Pour les articles homonymes, voir E (nombre) (homonymie).
La
constante mathématique e est la base des
logarithmes naturels, dont l'expression décimale commence par :
- e ≈ 2,718 281 828 459 045 235 360 287 4...
Appellation :
- e est parfois appelée constante de Néper, du nom du mathématicien écossais John Napier qui introduisit les logarithmes.
- e fut appelé nombre exponentiel par Euler en 1761.
Considérations historiques
Le nombre e est probablement la constante réelle la plus importante des mathématiques après
π : on la retrouve en effet dans la normalisation des fonctions exponentielles. Il est cependant difficile de dater avec exactitude son apparition dans la littérature. En effet, si Neper introduit les
logarithmes comme artifice de calcul pour simplifier les calculs du sinus, du cosinus, du produit et du
quotient, il ne précise pas de base particulière pour ces logarithmes et les logarithmes les plus courants à cette époque sont ceux en
base 10.
Les logarithmes naturels apparaissent pour la première fois en 1618 en appendice d'un traité de Napier probablement rédigé par William Oughtred.
En 1624, Briggs donne l'approximation du logarithme décimal d'un nombre qu'il n'identifie pas avec précision, mais qui se révèle être e.
En 1647, Grégoire de Saint-Vincent calcule l'aire sous l'hyperbole, mais ne met pas en évidence le nombre e.
En 1661, Huygens est capable de faire le rapprochement entre l'aire sous l'hyperbole et les fonctions logarithmes. Comme e est le réel tel que l'aire sous l'hyperbole entre 1 et e vaille 1, il est probable que ce nombre fut remarqué à cette époque sans toutefois que l'on parle pour lui de la base du logarithme naturel.
La première apparition de e comme nombre remarquable date de 1683, époque à laquelle Bernoulli s'intéresse aux calculs d'intérêt. Ce qui l'amène à étudier la limite de la suite (1 + 1/n) n . Mais personne à ce moment ne fait le rapprochement entre ce nombre et les logarithmes naturels. Pourtant c'est durant cette période que l'on commence à entrevoir que la fonction logarithme de base a est la réciproque de la fonction exponentielle de base a. La communauté scientifique est alors mûre pour découvrir e. C'est dans une lettre de Leibniz à Huygens que ce nombre est enfin identifié comme la base du logarithme naturel, mais Leibniz lui donne le nom de b.
On doit la notation e pour cette constante à Euler dans une lettre que celui-ci adresse à Goldbach en 1731. Le choix de e a donné lieu a de nombreuses conjectures : e pour Euler ? e pour exponentielle ? ou tout simplement e comme première voyelle disponible dans le travail d'Euler.
C'est aussi Euler qui donne le développement de e en série
| e = 1 + | 1
–––
1! | + | 1
–––
2! | + … + | 1
–––
k! | + … |
et en fraction continue :
| e = 2+ | 1
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
1+1/(2+1/(1+1/(1+1/(4+1/(1+1/(1+1/(6+ …))))))) |
Puisque e possède un développement en fraction continue infini, il est irrationnel. Le calcul de la fraction continue de e est proposée dans l'article Fraction continue.
C'est Charles Hermite qui, en 1873, prouve que e est transcendant.
Définitions et propriétés
Définitions de e
Les considérations précédentes montrent que e peut être défini de plusieurs façons différentes
- e est le réel tel que ln(e) = 1 lorsqu'on définit la fonction ln comme la Primitive de la fonction x → tfrac1{x } qui s'annule en 1. C'est la raison pour laquelle cette constante est aussi appelée la base des logarithmes naturels
- e est le réel tel que exp(1) = e lorsqu'on définit la fonction exp comme l'unique fonction vérifiant u ' = u et u (0) = 1.
- e est la limite de la suite (1 + tfrac 1n) n .
- e est égal à la série infinie (avec la convention 0! = 1).
L'équivalence de ces quatre définitions provient des relations qui lient la fonction exponentielle, la fonction logarithme et les limites de suites.
Théorie des nombres
La constante de Néper apparaît largement dans la
Théorie des nombres. Les mathématiciens se sont très tôt intéressés à la nature du nombre e. L'irrationalité de e fut démontrée par Lambert en
1761 et plus tard par
Euler. La démonstration peut se faire grâce à son développement en série (voir Démonstration de l'irrationalité de e) soit par son développement en
Fraction continue.
La preuve de la transcendance de e fut établie par Hermite en 1873. On en déduit que, pour tout rationnel r (qui inclut les entiers naturels), et e r est aussi transcendant, mais on ne sait pas encore (2007) si e e est transcendant ou non.
Les propriétés de ce nombre sont à la base du théorème de Lindemann-Weierstrass.
Il a été conjecturé que e était un Nombre normal.
Fonction exponentielle et équation différentielle
Pour tout réel x,
exp(x) = e x où
exp est l'unique fonction y vérifiant l'équation différentielle
y ' = y et
y (0) = 1. Cette fonction est appelée fonction exponentielle de base e.
Elle permet de donner toutes les solutions de l'équation différentielle y ' = ay qui sont les fonctions définies par f (x) = Ce ax .
Fonction trigonométrique
La recherche de l'unique solution complexe à l'équation différentielle
u ' = iu et
u (0) = 1 conduit à la fonction
u (x) = e ix = cos(x) + i sin(x) et à l'
Identité d'Euler :
e i π + 1 = 0
qui selon Richard Feynman est « la formule la plus remarquable du monde ». Euler lui-même aurait également été émerveillé de cette relation rassemblant cinq nombres fondamentaux : 0, 1, {e }, {i }, { π }.
Démonstration de l'irrationalité de e
Le nombre e est égal à la somme de la série de l'exponentielle de 1 :
Ce développement peut être employé pour montrer qu'il est irrationnel.
Démonstration, par l'absurde. Supposons qu'il existe deux entiers a et b tels que e = tfrac{a }{b }, où a est strictement positif et b strictement supérieur à 1. Considérons le nombre
| x = b ! | ( | e - | b
Σ
n = 0 | 1
–––
n! | ) |
Nous allons démontrer que x est un nombre entier strictement positif et strictement inférieur à 1, et cette contradiction établira l'irrationalité de e.
- Pour voir que x est un nombre entier, remarquons que
| x = b ! | ( | e - | b
Σ
n = 0 | 1
–––
n! | ) | = b ! | ( | a
––
b | - | b
Σ
n = 0 | 1
–––
n! | ) | = a | b!
–––
b | - | b
Σ
n = 0 | b!
–––
n! |
- Or, b divise b! et, pour tout entier n compris entre 0 et b, n! divise b!, les quantités tfrac{b!}{b } et tfrac{b!}{n!} sont donc entières, x est donc entier comme somme et différence d'entiers.
- Pour voir que x est un nombre strictement positif et strictement inférieur à 1, remarquons que
| x = b ! | ∞
Σ
n = b + 1
| 1
–––
n! |
et ainsi | 0 < x = | 1
–––––
b+1 | + | 1
––––––––––––––
(b+1)(b+2) | + | 1
–––––––––––––––––––––
(b+1)(b+2)(b+3) | + … |
| < | 1
–––––
b+1 | + | 1
––––––––
(b+1) 2 | + | 1
––––––––
(b+1) 3 | + … = | 1
––
b | < 1 |
- Ici, la dernière somme est une Série géométrique de raison .
Puisqu'il n'existe aucun nombre entier strictement positif et strictement inférieur à 1, nous avons obtenu une contradiction, et ainsi e doit être irrationnel. ∎CQFD
Voir aussi
Articles connexes
Lien externe