l'objet d'un billet ultérieur, on retrouve cette constante d'Euler-Mascheroni dans d'innombrables formules. Mon but n'est pas d'en faire la liste, très longue, mais juste de signaler l'étonnante égalité que voici:

 

Capture d’écran 2015-07-27 à 19.34.09.png

Surprenante car elle met en relation notre constante gamma avec la célèbre fonction zêta de Riemann (piqûre de rappel ici), qu'on retrouve ci-dessus symbolisée par sa lettre grecque. Qu'est-ce que la fonction zêta vient faire ici? Quel incroyable mystère gouverne cet improbable rapprochement? Bien malins ceux qui pourront le dire.

 

19:52 Publié dans Mathématiques, Sciences | Lien permanent | Commentaires (2) | |  Facebook | | | |

Commentaires

Vos blogs sont des pralinés!

Écrit par : Jean-Bernard Billeter | 28/07/2015

Merci encore de votre mot. D'autant plus appréciable sur un billet a priori "difficile".

Écrit par : Pascal Gavillet | 29/07/2015

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