En raison de limitations techniques, la typographie souhaitable du titre, «
Annexe : Démonstration que la somme infinie de tous les inverses des k! est égale à e
Fonction exponentielle/Annexe/Démonstration que la somme infinie de tous les inverses des k! est égale à e », n'a pu être restituée correctement ci-dessus.
Introduction
Le nombre e est appelé nombre de Neper. C'est la valeur en 1 de la fonction exponentielle : e = exp 1.
On cherche à démontrer que
et plus généralement, que pour tout réel
,
![{\displaystyle \lim _{n\to \infty }\sum _{k=0}^{n}{\frac {a^{k}}{k!}}=\exp a}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/93322076a616981fb47bae9c322fad05f336a10b)
,
en utilisant que
Cette démonstration peut se faire avec des outils mathématiques du niveau de Terminale scientifique.
Démonstration
On se place dans le cas
, pour alléger l'écriture mais englober le cas particulier
(la preuve dans le cas
serait analogue).
Rappelons tout d’abord que par convention,
et pour tout réel
,
.
On pose, pour tout réel
et tout entier naturel
:
(donc
et
)
puis
.
Alors,
et pour tout entier
,
![{\displaystyle g_{n}'(x)=g_{n-1}(x)-g_{n}(x)=-{\tfrac {x^{n}}{n!}}\exp(-x)}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/52c4b13aa94807d57bd4a112514a299f22a9cab8)
donc
![{\displaystyle {\begin{aligned}{\frac {|f_{n}(a)-\exp a|}{\exp a}}&=\left|g_{n}(a)-g_{n}(0)\right|\\&=\int _{0}^{a}{\tfrac {x^{n}}{n!}}\exp(-x)\,{\rm {d}}x\\&\leq \int _{0}^{a}{\tfrac {x^{n}}{n!}}\,{\rm {d}}x\\&={\frac {a^{n+1}}{(n+1)!}}.\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/41df02a14bb08703db016d38da1fccf0638e3d8d)
Or (par un théorème de comparaison)
![{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {a^{n+1}}{(n+1)!}}=0}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e5077cffb8379e3393a3e53f5d4bf529511aa364)
donc
,
ce qu’il fallait démontrer.
Corollaire : irrationalité de e
Début d'un lemme
Fin du lemme
Démonstration
Soit
. La minoration par 0 étant immédiate, il suffit de montrer la majoration par 1.
Voici quatre preuves. Les trois premières utilisent simplement que
; la dernière, plus rapide, exploite l'inégalité de la section précédente, qui a permis de démontrer cette convergence.
- Soit
une suite réelle positive telle que
.
- (Par exemple :
, ou encore :
, qui correspond aux deux suites adjacentes classiques convergeant vers e.)
- Alors,
car pour tout
,
, par télescopage.
- On a
(le même majorant qu'en choisissant
dans la première preuve) car pour tout
,
,
- où la dernière inégalité vient du calcul d'une somme de termes consécutifs d'une suite géométrique.
- (Inspiré de A. R. G. MacDivitt et Yukio Yanagisawa, « An elementary proof that e is irrational », The Mathematical Gazette, vol. 71, no 457, 1987) :
- On a
(le même majorant qu'en choisissant
dans la première preuve) car pour tout
,
![{\displaystyle {\begin{aligned}(n+1)!\,(u_{m}-u_{n})&=\sum _{k=n+1}^{m}{\frac {(n+1)!}{k!}}\\&\leq 1+{\frac {1}{n+2}}+\sum _{k=n+3}^{m}{\frac {n!}{(k-1)!}}\\&=1+{\frac {1}{n+2}}-{\frac {1}{n+1}}+\sum _{k=n+2}^{m}{\frac {n!}{(k-1)!}}\\&=1-{\frac {1}{(n+1)(n+2)}}+n!\,(u_{m-1}-u_{n}).\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e4bae1883a45a0aba29531d7c1b4bfc6a592a317)
-
- La majoration pour
, équivalente à
, se déduit par exemple de
.
- L'inégalité de la section précédente fournit alors, pour
, une majoration grossière mais suffisante :
.
Remarquons que
est entier, donc le lemme signifie que :
- cet entier n'est autre que la partie entière de
;
- le réel
n'est pas entier.
Corollaire
Le nombre
est irrationnel.
On peut même démontrer de façon élémentaire que
n'est pas algébrique de degré ≤ 2 : Intégration en mathématiques/Devoir/e est-il un rationnel ?.
En fait,
est même transcendant, mais cela ne sera démontré qu'au niveau 16 : Introduction à la théorie des nombres/Annexe/Démonstration de la transcendance de e et pi.