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Leçon 13

L'algorithme de Brouncker pour ln⁡2\ln 2

Vidéo 13 : L'algorithme de Brouncker pour ln 2 · 4 min 04 s · sous-titres en français

Le cours écrit

Au XVIIe siècle, William Brouncker calcule ln⁡2\ln 2 à la main, en découpant l'aire sous une hyperbole. C'est l'un des travaux sur la quadrature de l'hyperbole cités par le programme.

13.1 Le découpage en rectangles

On sait que ln⁡2=∫12dxx\ln 2 = \displaystyle\int_1^2 \dfrac{\mathrm{d}x}{x}. On remplit l'aire sous la courbe par des rectangles.

  • Un grand rectangle sous la courbe, de base [1 ;2][1\,;2] et de hauteur 12\dfrac12. Son aire vaut 12=11×2\dfrac12 = \dfrac{1}{1 \times 2}.
  • On coupe en 32\dfrac32. Au-dessus du grand rectangle, un rectangle de base [1 ;32]\left[1\,;\dfrac32\right] tient sous la courbe, entre les hauteurs 12\dfrac12 et 23\dfrac23. Son aire vaut 12×(23−12)=112=13×4\dfrac12 \times \left(\dfrac23 - \dfrac12\right) = \dfrac{1}{12} = \dfrac{1}{3 \times 4}.
  • On recoupe chaque morceau en deux. Deux rectangles de largeur 14\dfrac14 s'ajoutent : 14×(45−23)=130=15×6\dfrac14 \times \left(\dfrac45 - \dfrac23\right) = \dfrac{1}{30} = \dfrac{1}{5 \times 6} et 14×(47−12)=156=17×8\dfrac14 \times \left(\dfrac47 - \dfrac12\right) = \dfrac{1}{56} = \dfrac{1}{7 \times 8}.

La règle apparaît : on multiplie deux entiers consécutifs, en partant d'un nombre impair. On pose Sn=∑k=1n1(2k−1)×2k=11×2+13×4+⋯+1(2n−1)×2n.S_n = \sum_{k=1}^{n} \dfrac{1}{(2k - 1) \times 2k} = \dfrac{1}{1 \times 2} + \dfrac{1}{3 \times 4} + \dots + \dfrac{1}{(2n - 1) \times 2n}.

13.2 Une somme alternée

Pour tout entier k≥1k \geq 1, 1(2k−1)×2k=12k−1−12k\dfrac{1}{(2k - 1) \times 2k} = \dfrac{1}{2k - 1} - \dfrac{1}{2k}. Donc Sn=1−12+13−14+⋯+12n−1−12n.S_n = 1 - \dfrac12 + \dfrac13 - \dfrac14 + \dots + \dfrac{1}{2n - 1} - \dfrac{1}{2n}.

13.3 Pourquoi SnS_n tend vers ln⁡2\ln 2

On reprend la suite (In)(I_n) de la leçon 10 : I0=ln⁡2I_0 = \ln 2, et In+In+1=1n+1I_n + I_{n+1} = \dfrac{1}{n + 1}. Donc I0=1−I1I_0 = 1 - I_1, puis I1=12−I2I_1 = \dfrac12 - I_2, et ainsi de suite : ln⁡2=I0=1−12+I2=1−12+13−14+I4=⋯=Sn+I2n.\ln 2 = I_0 = 1 - \dfrac12 + I_2 = 1 - \dfrac12 + \dfrac13 - \dfrac14 + I_4 = \dots = S_n + I_{2n}.

Or 0≤I2n≤12n+10 \leq I_{2n} \leq \dfrac{1}{2n + 1}. Donc 0≤ln⁡2−Sn≤12n+1,etlim⁡n→+∞Sn=ln⁡2.0 \leq \ln 2 - S_n \leq \dfrac{1}{2n + 1}, \qquad\text{et}\qquad \lim\limits_{n \to +\infty} S_n = \ln 2.

On sait même où s'arrêter : pour une erreur d'au plus 10−310^{-3}, il suffit de prendre n=500n = 500.

13.4 Le programme

def brouncker(n):
    s = 0
    for k in range(1, n + 1):
        s = s + 1 / ((2 * k - 1) * (2 * k))
    return s
nn 1010 100100 1 0001\,000 10 00010\,000
SnS_n 0,668770{,}66877 0,690650{,}69065 0,692900{,}69290 0,693120{,}69312

Ces valeurs restent en dessous de ln⁡2≈0,69315\ln 2 \approx 0{,}69315. La convergence est lente : une décimale de plus demande environ 1010 fois plus de termes.

13.5 Le lien avec les rectangles

La valeur S10≈0,66877S_{10} \approx 0{,}66877 est exactement la somme des rectangles à droite de la leçon 11, pour n=10n = 10. Ce n'est pas un hasard : l'exercice 25 montre que SnS_n est égale à la somme des rectangles à droite à nn morceaux, pour tout nn. Brouncker faisait donc déjà, à la main, la méthode des rectangles.

Lire le cours complet du chapitre

Exercices 25 et 26

  • Exercice 25 : Brouncker et les rectangles
  • Exercice 26 : à quelle précision ?

Exercices du chapitre (PDF, 179 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 184 Ko)

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