Nombre triangulaire

Nombre triangulaire
Cette figure illustre le fait de 28 est le septième nombre triangulaire.

En arithmétique, un nombre triangulaire est un cas particulier de nombre figuré. Il correspond à un nombre entier positif égal au nombre de pastilles dans un triangle construit à la manière de la figure de droite. Cette figure montre que 28 est le septième nombre triangulaire, ou encore le nombre triangulaire d'indice 7. Une définition plus formelle s'obtient par récurrence : le nombre triangulaire d'indice 1 est égal à 1, et un nombre triangulaire est égal à son prédécesseur additionné de son indice. Les premiers nombres triangulaires sont : 1, 3, 6, 10, 15, 21, 28, 36, 45, 55 ... Il existe différentes manières de calculer le nombre triangulaire d'indice n, l'une d'elle est graphique et s'obtient par un raisonnement d'arithmétique géométrique. On trouve, si tn désigne le nombre triangulaire d'indice n : :

\forall n \in \mathbb N^* \quad t_n =\frac {n(n+1)}2

Cette formule est ancienne, on la doit à l'école de Pythagore et est probablement connue depuis le début du Ve siècle avant Jésus Christ.

Sommaire

Définition et calculs

Définitions

La représentation figurée permet un calcul pour les premières valeurs.

Formellement, un nombre triangulaire se définit comme une suite, notée (tn) dans cet article, où n est un indice[1] parcourant les nombres entiers strictement positifs :

Définition[2] — Le nombre triangulaire d'indice n, où n est un entier strictement positif, est la somme des nombres entiers de 1 à n.

Une autre manière de définir cette suite est une récurrence. Les deux formulations sont équivalentes :

Définition[3] — Le nombre triangulaire d'indice 1 est 1, le nombre triangulaire d'indice n est défini par la formule suivante :

t_1 = 1 \quad\text{et}\quad \forall n \in \mathbb N^* \quad t_n = 1 + 2 + \cdots + (n-1) + n = t_{n-1} + n

Chez les pythagoriciens, le quatrième nombre triangulaire, c'est-à-dire 10 est nommé tetraktys. Il dispose d'une dimension symbolique[4].

Remarque : Le choix de ne pas définir le nombre triangulaire d'indice 0 se justifie historiquement, le zéro n'existant pas chez les grecs. Cette convention est choisie pour certaines présentations didactiques[2]. Elle est aussi choisie historiquement dans l'encyclopédie de Diderot et D'Alembert pour tous les nombres figurés[5]. Mais elle n'est pas toujours suivie. Si l'on admet 0 comme nombre triangulaire, tout entier positif est somme de trois nombres triangulaires. Cette raison pousse Fermat et Gauss à choisir d'accepter 0 comme nombre triangulaire[6].

Méthodes de calcul

Une représentation permet le calcul d'un nombre triangulaire.

Une vieille méthode de calcul provient de l'école pythagoricienne[7]. Les grecs de cette époque usaient de géométrie pour résoudre les questions de cette nature. Cette approche est qualifiée d'arithmétique géométrique. La figure de droite permet de comprendre comment ils calculaient le nombre triangulaire d'indice 8. La zone rouge de la figure correspond au nombre triangulaire d'indice 8, c'est-à-dire la somme 1 + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8. À cette zone rouge, on accole la zone bleue de la figure, contenant exactement le même nombre de pastilles que la rouge. Cette zone contient un nombre de pastilles égal à deux fois le nombre triangulaire d'indice 8, ou encore 8 x 9 pastilles. Ce résultat est obtenu en remarquant que la zone bleu et rouge est un rectangle de base 9 et de hauteur 8. Le double du nombre triangulaire d'indice 8 est égal à 8 x 9 = 72, ce nombre est égal à 36. On retrouve bien la formule annoncée en introduction[8].

Une légende infondée[9] prête à Carl Friedrich Gauss (1777 - 1855) l'exploit suivant. Alors que Gauss avait huit ans, son maître d'école Büttner demanda aux élèves de sa classe d'additionner tous les nombres de 1 à 100. Gauss additionne 1 avec 100, puis 2 avec 99, puis 3 avec 98 et ainsi de suite jusqu'à 50 avec 51. Il obtient une somme de 50 fois la valeur 101, soit 5 050. Seule l'anecdote est infondée, la méthode, en revanche est pertinente.

Une autre méthode consiste à utiliser une récurrence pour montrer la formule de sommation de l'introduction. A l'ordre 0, la formule est manifestement exacte. On la suppose vraie à l'ordre n - 1 :

u_n = u_{n-1} + n = \frac {(n - 1)n}2 + n = \frac {n^2 - n}2 + \frac {2n}2 = \frac {n^2 + n}2 = \frac {n(n+1)}2 = {n+1 \choose 2}

Le dernier terme est l'expression du nombre triangulaire d'indice n sous la forme d'un coefficient binomial. Il correspond au nombre de paires distinctes contenues dans un ensemble à n + 1 éléments.

Résultats géométriques

Les grecs de l'école de Pythagore n'avaient pas connaissance des théorèmes fondamentaux de l'arithmétique élémentaire, comme le lemme d'Euclide, le théorème de Bachet-Bézout ou encore le théorème fondamental de l'arithmétique. Ils ont développé une arithmétique différente et les résultats présentés ici sont un peu à l'image de leur conception de l'arithmétique[10]. Néanmoins, comme il n'existe pas de texte directement écrit sur cette question par les membres de cette école, il est difficile de relier des résultats précis à des dates ou des noms de membres de l'école[11], ainsi que d'être catégorique sur le fait qu'un résultat était bien connu d'eux.

Somme de deux nombres triangulaires consécutifs

La somme de deux nombres triangulaires consécutif forme un carré parfait.

La figure de droite montre que la somme du quatrième et du cinquième nombre triangulaire forme le cinquième carré parfait[3], c'est-à-dire 25. Ce résultat n'est pas uniquement vrai pour la valeur cinq :

Proposition — Soit n un nombre entier strictement positif. La somme des deux nombres triangulaires d'indice n et n + 1 est égale à (n + 1) x (n + 1), c'est-à-dire au carré de n + 1.

La formule précédente permet d'établir ce résultat :

u_n + u_{n+1} = \frac {n(n+1)}2 + \frac {(n+1)(n+2)}2 = \frac {n+1}2(n + n + 2) = 2(n+1)\frac {n+1}2 = (n+1)^2

Un nombre triangulaire est somme de quatre nombres triangulaires

cas pair
cas impair

Les deux graphiques du paragraphe indiquent que le nombre triangulaire d'indice n est somme de quatre nombres triangulaires. Ceci est vrai quelle que soit la parité de l'indice n. En effet, u14 est la somme de trois fois u7 et de u6 et u15 est la somme trois fois u7 et de u8. Cette proposition s'exprime de la manière suivante :

Proposition[3] — Soit n entier strictement positif, u2n et u2n + 1 sont somme de quatre nombres triangulaires et vérifient les formules :

u_{2n} = 3u_n + u_{n-1}\quad\text{et}\quad u_{2n+1} = 3u_n + u_{n+1}

En effet :

2(3u_n + u_{n-1}) = 3n(n+1) + n(n-1) = 4n^2 + 2n = 2(2n^2 + n) = 2n(2n+1)=2u_{2n}\;
2(3u_n + u_{n+1}) = 3n(n+1) + (n+1)(n+2) = 4n^2 + 6n + 2 = (2n+1)(2n+2)=2u_{2n+1}\;

Un carré parfait avec un unique nombre triangulaire

La somme de huit fois un nombre triangulaire et un est un carré parfait.

La figure de droite montre qu'il est possible d'emboiter huit nombres triangulaires d'indice 7 pour former un carré de côté 15, auquel il manque la pastille centrale, en gris sur la figure. Une fois encore, ce résultat se généralise :

Proposition[3] — Soit n entier strictement positif, le carré parfait (2n + 1)2 est égal à la somme de huit fois un et de l'unité :

8u_n + 1 = (2n+1)^2\;

En effet, ce résultat est directement l'application d'une identité remarquable :

8u_n + 1 = 4n(n+1) +1 = 4n^2 + 4n + 1 = (2n + 1)^2\;

Cube et nombre triangulaire

Un autre résultat traite des cubes. Il s'énonce ainsi :

Proposition[3] — Si n est un entier supérieur à deux, la différence entre les carrés du nombre triangulaire d'indice n et n - 1 est égale au cube de n.

Le carré du nième nombre triangulaire est égal à la somme des n premiers cubes.

Il est découvert par le mathématicien arabe Al-Karaji[12], qui l'exprime d'une manière presque équivalente :

Proposition — Si n est un entier strictement positif, la somme des n premiers cubes positifs est égal au carré du nombre triangulaire d'indice n.

L'illustration géométrique à droite permet de se convaincre de la véracité de ses propositions. L'aire de la zone orange de la figure est appelée nombre gnomonique. Elle est constituée de deux rectangles de base 4 et de côté le nombre triangulaire d'indice 4, c'est-à-dire 10. Ces deux rectangles se recoupent sur un carré de côté 4, on en déduit que l'aire orange est égale à 5 x 4 x 4 - 4 x 4, ou encore 43. Ce raisonnement est valable sur chaque nombre gnomonique, l'aire du carré de côté le nombre triangulaire d'indice 4 est égal la somme des 4 premiers cubes. De cette démonstration d'Al-Karaji, on déduit la première proposition.

On peut aussi raisonner algébriquement à partir de la première proposition :

u_n^2 -u_{n-1}^2 = \frac 14\Big(n^2(n+1)^2 - n^2(n-1)^2\Big) = \frac 14n^2\Big((n+1)^2 - (n-1)^2)\Big) = n^3

Autres propriétés

Généralisations

Si, au lieu de calculer la somme des n premiers nombres entiers strictement positifs, on calcule les n premiers carrés strictement positifs que l'on appelle cn, on obtient la formule suivante :

c_n = \frac {n(n+1)(2n+1)}6

L'intuition de l'exactitude de cette formule est donnée par la preuve sans mots suivante[13] :

Chacune des trois pyramides a pour volume la somme des carrés de 1 à n (n=4 dans cette illustration) ; le parallélépipède final est de côtés n, n+1 et n+1/2.

Ce résultat se généralise pour la somme des n premières puissances strictement positives. Cette somme porte le nom de formule de Faulhaber. Il est aussi possible de généraliser en considérant le nombre de points sn,d contenus dans un simplexe dont les côtés sont de longueurs n, dans un espace de dimension d. On obtient :

s_{n,d} = \frac {n(n+1)\cdots(n+(d-1))} {d!}

Entier somme de trois nombres triangulaires

A condition de considérer zéro comme un nombre triangulaire, Pierre de Fermat (1601?-1665) conjectura que tout entier est somme de trois nombres triangulaires. La preuve de l'exactitude de cette conjecture fût apportée à la fin du XVIIIe siècle par Gauss[6].

La démonstration ici n'est pas géométrique. L'arithmétique telle qu'on la concevait à l'époque de Pythagore est impuissante pour prouver des résultats de cette nature. La partie difficile[14] de la preuve est le théorème des trois carrés, qui a pour conséquence que tout entier positif congru à 3 modulo 8 est somme de trois carrés parfaits. Soit M un nombre entier positif, 8M + 3 est somme de trois carrés. De plus chaque carré de la somme est impair, sinon leur somme ne serait pas congru à 3 modulo 4. On en déduit l'existence de trois entiers x, y et z tels que :

8M+3 = (2x+1)^2 + (2y+1)^2 + (2z + 1)^2 = 8\left(\frac {x(x+1)}2 + \frac {y(y+1)}2 + \frac {z(z+1)}2\right) + 3

Cette dernière égalité implique le résultat recherché, M est la somme des trois nombres triangulaires d'indice x, y et z.

Annexes

Références

  1. ↑ Le terme d'indice est celui souvent utilisé pour les suites : Axel Delmotte, William Seck, Hubert Silly Réussir les tests d'entrée des 3e cycles et Ecoles de gestion Jeunes Editions (2005) p. 67 (ISBN 978-2844725769) accessible sous Google Livre. D'autres auteurs parlent néanmoins de rang et non pas d'indice.
  2. ↑ a et b Gérard Villemin Nombre triangulaire Nombres - Curiosités, théorie et usages (2007)
  3. ↑ a, b, c, d et e Gérard Villemin Nombre triangulaire Nombres - Curiosités, théorie et usages (2007)
  4. ↑ Walter Burkert Lore and Science in Ancient Pythagoreanism Harvard University Press (1972) p 463 (ISBN 978-0674539181)
  5. ↑ Denis Diderot Jean le Rond D'Alembert Encyclopédie ou dictionnaire raisonné des sciences des arts et des métiers (1781)
  6. ↑ a et b Carl Friedrich Gauss Recherches arithmétiques p. 353 Traduction de 1807
  7. ↑ Thomas Little Heath A History of Greek Mathematics: From Thales to Euclid Dover Publications (réédition de 1981) Vol 1 p. 76-77 (ISBN 978-0486240732)
  8. ↑ On trouve cette méthode à : Thérèse Eveilleau L'escalier des entiers Mathématiques magiques
  9. ↑ Brian Hayes a recensé 111 versions différentes de cette légende, toutes aussi romancées. L'origine de l'information remonte à l'éloge funèbre de Gauss, prononcé par Wolfgang Sartorius von Waltershausen, les nombres de 1 à 100 ne sont pas indiqués ni la méthode pour y parvenir : Si non è vero, è bene trovato Université Joseph Fourier Grenoble (2007)
  10. ↑ Walter Burkert Lore and Science in Ancient Pythagoreanism Harvard University Press (1972) p 427-446 (ISBN 978-0674539181)
  11. ↑ Walter Burker Lore and science in ancient Pythagoreanism Harvard University Press (1972) p 439, on trouve The only certainty about the discovery of irrationality is that Theodorus of Cyrene proved that √n (for n = 3, ... 17 and not a perfect square) is irrational.
  12. ↑ A. Dahan-Dalmedico et J. Peiffer, Une Histoire des mathématiques - Routes et dédales [détail des éditions]  p 90
  13. ↑ Elle provient de : Roger B. Nelsen Proofs without Words: Exercises in Visual Thinking (Classroom Resource Materials) The Mathematical Association of America (1997) (ISBN 978-0883857007)
  14. ↑ Ce résultat, établi par Gauss, se démontre maintenant à l'aide du théorème de Hasse-Minkowski : B. Meyer Somme de carrés d'entiers Université de Bordeaux I p. 9 (2008)

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